Актиновые компоненты немышечных клеток

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Актиновый цитоскелет немышечных клеток
Область использования

биология
цитология

Акти́новые компоне́нты немы́шечных кле́ток (или акти́новый цитоскеле́т немы́шечных кле́ток) — совокупность актиновых филаментов и связанных с ними белков, обеспечивающих сборку, разборку и пространственную организацию этих структур. Входят в состав цитоскелета эукариотической клетки и участвуют в поддержании формы клетки, клеточной миграции, межклеточной адгезии, эндоцитозе, фагоцитозе, цитокинезе и передаче механических сигналов[1].

Файл:Actin with ADP highlighted.png
G-актин. Показаны связанные с ним молекула АДФ и двухвалентный катион

В немышечных клетках актиновые филаменты обычно не собраны в постоянные миофибриллы, как в поперечнополосатых мышечных волокнах. Они образуют изменяющиеся во времени сети, пучки и кортикальный слой под плазматической мембраной. Взаимодействуя с миозинами и актин-связывающими белками, эти структуры обеспечивают изменение формы клетки и создание механических сил[2].

Общая организация актинового цитоскелета[править]

В состав актинового цитоскелета входят:

  • мономеры и полимеры актина;
  • нуклеаторы, запускающие образование новых филаментов;
  • белки, регулирующие присоединение и отсоединение мономеров;
  • белки, сшивающие филаменты в пучки и сети;
  • адаптерные белки, соединяющие актин с мембраной, межклеточными контактами и внеклеточным матриксом;
  • миозиновые моторы, использующие энергию АТФ для создания силы;
  • регуляторы, связывающие перестройку актина с сигнальными путями клетки[3].

У разных клеток состав и расположение актиновых структур различаются. У фибробластов развиты актомиозиновые пучки и фокальные контакты, у эпителиальных клеток — кортикальный актин и актиновые структуры в области адгезивных контактов, а у лейкоцитов — быстро изменяющиеся сети, необходимые для движения и фагоцитоза[4][5].

Одна и та же клетка может быстро переходить от кортикальной сети к пучкам или разветвлённой сети. Такое переключение зависит от внешних сигналов, положения клетки и выполняемой функции[3].

Строение и динамика актина[править]

Актиновые филаменты[править]

Актин — глобулярный белок, способный обратимо переходить из мономерной формы в полимерную. Мономерный актин обозначают как G-актин, а полимеризованный — как F-актин. Актиновый филамент состоит из двух спирально закрученных цепей мономеров актина. Его диаметр составляет около 7 нм, поэтому актиновые филаменты относят к микрофиламентам[1].

Микрофиламенты могут образовывать трёхмерные сети, параллельные и антипараллельные пучки. Их свойства зависят от белков, регулирующих длину, ветвление, сшивание и прикрепление филаментов к другим структурам[2].

Изоформы актина[править]

В немышечных клетках широко представлены цитоплазматические изоформы β-актина и γ-актина, кодируемые генами ACTB и ACTG1. Их функции частично перекрываются, однако соотношение изоформ и их распределение могут зависеть от типа клетки, стадии развития и конкретной актиновой структуры[6][7].

α-Актины преимущественно характерны для мышечных тканей, где входят в состав сократительных структур. Некоторые α-актины встречаются и в немышечных тканях, поэтому разделение на «мышечные» и «немышечные» изоформы не является абсолютным[2][6].

Полярность и полимеризация[править]

Актиновые филаменты имеют полярность. Один конец называют плюс-концом, а другой — минус-концом. В большинстве условий мономеры быстрее присоединяются к плюс-концу, чем к минус-концу. Скорость роста концов зависит от концентрации G-актина и присутствия регуляторных белков[2].

Мономеры G-актина присоединяются к филаментам в комплексе с АТФ. После включения в состав филамента АТФ гидролизуется до АДФ с образованием промежуточного состояния АДФ-Pi. После высвобождения неорганического фосфата в филаменте остаётся АДФ-актин. Эти изменения влияют на свойства филамента и его взаимодействие с актин-связывающими белками[2][3].

При определённой концентрации мономеров присоединение актина к плюс-концу может одновременно происходить с отсоединением мономеров от минус-конца. Такое состояние называют тредмиллингом. При этом длина филамента остаётся примерно постоянной, но мономеры перемещаются от одного конца к другому[2].

Тредмиллинг позволяет клетке быстро перестраивать актиновый цитоскелет без полного разрушения всей сети. Баланс между полимеризацией и деполимеризацией влияет на форму клетки, её движение и образование мембранных выпячиваний[3].

При добавлении новых мономеров у переднего края мигрирующей клетки актиновая сеть создаёт силу, направленную на плазматическую мембрану. Это способствует образованию ламеллиподий и других выпячиваний[8].

Белки, регулирующие сборку актина[править]

Самопроизвольная полимеризация актина возможна, но в клетке она регулируется пространственно и во времени. Новые филаменты образуются в ответ на сигналы от рецепторов, малых ГТФаз, фосфоинозитидов и белков клеточной адгезии[3].

Нуклеаторы[править]

Для начала роста актинового филамента необходимо образование небольшого стабильного зачатка — нуклеация. Важным нуклеатором разветвлённых актиновых сетей служит комплекс Arp2/3. Он присоединяется к боковой поверхности существующего филамента и запускает образование дочернего филамента под углом около 70°[9][3].

Многократное ветвление приводит к формированию плотной сети, характерной для ламеллиподий и некоторых структур, возникающих при фагоцитозе. Комплекс Arp2/3 активируют белки семейств WASP и WAVE[9].

Другой крупный класс нуклеаторов образуют формины. Они способствуют сборке длинных неразветвлённых актиновых филаментов, входящих в состав пучков, стрессовых волокон и сократительного кольца при цитокинезе[3][10].

Профилин и кофилин[править]

Профилин связывает мономеры G-актина и способствует их включению в растущий филамент, особенно при участии форминов. Тимозин β4 связывает мономерный актин и временно удерживает его в неактивном состоянии[3].

Кофилин преимущественно связывается со старыми участками F-актина, содержащими АДФ-актин, изменяет их структуру и ускоряет разборку филаментов. Его активность регулируется, в частности, фосфорилированием[3].

Пространственная организация[править]

Кортикальный актин[править]

Кортикальный актин — сеть филаментов, расположенная непосредственно под плазматической мембраной. Он поддерживает форму клетки, участвует в распределении мембранных белков и передаёт механические нагрузки к другим клеточным структурам[4].

Ламеллиподии и филоподии[править]

Ламеллиподия — широкое плоское выпячивание на переднем крае мигрирующей клетки. Его основу образует разветвлённая сеть F-актина, формируемая преимущественно комплексом Arp2/3[9][8].

Филоподия — узкий пальцеобразный отросток, содержащий пучок почти параллельных актиновых филаментов. Филоподии участвуют в исследовании окружающего пространства, контакте с внеклеточным матриксом и выборе направления движения клетки[8].

Актиновые пучки и стрессовые волокна[править]

В актиновых пучках филаменты располагаются параллельно или антипараллельно. Их сшивают α-актинин, фасцин, фимбрин, пластин и другие белки. Параллельные пучки характерны для микроворсинок и филоподий, а антипараллельные могут входить в состав сократительных структур[2].

Стрессовые волокна — актомиозиновые пучки, характерные для многих адгезивных клеток, включая фибробласты. В их составе актиновые филаменты взаимодействуют с миозином II. Сокращение стрессовых волокон передаёт силу на фокальные контакты и внеклеточный матрикс[4][11].

Микроворсинки[править]

Микроворсинки — пальцеобразные выросты апикальной поверхности многих эпителиальных клеток. Их центральный стержень образуют параллельные пучки актиновых филаментов, связанные с мембраной адаптерными белками[4].

Связь актина с мембраной и клеточными контактами[править]

Актиновые филаменты обычно соединяются с плазматической мембраной через адаптерные белки. Благодаря этим связям механические силы передаются между мембраной, цитоскелетом и межклеточным или внеклеточным матриксом[11].

Белки семейства ERM — эзрин, радиксин и моэзин — связывают некоторые мембранные белки с кортикальным актином. Они участвуют в образовании микроворсинок, поддержании клеточной полярности и миграции[4].

В эпителиальных клетках актин связан с кадхерин-зависимыми адгезивными контактами. Классические кадхерины соединяют соседние клетки, а их цитоплазматические участки через катенины связаны с актиновым цитоскелетом[12].

Фокальные контакты соединяют актиновый цитоскелет с внеклеточным матриксом. Их трансмембранными рецепторами служат интегрины, а связь с актином обеспечивают талин, винкулин, паксиллин, α-актинин и другие белки[11].

Миозины и актомиозиновые структуры[править]

Миозин — моторный белок, связывающий гидролиз АТФ с перемещением относительно актиновой филаменты. Миозины I участвуют в деформации мембраны и эндоцитозе, миозины V перемещают органеллы и везикулы, а миозин II участвует в сокращении актомиозиновых структур[5].

Миозин II образует биполярные филаменты. Если актиновые филаменты ориентированы навстречу друг другу, движение миозина II приводит к их скольжению и сокращению пучка. Такой механизм участвует в клеточной миграции, изменении формы клетки, эндоцитозе и цитокинезе[5][13].

Роль малых ГТФаз семейства Rho[править]

Семейство малых ГТФаз Rho является одним из основных регуляторов актинового цитоскелета. К наиболее изученным представителям относятся RhoA, Rac1 и Cdc42. В связанном с ГТФ состоянии они обычно активны, а после гидролиза ГТФ до ГДФ переходят в неактивное состояние[10][14].

  • RhoA стимулирует образование стрессовых волокон и сокращение актомиозиновых структур;
  • Rac1 участвует в образовании ламеллиподий и разветвлённых актиновых сетей;
  • Cdc42 участвует в формировании филоподий, установлении клеточной полярности и выборе направления движения[10][8].

Функции в немышечных клетках[править]

Клеточная миграция[править]

Актиновый цитоскелет обеспечивает перемещение фибробластов, лейкоцитов, клеток нервной системы и многих других клеток. Полимеризация актина создаёт силу на переднем крае клетки, а сокращение актомиозиновых структур помогает перемещать клеточное тело и задний край[8].

Эндоцитоз и фагоцитоз[править]

Актин участвует в образовании мембранных впячиваний и углублений при эндоцитозе. Он создаёт механическую опору для деформации мембраны, отделения везикулы и перемещения образовавшегося пузырька[5].

При фагоцитозе клетка окружает крупную частицу или микроорганизм актиновыми выростами. В месте контакта активируются рецепторы, Rho-ГТФазы и комплекс Arp2/3. Возникает фагоцитарная чашечка, края которой растут вокруг объекта и затем смыкаются[15].

Цитокинез[править]

После расхождения хромосом животная клетка разделяет цитоплазму с помощью сократительного кольца, расположенного под плазматической мембраной в экваториальной области клетки[13].

Сократительное кольцо состоит главным образом из актиновых филаментов и миозина II. Их взаимодействие уменьшает диаметр кольца и образует борозду дробления[13][10].

Межклеточная адгезия[править]

Актиновый цитоскелет позволяет клетке прикрепляться к соседним клеткам и внеклеточному матриксу, а также распределять механическую нагрузку. Фокальные контакты и кадхерин-катениновые комплексы участвуют в передаче механических сигналов внутрь клетки[11][12].

Биологическое и медицинское значение[править]

Нарушения организации актина могут влиять на клеточную миграцию, межклеточную адгезию, фагоцитоз, работу нервных клеток и деление клетки. Мутации генов актина и актин-связывающих белков связаны с различными наследственными заболеваниями[7].

Мутации генов ACTB и ACTG1 могут вызывать синдром Барайтсера—Винтер, сопровождающийся нарушениями развития нервной системы и органов чувств. Мутации гена PFN1 описаны при некоторых формах бокового амиотрофического склероза[7][16].

Перестройка актинового цитоскелета имеет значение для инвазии опухолевых клеток. Изменения активности комплекса Arp2/3, кофилина и других регуляторов могут влиять на образование клеточных выростов и подвижность опухолевых клеток[17].

Актиновый цитоскелет является мишенью ряда экспериментальных соединений. Цитохалазины нарушают рост и организацию актиновых филаментов, латрункулины связывают мономерный актин, а фаллоидин стабилизирует F-актин[18].

⚠️ Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ: Актиновые компоненты немышечных клеток

Определение: совокупность актиновых филаментов и связанных белков, входящая в состав цитоскелета эукариотической клетки.

Строение: G-актин (мономер) → F-актин (полимер). Филамент — две спирально закрученные цепи, диаметр ~7 нм (микрофиламент). Имеет полярность: плюс-конец (быстрый рост) и минус-конец. Тредмиллинг — одновременное присоединение и отсоединение мономеров, длина постоянна.

Изоформы: β-актин и γ-актин (немышечные клетки); α-актины — преимущественно в мышцах.

Ключевые белки:

  • Arp2/3 — нуклеатор разветвлённых сетей (угол ~70°);
  • формины — нуклеаторы длинных неразветвлённых филаментов;
  • профилин — способствует включению G-актина;
  • кофилин — ускоряет разборку филаментов;
  • миозин II — создаёт силу при скольжении филаментов.

Структуры: кортикальный актин, ламеллиподии, филоподии, стрессовые волокна, микроворсинки.

Регуляция: малые ГТФазы Rho — RhoA (стрессовые волокна), Rac1 (ламеллиподии), Cdc42 (филоподии).

Функции: поддержание формы, миграция, эндоцитоз, фагоцитоз, цитокинез, межклеточная адгезия, передача механических сигналов.

Медицинское значение: мутации ACTB/ACTG1 — синдром Барайтсера—Винтер; PFN1 — боковой амиотрофический склероз; перестройка актина — инвазия опухолей.

Типовые вопросы: Из чего состоят микрофиламенты? Чем G-актин отличается от F-актина? Что такое тредмиллинг? Роль Arp2/3 и форминов? Какие ГТФазы регулируют актин?

Примечания[править]

  1. ↑ 1,0 1,1 Пасечник В. В., Каменский А. А., Рубцов А. М. и др. Биология. 10 класс. Углублённый уровень. Учебное пособие. В 2 ч. Часть 1. — М.: Просвещение, 2024. — ISBN 978-5-09-128778-3.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 Alberts B. и др. Structure and Organization of Actin Filamentsангл. // Molecular Biology of the Cell. — NCBI Bookshelf.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 Alberts B. и др. How Cells Regulate Their Cytoskeletal Filamentsангл. // Molecular Biology of the Cell. — NCBI Bookshelf.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Alberts B. и др. Molecular Biology of the Cell. — 6th ed.. — NCBI Bookshelf.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 Alberts B. и др. Actin, Myosin, and Cell Movementангл. // Molecular Biology of the Cell. — NCBI Bookshelf.
  6. ↑ 6,0 6,1 Дугина В. Б. Изоформы актина и неопластическая трансформациярус. // КиберЛенинка. — 2017.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Actin Mutations and Their Role in Diseaseангл. // PMC. — 2020.
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 Lambrechts A. и др. The Actin Cytoskeleton in Normal and Pathological Cell Motilityангл. // International Journal of Biochemistry & Cell Biology. — 2004.
  9. ↑ 9,0 9,1 9,2 Чемерис А. С. Регуляция комплексом Arp2/3 преобразований актинового цитоскелета в клеткерус. // Вестник Московского университета. Серия 16: Биология. — 2018.
  10. ↑ 10,0 10,1 10,2 10,3 Jordan S. N., Canman J. C. Rho GTPases in Animal Cell Cytokinesis: An Occupation by the One Percentангл. // Cytoskeleton. — 2012.
  11. ↑ 11,0 11,1 11,2 11,3 Баллестрем К. Взаимодействие между актиновым цитоскелетом, фокальными контактами и микротрубочкамирус. // КиберЛенинка.
  12. ↑ 12,0 12,1 Глушанкова Н. А. и др. Цитоскелет и межклеточная адгезиярус. // КиберЛенинка. — 2003.
  13. ↑ 13,0 13,1 13,2 Alberts B. и др. Cytokinesisангл. // Molecular Biology of the Cell. — NCBI Bookshelf.
  14. ↑ Крендель М. Роль катализаторов обмена нуклеотидов ГТФаз семейства Rho в передаче сигналов от микротрубочек к актиновому цитоскелетурус. // Вестник РОНЦ им. Н. Н. Блохина РАМН. — 2003. — № 3.
  15. ↑ Alberts B. и др. Small GTP Binding Proteins and the Control of Phagocytic Uptakeангл. // Molecular Biology of the Cell. — NCBI Bookshelf.
  16. ↑ Profilin1 Biology and Its Mutation, Actin(g) in Diseaseангл. // PMC. — 2016.
  17. ↑ Regulation of the Actin Cytoskeleton in Cancer Cell Migration and Invasionангл. // PMC.
  18. ↑ Labeling Cytoskeletal F-Actin with Rhodamine Phalloidinангл. // PubMed. — 2010.

Литература[править]

Рувики

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Актиновые компоненты немышечных клеток», расположенная по адресу:

—https://ru.ruwiki.ru/wiki/Актиновые_компоненты_немышечных_клеток

Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий.

Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».

Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Актиновые_компоненты_немышечных_клеток&oldid=2737437