Примеры белков двигательной функции: Таблица “Функции белков” (биология, 10 класс)

Содержание

Запишите пропущенные слова (+ примеры): 1. Структурная функция белков проявляется в том, что

1. Структурная функция белков проявляется в том, что белки являются основным строительным элементом живых организмов, выстраивают все важные структуры. К примеру: эластин в связках, коллаген в хрящах.

2. Рецепторная функция белков проявляется в том, что они принимают сигналы, поступающие в организм из окружающей среды, и передают их чувствительным клеткам.

3. Регуляторная функция белков проявляется в том, что некоторые белки являются гормонами — биологически активными веществами, влияющими и регулирующими работу процессов в организме. К примеру: эпинефрин регулирует процессы в организме во время активности парасимпатического отдела ВНС; тироксин влияет на обмен веществ, рост и развитие организма.

4. Каталитическая функция белков проявляется в том, что все ферменты (биологические катализаторы) по своей природе являются белками. К примеру: амилаза расщепляет крахмал до мальтозы; нуклеаза расщепляет нуклеиновые кислоты до нуклеоидов.

5. Транспортная функция белков проявляется в том, что некоторые белки способны прикреплять к себе другие вещества и транспортировать их по организму. К примеру: гемоглобин обеспечивает транспорт газов.

6. Двигательная функция белков проявляется в том, что актин и миозин образуют микрофиламенты мышц.

7. Энергетическая функция белков проявляется в том, что при их расщеплении выделяется около 16 кДж энергии.

8. Запасающая функция белков проявляется в том, что белки способны накапливаться в клетках. К примеру: клейковина в пшенице, альбумин в яйце.

9. Защитная функция белков проявляется в том, что белки обеспечивают защиту организма от окружающей среды во время открытых травм (фибриноген и тромбин свёртывают кровь), а также уничтожают проникшие в организм патогенные организмы (все антитела являются белками).

Белки. Химические и физические свойства. Биологические функции.

Белки — высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков аминокислот, соединённых в длинную цепочку пептидной связью.

В состав белков живых организмов входит всего 20 типов аминокислот, все из которых относятся к альфа-аминокислотами, а аминокислотный состав белков и их порядок соединения друг с другом определяются индивидуальным генетическим кодом живого организма.

Одной из особенностей белков является их способность самопроизвольно формировать пространственные структуры характерные только для данного конкретного белка.

первичная последовательность соединения остатков аминокислот
вторичная

локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи в спирали

третичная

пространственная ориентация полипептидной спирали или способ ее укладки определенном объеме в глобулы (клубки) или фибриллы (нити)

Из-за специфики своего строения белки могут обладать разнообразными свойствами. Например, белки, имеющие глобулярную четвертичную структуру, в частности белок куриного яйца, растворяются в воде с образованием коллоидных растворов. Белки, обладающие фибриллярной четвертичной структурой в воде не растворяются. Фибриллярными белками, в частности, образованы ногти, волосы, хрящи.

Химические свойства белков

Гидролиз

Все белки способны вступать в реакцию гидролиза. В случае полного гидролиза белков образуется смесь из α-аминокислот:

Белок + nH2O => смесь из α-аминокислот

Денатурация

Разрушение вторичной, третичной и четвертичной структур белка без разрушения его первичной структуры называют денатурацией. Денатурация белка может протекать под действием растворов солей натрия, калия или аммония – такая денатурация является обратимой:

Денатурация же протекающая под действием излучения (например, нагрева) или обработке белка солями тяжелых металлов является необратимой:

Так, например, необратимая денатурация белка наблюдается при термической обработке яиц в процессе их приготовления. В результате денатурации яичного белка его способность растворяться в воде с образованием коллоидного раствора исчезает.

Качественные реакции на белки

Биуретовая реакция

Если к раствору, содержащему белок добавить 10%-й раствор гидроксида натрия, а затем небольшое количество 1 %-го раствора сульфата меди, то появится фиолетовое окрашивание.

раствор белка + NаОН(10%-ный р-р) + СuSO4   =   фиолетовое окрашивание

Ксантопротеиновая реакция

растворы белка при кипячении с концентрированной азотной кислотой окрашиваются в желтый цвет:

раствор белка + HNO3(конц.) => желтое окрашивание

Биологические функции белков

каталитическая ускоряют различные химические реакции в живых организмах ферменты
структурная строительный материал клеток коллаген, белки клеточных мембран
защитная
защищают организм от инфекций
иммуноглобулины, интерферон
регуляторная регулируют обменные процессы гормоны
транспортная перенос жизненно-необходимых веществ от одних частей организма к другим гемоглобин переносит кислород
энергетическая снабжают организм энергией 1 грамм белка может обеспечить организм энергией в количестве 17,6 Дж
моторная (двигательная) любые двигательные функции организма миозин (мышечный белок)

Белки (протеины, полипептиды)

Дано определение, состав, структура и функции белков организма человека. Приведена их классификация. Описаны синтез и катаболизм белков.

 

Белки (протеины, полипептиды)

Определение

Белки – высокомолекулярные азотсодержащие соединения, состоящие из аминокислот.

Молекулярная масса белков

Белки, являясь высокомолекулярными соединениями, характеризуются большими величинами молекулярной массы. Молекулярная масса измеряется в Дальтонах (1Да=1,66 10-24  г.) Например, белок инсулин обладает молекулярной массой 6000 Да, миоглобин — 17000 Да, миозин – 500000 Да.

Состав белков

Несмотря на то, что в составе белковой молекулы могут входить десятки, сотни и тысячи аминокислот, все белки синтезируются из 20 видов аминокислот. Эти аминокислоты имеют следующие названия: глицин, аланин, серин, цистеин, треонин, метионин, валин, лейцин, изолейцин, аспарагиновая кислота, аспарагин, глутаминовая кислота, глутамин, лизин, аргинин, фенилаланин, тирозин, триптофан, гистидин, пролин.

Структура белков

Различают четыре уровня структурной организации молекулы белка (рис.

1).

Рис.1. Структуры белков

Первичная структура. Аминокислоты соединяясь друг с другом пептидной связью образуют длинные неразветвленные цепи – полипептиды.

Вторичная структура. Эта структура белков характеризует их определенную пространственную организацию. Например, многие белки имеют форму спирали. Фиксируется вторичная структура дисульфидными и водородными связями.

Третичная структура.  Третичная структура отражает пространственную организацию вторичной структуры. Например, вторичная структура в виде спирали может укладываться в пространстве в виде глобулы, то есть иметь шаровидную или эллипсовидную форму. Примером белка, обладающего третичной структурой является миоглобин.

Четвертичная структура. Этой структурой обладают некоторые белки. Четвертичная структура – сложное образование, состоящее из нескольких белков, имеющих свою первичную, вторичную и третичную структуры. Примером белка, обладающего четвертичной структурой является гемоглобин.

Классификация белков

Существуют разные классификации белков. Приведу две классификации.

Согласно первой классификации белки делятся на простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот. Пример: альбумины и глобулины крови. В молекуле сложного белка, кроме аминокислот, имеется еще неаминокислотная часть. В зависимости от неаминокислотной части выделяют такие сложные белки как нуклеопротеиды (содержат нуклеиновую кислоту), липопротеиды (содержат липоид) и. т.д.

Согласно второй классификации белки делятся на группы на основе своей пространственной формы. Различают глобулярные и фибриллярные белки. Молекулы глобулярных белков имеют шаровидную или эллипсовидную форму. Примерами таких белков являются альбумины и глобулины крови. Молекулы фибриллярных белков вытянутые. Их длина значительно превышает их диаметр. Примером фибриллярного белка является белок коллаген.

Функции белков

Функции, которые выполняют белки в организме настолько важны, что белки еще называют протеинами (от греч. слова proteus – первый, главный). Различают следующие функции белков в организме человека.

  1. Структурная (строительная, пластическая). Белки являются универсальным строительным материалом, из которого строятся все структурные образования организма и прежде всего все клетки и внутриклеточные органеллы (например, миофибриллы мышечного волокна).
  2. Каталитическая. В организме человека имеются особые белки, являющиеся катализаторами химических реакций. Эти белки получили название ферменты или энзимы.
  3. Сократительная. Благодаря белкам, входящих в состав миофибрилл происходит сокращение мышц человека.
  4. Регуляторная. Белки могут взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями, поэтому белки являются важнейшими буферами организма, поддерживающими кислотность внутренней среды организма на необходимом уровне.
  5. Транспортная. Белковые молекулы достаточно большие и хорошо растворяются в воде. Поэтому они могут переносить различные нерастворимые в воде соединения. Белок гемоглобин участвует в переносе кислорода от легких к различным органам. Белки крови – альбумины переносят с током крови различные нерастворимые в воде вещества (жиры, жирные кислоты, гормоны).
  6. Защитная. Белки крови глобулины участвуют в свертывании крови и в обеспечении иммунитета.
  7. Энергетическая. Окисление белков сопровождается выделением энергии.

Перевариваривание белков в организме человека

В организм человека с пищей попадает в сутки около 100 г белков.

Расщепление белков начинается в полости желудка под воздействием желудочного сока, содержащего протеолитический фермент пепсин. Под воздействием пепсина в белках разрываются пептидные связи, образующие первичную структуру. В результате белковые молекулы превращаются в смесь полипептидов различной длины.

Дальнейшее переваривание белков протекает в тонкой кишке под воздействием ферментов: трипсина, химотрипсина и эсталазы, которые синтезируются в поджелудочной железе.

В результате полипептиды расщепляются до олигопептидов, состоящих из нескольких аминокислот.

Завершается переваривание белков в тонкой кишке под воздействием ферментов кишечного сока. Образовавшиеся в результате этого процесса аминокислоты всасываются в кровь и по воротной вене поступают в печень и далее попадают в большой круг кровообращения.

Синтез белков

Синтез белков протекает в четыре этапа.

Первый этап синтеза белков протекает в ядрах клеток и называется транскрипцией.

Второй этап синтеза белков протекает в цитоплазме клетки и называется рекогницией.

Третий этап синтеза белков протекает на рибосомах и называется трансляцией.

Четвертый этап синтеза белков протекает в эндоплазматической сети и комплексе Гольджи и называется процессингом.

Более подробно синтез белков в мышечных волокнах описан в отдельной статье.


Более подробно строение и функции мышц описаны в моих книгах


Катаболизм белков

В организме человека происходят одновременно два процесса: синтез белков и их распад (катаболизм). В тканях организма катаболизм белков происходит под воздействием внутриклеточных протеиназ, которые называются катепсинами. Эти ферменты локализованы в лизосомах.

Также катаболизм белков осуществляется особыми мультиферментными комплексами, которые называются протеосомы.

По данным С.С. Михайлова (2009) в сутки внутриклеточному протеолизу подвергается 200-300 г собственных белков организма. При этом при распаде как пищевых, так и собственных белков организма образуются одни и те же 20 видов аминокислот.

Литература

  1. Михайлов С.С. Спортивная биохимия. – М.: Советский спорт, 2009.– 348 с.

С уважением, А.В. Самсонова

Тест. Функции белков

© 2019, ООО КОМПЭДУ, http://compedu.ru При поддержке проекта http://videouroki.net

Будьте внимательны! У Вас есть 10 минут на прохождение теста. Система оценивания — 5 балльная. Разбалловка теста — 3,4,5 баллов, в зависимости от сложности вопроса. Порядок заданий и вариантов ответов в тесте случайный. С допущенными ошибками и верными ответами можно будет ознакомиться после прохождения теста. Удачи!

Список вопросов теста

Вопрос 1

Соотнесите функции с примерами белков:

Варианты ответов
  • регуляторная
  • защитная
  • транспортная
  • структурная
Вопрос 2

Соотнесите структуры и белки, входящие в их состав.

Варианты ответов
  • коллаген
  • кератин
  • эластин
  • фибриноген
Вопрос 3

Белки, подавляющие деятельность антигенов.

Вопрос 4

Растения этого семейства накапливают в семенах большое количество белка. Какой химический элемент использует зародыш семени из этого запаса?

Вопрос 5

Выберите из перечня белки, выполняющие двигательную функцию:

Варианты ответов
  • альбумины
  • актин
  • соматотропин
  • тубулин
Вопрос 6

Сколько энергии (в кДж) выделяется при расщеплении 1 грамма белка? (В ответе запишите только число)

Вопрос 7

Выберите функцию, которая в организме выполняется почти исключительно белками:

Варианты ответов
  • энергетическая
  • регуляторная
  • ферментативная
  • структурная
Вопрос 8

Белки отличаются большим разнообразием функций среди органических веществ, так как:

Варианты ответов
  • состоят из разных мономеров
  • молекулы белков могут иметь разные структуры
  • бывают простыми и сложными
  • все ответы верны
Вопрос 9

Ферментами называются:

Варианты ответов
  • белки-катализаторы
  • белки-регуляторы
  • субстраты
  • денатураты
Вопрос 10

Сигнальную функцию в организме выполняют белки:

Варианты ответов
  • токсины
  • белки ЦПМ
  • опсин
  • глюкагон

Моторные белки — обзор

1 Введение

Моторные белки управляют активным АТФ-зависимым движением органелл вдоль филаментов цитоскелета, процессом, который необходим для гомеостаза белков, секреции и многих других жизненно важных клеточных функций (Barlan, Rossow, & Гельфанд, 2013; Вале, 2003). Двигатели динеина и кинезина транспортируют мембранные органеллы, а также другие грузы на большие расстояния по микротрубочкам (MT). Множественные моторы в комплексе с ассоциированными с моторами регуляторными белками обычно составляют механизмы, которые транспортируют одну органеллу (Gross, Vershinin, & Shubeita, 2007; Mallik & Gross, 2004).Эмерджентное поведение этих мультимоторных комплексов плохо изучено и не может быть обязательно выведено из свойств одномоторных белков (Mallik, Rai, Barak, Rai, & Kunwar, 2013; Rai, Rai, Ramaiya, Jha, & Mallik, 2013). .

Ряд белков, таких как динактин, Lis1, дополнительные белки кинезина, миро-милтон, JIP и т. Д., Взаимодействуют с моторами MT, чтобы регулировать их движение (Verhey & Hammond, 2009; Vallee, McKenney, & Ori-McKenney, 2012). Этот регламент контролирует многие моторные свойства, такие как скорость АТФазы, сродство к грузу или нити, генерирование силы, геометрическое расположение моторов на грузе, а также другие свойства.Совокупность этой регуляции проявляется в движении органелл внутри клеток, которое легко наблюдать. Однако интерпретация этого движения часто затруднена, потому что: (1) микроархитектура плотной цитоскелетной сети неизвестна и, вероятно, модулирует движение непредсказуемым образом, (2) дополнительные белковые факторы помимо моторов и их партнеров по связыванию могут влиять на движение (например, , МТ-связывающие белки). Кроме того, вмешательство РНКи или доминантно-негативных конструкций в функции конкретных моторов / ассоциированных с мотором белков in vivo может привести к неизвестным плейотропным эффектам.

Для решения некоторых из этих проблем были приняты редукционистские подходы in vitro , в которых очищенные двигатели покрывают искусственными пластиковыми шариками, которые затем перемещаются как груз по одиночным филаментам цитоскелета, прикрепленным к покровному стеклу. Такие анализы выявили основные параметры одномоторной функции, такие как процессивность, скорость, сила, размер шага и корреляции силы и скорости (Mallik, Carter, Lex, King, & Gross, 2004; Rice, Purcell, & Spudich, 2003 ; Свобода, Шмидт, Шнапп и Блок, 1993). Однако искусственное прикрепление моторного груза в этих анализах предотвращает прямую экстраполяцию этих результатов на транспорт in vivo . Альтернативный подход заключается в использовании двигательной подвижности органелл в клеточных экстрактах, что позволяет исследовать эндогенные двигательные комплексы на нативных мембранах. Подвижность органелл воспроизводилась в клеточном экстракте нейрональных пузырьков (Brady, Lasek, & Allen, 1982; Vale, Schnapp, Reese, & Sheetz, 1985), эндосомах (Murray, Bananis, & Wolkoff, 2000), пигментных гранулах (Rogers, Tint, Fanapour, & Gelfand, 1997), органеллы пыльцевых трубок (Romagnoli, Cai, & Cresti, 2003), комплексы мРНП (Sladewski, Bookwalter, Hong, & Trybus, 2013), вирусные частицы (Lee, Murray, Wolkoff, & Wilson , 2006) и липидных капельках (LDs; Barak, Rai, Rai, & Mallik, 2013; Bartsch, Longoria, Florin, & Shubeita, 2013).Уменьшение сложности этих анализов (по сравнению с транспортом in vivo и ) дает возможность задавать вопросы, которые в противном случае были бы невозможны внутри клеток. Например, лекарства, антитела или пептиды, которые ингибируют определенный мотор, могут быть добавлены для идентификации мотора, участвующего в транспортной функции, и исследования последствий его ингибирования (Barak et al., 2013). После того, как мотор идентифицирован, эксперименты с использованием очищенных органелл и антител против моторов могут быть использованы для идентификации взаимодействующих с моторами регуляторных белков.Чтобы исследовать, как эти белки регулируют моторы, в анализ транспорта органелл можно добавить пептид, блокирующий функцию, который имитирует домен связывания мотора регулятора. Кроме того, чтобы исследовать связи между метаболизмом и двигательной активностью, органеллы могут быть изолированы от животных, подверженных определенным метаболическим условиям, а их подвижность исследована и сравнена (Barak et al., 2013). И последнее, но не менее важное: количественные измерения силы двигателей на органеллах с помощью оптического улавливания теперь возможны в клеточном экстракте (Barak et al. , 2013). Это позволяет контролировать биофизические свойства моторов при почти клеточной сложности на поверхности органелл.

Анализы клеточного экстракта

не заменяют изучение подвижности in vivo , а являются мощным помощником и способом повышения сложности внутриклеточного транспорта (Mallik et al., 2013). Однако есть проблемы. Цитозольные факторы, важные для транспорта, могут растворяться / инактивироваться в клеточном экстракте, а ионные концентрации также могут быть разными.Следовательно, необходимо предпринять усилия, чтобы проверить, что подвижность органеллы в клеточном экстракте аналогична ее подвижности in vivo (по крайней мере, в первом приближении). Здесь мы представляем методы восстановления подвижности фагосом латексных шариков (LBP) в экстрактах клеток Dictyostelium и LD, очищенных из печени крысы. Мы использовали эти анализы для решения таких вопросов, как механическое соревнование (перетягивание каната) между противостоящими двигателями (Soppina, Rai, & Mallik, 2009; Soppina, Rai, Ramaiya, Barak, & Mallik, 2009), переход от одинарного — молекулы коллективной двигательной функции (Rai et al. , 2013; Соппина, Рай и Маллик, 2009 г .; Soppina, Rai, Ramaiya, et al., 2009) и возможная роль моторов в поддержании гомеостаза липидов в печени (Barak et al., 2013).

Моторные белки микротрубочек

Моторные белки микротрубочек перемещаются по микротрубочкам, транспортируя клеточный груз внутри клетки. Различные классы моторных белков микротрубочек обеспечивают движение за счет взаимодействия с субъединицами тубулина.

Кредит: Катерина Кон / Shutterstock.com

Моторные белки микротрубочек могут быть либо моторами с положительным концом, либо с отрицательным концом, в зависимости от направления движения. Митоз требует перемещения белков по микротрубочкам для образования двух дочерних клеток с таким же количеством хромосом, что и у родительской клетки. Таким образом, моторные белки играют важную роль в транспорте белков по микротрубочкам митотического веретена во время митоза.

Моторные белки кинезина

Существует два основных класса моторных белков, связанных с движением по микротрубочкам: кинезины и динеины. Оба класса моторных белков микротрубочек проявляют АТФазную активность, при этом энергия, необходимая для перемещения белков по микротрубочке, происходит в результате гидролиза АТФ.

Кинезины выполняют широкий спектр функций, включая транспортировку структур, таких как хромосомы, и регулирование динамики микротрубочек. Движение кинезинов по микротрубочкам в основном происходит в направлении положительного конца, то есть клеточный груз транспортируется от центра клетки к периферии.

Структуры кинезина различаются, но все они содержат две глобулярные головки, образованные из тяжелых цепей, составляющих моторный домен, с отдельными сайтами связывания для АТФ и микротрубочки.Стебли двух тяжелых цепей кинезина продуцируют димер белка, который связывает две легкие цепи, к которым прикрепляется большая часть транспортируемого груза.

Кинезины перемещаются по микротрубочкам, гидролизуя одну молекулу АТФ на каждом этапе в одном направлении, создавая «ходячие» движения. Считается, что движение кинезина производится либо ручным механизмом, когда шарообразные головки чередуются шаг за шагом по микротрубочке, либо механизмом дюймового червя, в котором одна шаровидная головка ведет, а другая догоняет.Результаты недавних исследований указывают на наличие передаточного механизма.

Динеиновые моторные белки

В отличие от большинства кинезинов, динеины перемещаются по микротрубочкам к минус-концу. Цитоплазматический динеин имеет структуру, аналогичную основным кинезинам, с двумя глобулярными головками, участвующими в «ходьбе», и легкими цепями для прикрепления груза.

Роль цитоплазматического динеина включает транспортировку клеточного груза, необходимого для функционирования клетки и позиционирования определенных органелл внутри клетки.Более того, цитоплазматический динеин жизненно важен для митоза и позиционирования митотического веретена.

Реснички и жгутики — это выступы на клетках, ответственные за транспортировку материалов мимо клеток или за перемещение всей клетки. Аксонемальный динеин — это моторные белки, которые вызывают биение ресничек и жгутиков. Каждая молекула динеина создает мост между соседними микротрубочками в структуре аксонемы. Биение формируется боковым движением между микротрубочками аксонемы, приводимым в действие динеинами.

Кредит: Катерина Кон / Shutterstock.com

Моторные белки микротрубочек и митоз

Перестройка субъединиц микротрубочек является фундаментальной для формирования митотического веретена во время митоза. Цитоплазматический динеин используется для локализации полюсов веретена и во время контрольной точки веретена путем удаления белков контрольной точки из кинетохор.

Анафазная стадия митоза также управляется моторными белками. Движению хромосом способствует позиционирование микротрубочек астрального веретена через моторные белки динеина с минус окончанием, при этом кортикальное скольжение астральных микротрубочек вдоль стационарного динеина, возможно, происходит во время анафазы B.

Кинезины также играют роль в митозе, способствуя правильной длине веретена и помогая движению микротрубочек во время метафазы. Напр., Кинезин Eg5 участвует в толкании полюсов веретена в противоположных направлениях, связываясь с антипараллельными микротрубочками в середине митотического веретена. Другие кинезины движутся к минус-концам микротрубочек и используются во время анафазы вместе с динеинами.

Источники:

  • Marx, A. et al. 2005. Структура моторных белков микротрубочек, Advances in Protein Chemistry , 71, стр.299-344.
  • Ramaiya, A. et al. 2017. Кинезин вращается в одном направлении и генерирует крутящий момент при ходьбе по микротрубочкам, PNAS , 114, стр. 10894-10899.
  • Лодиш, Х .., Берк, А., Зипурский, С.Л. и другие. 2000. Молекулярная клеточная биология. 4-е издание. Нью-Йорк: У. Х. Фриман. Раздел 19.5, Динамика микротрубочек и моторные белки во время митоза.
  • Wordeman, L. 2010. Как кинезиновые моторные белки управляют функцией митотического веретена: уроки молекулярных анализов, Семинары по клеточной биологии и биологии развития , 21, стр. 260-268.
  • Fink, G. et al. 2006. Динеин-опосредованные тянущие силы приводят к быстрому удлинению митотического веретена у Ustilago maydis , The EMBO Journal , 25, pp. 4897-4908.

Дополнительная литература

Лекция 16: Транспорт, цитоскелет и двигатели

Цитоскелет

Сводка раздела

Цитоскелет представляет собой сеть различных белковых волокон, которая выполняет множество функций: поддерживает или изменяет форму клетки; закрепляет некоторые органеллы в определенных положениях; он обеспечивает движение цитоплазмы и пузырьков внутри клетки; и это позволяет клетке двигаться в ответ на раздражители.Внутри цитоскелета есть три типа волокон: микрофиламенты, промежуточные волокна и микротрубочки. Некоторые цитоскелетные волокна работают вместе с молекулярными моторами, которые перемещаются по волокнам внутри клетки, чтобы выполнять разнообразный набор функций. Существует два основных семейства ассоциированных с цитоскелетом молекулярных моторов : динеинов и кинезинов .

Рисунок 1 . Микрофиламенты утолщают кору вокруг внутреннего края клетки; как резинки, они сопротивляются натяжению.Микротрубочки находятся внутри клетки, где они поддерживают форму клетки, сопротивляясь сжимающим силам. Промежуточные нити встречаются по всей клетке и удерживают органеллы на месте.

Задача проектирования

Эукариотические клетки содержат связанные с мембраной органеллы, которые эффективно отделяют материалы, процессы и реакции друг от друга и от цитоплазмы. Это само по себе создает проблему для эукариот.

Как клетка может целенаправленно перемещаться и контролировать расположение материалов между этими органеллами? Более конкретно, как эукариотическая клетка может транспортировать соединения из места их происхождения (в большинстве случаев циотоплазмы) туда, где они необходимы (возможно, ядро, митохондрии или поверхность клетки)?

Примечание: возможное обсуждение

Укажите некоторые причины, по которым клетки — особенно крупные клетки и / или клетки с органеллами — не могут полагаться на простую диффузию для перемещения метаболитов, строительных блоков, белков и т. Д.в те места в камере, где они нужны.

Одно из возможных решений для ячейки — создать сеть, которая может соединить все различные части ячейки вместе. Эту сеть можно использовать не только как основу для удержания компонентов на месте, но и как ориентир для направления. Например, мы можем использовать карту, чтобы определить направление, в котором нам нужно двигаться, и дороги, по которым можно соединиться и добраться от дома до кампуса. Аналогичным образом, взаимосвязанная сеть внутри ячейки может использоваться для направления и перемещения соединений из одного места в конечный пункт назначения.Некоторые из необходимых характеристик этой сети перечислены ниже. Можете ли вы добавить в этот список?

Внутриклеточная сеть
  • Сеть должна быть разветвленной и соединять все области ячейки.
  • Сеть должна быть гибкой, способной изменяться и приспосабливаться по мере роста ячейки, разделения на две ячейки или физического перемещения из одной среды в другую.
  • Сеть должна быть прочной, способной выдерживать механическое давление изнутри или снаружи ячейки.
  • Сеть должна состоять из разных волокон, и каждое из этих волокон должно быть для определенного соединения в ячейке. Например, одни волокна могут участвовать в удерживании органелл на месте, а другие волокна могут участвовать в соединении двух разных органелл.
  • Волокна должны иметь направленность (или полярность), то есть у них должна быть определенная начальная точка и определенный конец, чтобы помогать направлять движение из одного места в другое.
  • Волокна должны работать с белками, которые могут преобразовывать химическую энергию в кинетическую энергию, чтобы активно транспортировать соединения по волокнам.

Микроволокна
Актин

Микрофиламенты представляют собой волокна цитоскелета, состоящие из субъединиц актина . Актин является одним из наиболее распространенных белков в эукариотических клетках и составляет 20% от общего клеточного белка по массе в мышечных клетках. Аминокислотная последовательность актина высоко консервативна в эукариотических клетках, а это означает, что аминокислотная последовательность белка и, следовательно, его окончательная трехмерная форма мало изменилась в ходе эволюции, поддерживая более 80% сходства между водорослями и людьми.

Актин может присутствовать либо в виде свободного мономера, называемого G-актином (глобулярный), либо как часть полимерного микрофиламента, называемого F-актином («F» для нитчатых). Актин должен быть связан с АТФ, чтобы собраться в нитевидную форму и поддерживать структурную целостность волокна. Сама актиновая нить имеет структурную полярность. Этот термин «полярность» по отношению к филаменту цитоскелета не означает того, что он имел в виду, когда мы обсуждали полярные функциональные группы ранее в этом курсе. Полярность здесь относится к тому факту, что у нити накала есть два разных конца.Эти концы называются концом «(-)» и концом «(+)». На «(+)» конце субъединицы актина добавляются к удлиняющейся нити, а на «(-)» конце субъединицы актина разбираются или отваливаются от нити. Этот процесс сборки и разборки контролируется соотношением АТФ к АДФ в цитоплазме.

Рисунок 2 . Микрофиламенты — самые узкие из трех волокон цитоскелета, их диаметр составляет около семи нм. Микрофиламенты состоят из субъединиц актина, которые образуют две переплетенные нити.

Актин участвует во многих клеточных процессах, включая сокращение мышц, подвижность клеток, цитокинез во время деления клеток, движение пузырьков и органелл, а также поддержание формы клеток. Актиновые филаменты служат в качестве трека для движения семейства моторных белков, называемых миозинами , , которые более подробно обсуждаются в разделе ниже.

Ссылка на обучение:

Чтобы увидеть пример действия лейкоцита, щелкните здесь и посмотрите короткое покадровое видео, на котором клетка захватывает две бактерии.Он охватывает одно, а затем переходит к другому.

Анимации о нитях актина и о том, как они работают

Промежуточные волокна

Промежуточные филаменты состоят из нескольких нитей волокнистых белков, намотанных вместе. Эти элементы цитоскелета получили свое название от того факта, что их диаметр, от восьми до десяти нм, находится между меньшими микрофиламентами и большими микротрубочками. Промежуточные филаменты — самая разнообразная группа цитоскелетных элементов.В промежуточных филаментах обнаружено несколько типов волокнистых белков. Вероятно, вы больше всего знакомы с кератином, волокнистым белком, укрепляющим волосы, ногти и эпидермис кожи.

Рисунок 3 . Промежуточные филаменты состоят из нескольких переплетенных нитей волокнистых белков.

Промежуточные филаменты не участвуют в движении клеток. Их функция чисто структурная. Они несут напряжение, таким образом сохраняя форму клетки, и закрепляют ядро ​​и другие органеллы на месте.На приведенном выше рисунке показано, как промежуточные волокна создают кабельные поддерживающие леса внутри ячейки.

Микротрубочки

Микротрубочки являются самым крупным компонентом цитоскелета и находятся по всей цитоплазме. Эти полимеры состоят из глобулярных белковых субъединиц, называемых α-тубулин и β-тубулин . Микротрубочки обнаружены не только в эукариотических клетках, но и у некоторых бактерий.

Как субъединицы α-тубулина, так и β-тубулина связываются с GTP.При связывании с GTP может начаться формирование микротрубочки, это называется событием нуклеации. По мере того как больше димеров GTP тубулина собирается на филамент, GTP медленно гидролизуется β-тубулином с образованием GDP. Тубулин, связанный с GDP, менее структурно устойчив и может приводить к разборке микротрубочек.

Подобно актиновым филаментам, рассмотренным выше, микротрубочки также обладают отчетливой полярностью, которая имеет решающее значение для их биологической функции. Тубулин полимеризуется встык, при этом β-субъединицы одного димера тубулина контактируют с α-субъединицами следующего димера.Эти различия приводят к экспонированию различных субъединиц на двух концах нити. Концы обозначены концами «(-)» и «(+)». В отличие от актиновых филаментов, микротрубочки могут удлиняться как на «(+)», так и на «(-)» концах, но удлинение происходит значительно быстрее на «(+)» концах.

Рисунок 4 . Микротрубочки полые. Их стенки состоят из 13 полимеризованных димеров α-тубулина и β-тубулина (изображение справа). На левом изображении показана молекулярная структура трубки.

Микротрубочки помогают клетке противостоять сжатию, обеспечивают путь, по которому везикулы перемещаются через клетку, притягивают реплицированные хромосомы к противоположным концам делящейся клетки и являются структурными элементами жгутиков, ресничек и центриолей (последние представляют собой два перпендикулярных тела. центросомы). Фактически, в клетках животных центросома является центром организации микротрубочек. В эукариотических клетках жгутики и реснички существенно отличаются по своей структуре от своих собратьев у бактерий, обсуждаемых ниже.

Анимации цитоскелета

Откуда взялись эти волокна?

Цитоскелет, вероятно, произошел от бактерий и / или архей. В бактериальных системах есть древние родственники актина и тубулина. Считается, что у бактерий белок MreB и белок ParM являются ранними предками актина. MreB выполняет функцию поддержания формы клетки, а ParM выполняет функцию разделения плазмиды (ДНК). Белок FtsZ в бактериях участвует в цитокинезе, он является GTPase, спонтанно образует филаменты и, как предполагается, является древней формой тубулина.Эти данные подтверждают гипотезу о том, что эукариотический цитоскелет берет свое начало в бактериальном мире.

Жгутики и реснички

Жгутики (единичный = жгутик) — длинные, похожие на волосы структуры, которые отходят от плазматической мембраны и используются для перемещения всей клетки (например, сперматозоидов, Euglena ). Когда присутствует, клетка имеет только один жгутик или несколько жгутиков. Реснички — короткие, похожие на волосы структуры, которые используются для перемещения целых клеток (например, парамеций) или веществ по внешней поверхности клетки (например, реснички клеток, выстилающих фаллопиевы трубы, которые перемещают яйцеклетку к матке. , или реснички, выстилающие клетки дыхательных путей, которые улавливают твердые частицы и перемещают их к вашим ноздрям.) Когда есть реснички, их может быть много, простирающихся по всей поверхности плазматической мембраны.

Несмотря на различия в длине и количестве, жгутики и реснички имеют общее структурное расположение микротрубочек, называемое «массивом 9 + 2». Это подходящее название, потому что одиночный жгутик или ресничка состоит из кольца из девяти дублетов микротрубочек, окружающих одиночный дублет микротрубочек в центре (Рис. 5).

Рисунок 5 . Эта электронная микрофотография двух жгутиков показывает «массив 9 + 2» микротрубочек: девять дублетов микротрубочек окружают одиночный дублет микротрубочек. (кредит: модификация работы Дартмутского центра электронного микроскопа, Дартмутский колледж; данные шкалы от Мэтта Рассела)

Видео о перемещении жгутиков и цилиар у эукариот , см. В видео на YouTube: щелкните здесь (можно пропустить рекламу).

Моторные белки

Одна из функций цитоскелета — перемещать клеточные компоненты из одной части клетки в другую.Эти клеточные компоненты называются «грузом» и часто хранятся в пузырьках для транспортировки. Вы можете думать о цитоскелете как о «железнодорожных путях», обеспечивающих поддержку и направление внутри клетки.

Конечно, если есть «железнодорожные пути», нужен двигатель, который может как двигаться по рельсам, так и тянуть или толкать груз. В этом случае двигатели представляют собой молекулярные двигатели, которые могут двигаться по рельсам в определенном направлении. Есть два семейства молекулярных моторов , связанных с цитоскелетом; динеинов и кинезинов .Эти моторные белки (двигатели поездов) и цитоскелет создают внутри клетки обширную сеть для перемещения пузырьков (коробчатых вагонов) от одной органеллы к другой или от одной органеллы к поверхности клетки.

Рисунок 6 . Органелла Транспорт через микротрубочки, кинезины и дины. Обратите внимание, что рисунок является концептуальным и предназначен только для демонстрации направленности движения различных органелл; он не обязательно точно отображает все их формы.

Цитоплазматические динеины

Динеин — это белковый комплекс, который функционирует как молекулярный мотор. В клетках он преобразует химическую энергию гидролиза АТФ в механическую энергию движения, чтобы «ходить» по микротрубочке, неся везикулу. Динеины связываются с микротрубочками и перемещаются или «проходят» от положительного (+) конца филамента микротрубочек цитоскелета к отрицательному «(-)» концу филамента, который обычно ориентирован к центру клетки.Таким образом, их часто называют «двигателями, направленными к минус-концу», и этот везикулярный транспорт обозначается как ретроградный транспорт . Цитоплазматический динеин процессивно движется по микротрубочке, гидролизуя АТФ с каждым «шагом», который он проходит по микротрубочке. Во время этого процесса тот или иной из его «стеблей» всегда прикреплен к микротрубочке, позволяя динеиновому мотору (и его грузу) «проходить» значительное расстояние по микротрубочке без отделения.

Рисунок 7 . Схема цитоплазматического моторного белка динеина. Динеины представляют собой белковые комплексы, состоящие из множества более мелких полипептидных субъединиц. Общая структура моторов dynien относительно проста и состоит из двух идентичных комплексов, каждый из которых имеет моторный домен, который взаимодействует с микротрубочкой, ножкой или областью ствола, которая соединяет моторную головку с доменом взаимодействия с грузом.

Цитопламические динеины используются во многих различных процессах: они участвуют в движении органелл, например, в расположении комплекса Гольджи и других органелл в клетке; они используются при транспортировке грузов, таких как движение пузырьков, образованных эндоплазматическим ретикулумом, эндосомами и лизосомами; и они несут ответственность за перемещение хромосом во время деления клетки. Аксонемные динеины представляют собой моторные белки, используемые для скольжения микротрубочек в аксонемах ресничек и жгутиков эукариотических клеток.

Кинезины

Кинезины, как и цитоплазматические динеины, представляют собой комплексы моторных белков, которые «ходят» по микротрубочкам и участвуют в транспорте везикул. В отличие от цитоплазматических динеинов, кинезин движется с полярностью от «(-)» конца микротрубочки к «(+)» концу при гидролизе АТФ. В большинстве ячеек это влечет за собой транспортировку груза от центра ячейки к периферии (направление, противоположное динеинам).Этот вид транспорта известен как антероградный или ортоградный транспорт . Подобно цитоплазматическим динеинам, кинезины участвуют во множестве клеточных процессов, включая движение пузырьков и движение хромосом во время деления клетки.

Структура кинезинов подобна цитоплазматическим динеинам и представлена ​​диаграммой на рисунке 8. Члены суперсемейства кинезинов различаются по форме, но общая структура — это структура гетеротетрамера, моторные субъединицы которого (тяжелые цепи) образуют димер белка (пару молекул) связывающий две легкие цепи.

Рисунок 8 . Схема моторных белков кинезина. Тяжелые цепи содержат глобулярную головку (моторный домен) на аминоконцевом конце, соединенную коротким гибким шейным линкером со стеблем , длинным центральным α -спиральным доменом спиральной спирали , который оканчивается карбоксиконцевым хвостовым доменом, который связан с легкими цепями. Стебли двух легких цепей переплетаются, образуя спиральную спираль, которая направляет димеризацию двух тяжелых цепей.В большинстве случаев транспортируемый груз связывается с легкими цепями кинезина, но в некоторых случаях груз связывается с С-концевыми доменами тяжелых цепей.

Анимации кинезина и динеина в действии

Как моторы взаимодействуют с грузом и микротрубочками?

Цитоплазматические динеины и кинезины одинаково взаимодействуют как с грузом, так и с микротрубочками. Легкие цепи взаимодействуют с рецепторами на различных грузовых везикулах и глобулярных моторных доменах, специфически взаимодействуют с микротрубочками.

Рисунок 9 . Схема моторного белка кинезина, несущего грузовую везикулу вдоль филамента микротрубочек.

Примечание: возможное обсуждение

Каковы преимущества наличия нескольких типов моторных белков? Множественные типы нитей? Нити с полярностью?

Motor 5d — Неферментативная функция белка

Моторные белки — это неферментативные белки, которые выполняют механическое движение в клетках или мышцах.

Моторные белки используют аденозинтрифосфат (АТФ) гидролиз для выработки энергии, позволяющей конформационное изменение их формы, вызывающее движение биомолекул, с которыми они связаны.

При сокращении мышц миозиновых нитей связываются с актиновыми нитями в мышцах, и когда миозин высвобождает молекулу фосфата, он меняет форму, перемещая вместе с ней актиновую нить. Затем миозиновая нить возвращается в исходное положение за счет гидролиза АТФ.

Два других примера моторных белков — это кинезин и динеин . Кинезины движутся вдоль филаментов микротрубочек в антероградном направлении () (от центра к периферии), чтобы транспортировать груз внутри клетки. Динеины движутся по филаментам микротрубочек в ретроградном направлении на , чтобы транспортировать различные клеточные грузы. Они также могут преобразовывать химическую энергию, хранящуюся в АТФ, для обеспечения движения при митозе, а также движения жгутиков и ресничек в одноклеточных организмах.


Практические вопросы


Академия Хана


Официальная подготовка MCAT (AAMC)

Карточки онлайн Биология Вопрос 12

Образец теста B / B Раздел Отрывок 1 Вопрос 4


Ключевые точки

• Миозин — неферментативный белок, участвующий в движении мышц

• Кинезин — это моторный белок, который движется по филаментам микротрубочек в антероградном направлении (от центра к периферии), чтобы транспортировать груз внутри клетки.

• Динеин — это моторный белок, который движется по филаментам микротрубочек в ретроградном направлении, чтобы транспортировать различные клеточные грузы.


Ключевые термины

Миозин : моторный белок, который образует миофиламенты, которые взаимодействуют с актиновыми филаментами для создания напряжения.

Актин : белок, который образует миофиламенты, которые взаимодействуют с миозиновыми филаментами для создания напряжения.

Кинезин : белок, принадлежащий к классу моторных белков, обнаруженных в эукариотических клетках

Гидролиз : реакция, в которой происходит разрушение молекулы из-за реакции с водой

Аденозинтрифосфат (АТФ) : молекула-переносчик энергии, обнаруженная в клетках всех живых существ

Динеин : семейство моторных белков цитоскелета, которые перемещаются по микротрубочкам в клетках

Антероградный: возникает или выполняется в нормальном или прямом направлении проводимости или потока (от центра к периферии)

Ретроградный : направление противоположное нормальному или обычному (от периферии к центру)

Механика моторных белков и цитоскелета (обзор)

Перспективы биологии и медицины 45. 2 (2002) 305-307 Многие типы биологического движения управляются «моторными белками», которые перемещаются по двум типам филаментов, актину и микротрубочкам, которые образуют «цитоскелет», который помогает поддерживать форму клетки. Наиболее понятным из двигателей является миозин, который образует толстые нити, которые взаимодействуют с актиновыми нитями, создавая мышечную силу и укорочение. Другие моторные белки включают динеины и кинезины, а также немышечные миозины. В дополнение к сокращению мышц и амебоидному движению эти двигатели выполняют такие разнообразные задачи, как биение ресничек и транспорт пузырьков внутри клеток.Чтобы еще больше усложнить историю, филаменты цитоскелета — это не просто пассивные следы; их полимеризация управляет рядом биологических механизмов, включая разделение хромосом во время митоза, внутриклеточное перемещение инфекционных агентов и выпячивание акросомных отростков некоторых сперматозоидов. Недавняя разработка сложных микрофизических методов для изучения движения и силы, развиваемой отдельными моторными белками и полимеризацией филаментов, вызвала большой интерес к этой области и растущее количество исследований. Короткая книга «Механизмы моторных белков и цитоскелета», написанная одним из мастеров в этой области науки, рассматривает эту работу в перспективе, и всем, кто хочет начать изучать эту новую и увлекательную область биологии, рекомендуется прочитать ее. книга первая. Он написан как текст, который будет использоваться в курсе биологии, и в каждой главе есть наборы задач, которые могут быть использованы заинтересованными читателями для улучшения своего понимания. Кроме того, первые 40 процентов книги описывают некоторые физические принципы, используемые для определения двигательных движений.Общие идеи будут знакомы каждому, кто знаком с элементарной физикой и химией, но применение этих принципов к отдельным молекулам требует иной парадигмы. Важным примером этого различия является расчет всех величин в размерах, применимых к отдельным молекулам. Основным препятствием для объединения химии и физики в изучении биологической механики была сложность переключения между химическими величинами, выраженными в молях, и физическими величинами, выраженными в размерах, применимых к более крупным структурам. Специалисты в новой области устранили эту трудность с помощью простого способа выражения всех величин в единицах одной молекулы. Другие примеры микрофизических принципов, важных для этого мышления, включают тепловое возбуждение как механизм, приводящий в действие стохастические молекулярные реакции и чрезмерное демпфирование большинства молекулярных движений. Следует также подчеркнуть, что необязательно владеть физическими принципами, изложенными в первой части книги, чтобы получить хорошее представление о следующих белках.Описания двигателей и нитей достаточно наглядны, чтобы их можно было прочитать сами по себе, а первую часть книги можно рассматривать как «дополнительный» материал, с которым автор хотел познакомить свои классы. Несомненно, на своих занятиях он более подробно описывает физические упражнения, чем описано в книге. Информация о моторных белках и филаментах не исчерпывающая, а скорее примерные экспериментальные открытия и выводы. Однако эти примеры достаточно разнообразны, так что читатель получит твердый обзор всей области из кратких глав. Тем не менее, есть две области, в которых заинтересованный студент захочет читать дальше. Те, кто склонен к механике, несомненно, захотят узнать больше о методах, используемых для измерения молекулярной силы и движения. Эти методы по крайней мере так же увлекательны, как и сами молекулы, а описания в книге настолько заманчивы, что любопытные автоматически начнут спрашивать, как производятся измерения. К сожалению, пока нет книги, посвященной этой области, и читателю придется обратиться к научной литературе за описанием разнообразных и творческих способов проведения этих экспериментов с отдельными молекулами.Другая область, которая может привлечь заинтересованного читателя, — это история изучения сокращения мышц. Во многих …

Компромисс между скоростью и отсоединением и его влияние на транспорт одного моторного белка на треке

Abstract

Транспортировка грузов в биологических клетках в первую очередь осуществляется моторными белками на нитчатых белковых дорожках. Стохастический характер движения моторного белка часто приводит к его самопроизвольному отрыву от следа. Используя доступные экспериментальные данные, мы демонстрируем компромисс между скоростью двигателя и скоростью его самопроизвольного отрыва от дорожки.Кроме того, также показано, что это отношение скорости-отсоединения следует степенному закону, где его показатель степени определяет природу процессивности моторного белка. Мы используем эту информацию для изучения движения моторного белка по треку с помощью модели случайного блуждания. Мы получаем среднее расстояние, пройденное за фиксированную продолжительность, и среднее время, необходимое для преодоления данного расстояния моторным белком. Эти анализы показывают немонотонную зависимость скорости моторного белка от его транспорта, и, следовательно, можно определить оптимальные скорости мотора для условий, контролируемых временем и расстоянием.

1 Введение

Моторные белки используются для направленной внутриклеточной транспортировки. Эти белки перемещаются по нитевидным дорожкам, образованным белками актина и тубулина, за счет энергии, высвобождаемой при гидролизе АТФ [1, 2]. Яркими примерами этих моторных белков являются кинезин, динеин и миозин, которые перемещаются по микротрубочкам и актиновым филаментам. Моторы кинезина и динеина движутся в противоположных направлениях по микротрубочкам, тогда как миозины движутся к положительному концу F-актина [1–3].Динамика транспорта моторных белков по трекам была тщательно изучена, и аспект спонтанного отрыва моторного белка, то есть без приложения какой-либо внешней силы, от треков также изучается [4–6] (и ссылки в нем). Транспортировка моторного белка, связанного с треком, и его отделение от него были экспериментально исследованы путем отслеживания отдельных моторов в физиологических [7–14] и нефизиологических условиях [15, 16], а также их созданных аналогов [17–19]. ].Сходным образом подходы к моделированию также изучали влияние спонтанной моторной отслойки [20–23] и связывания [24] с треком на его общие транспортные свойства. Во всех этих работах расстояние, пройденное моторными белками до их отделения от трека, определялось как «процессивность» и влияние различных внутренних моторных свойств (аминокислотная последовательность [17, 18], моторные головы [8, 19] ]) и внешних факторов (температура [15, 16], структура пути [14]) на процессивность была количественно изучена путем измерения скорости двигателя и генерирования силы.

Несмотря на доступность обширных количественных измерений, скорость спонтанного отрыва моторного белка от трека не была точно измерена в различных условиях, когда известно, что скорость и сила мотора находятся под влиянием. В результате в различных модельных исследованиях считается, что скорость спонтанной отслойки не зависит от скорости мотора [21, 22]. Далее мы демонстрируем, что скорость спонтанного моторного отрыва от следа и его скорость коррелируют для кинезина и динеина.Кроме того, с помощью одномерной модели случайного блуждания также было продемонстрировано влияние спонтанного моторного отрыва от следа. Влияние скорости двигателя и скорости отрыва изучается в двух условиях: установка с временным управлением и установка с дистанционным управлением. В этих двух условиях мы получаем расстояние, пройденное моторным белком за заданную продолжительность, и время, необходимое моторному белку для преодоления заранее заданного расстояния, соответственно.

2 Материалы и методы

2.1 Экспериментальные наблюдения: скорость мотора и вероятность отрыва

Процессивность на основе расстояния, как определено ранее, не дает никакого представления о вероятности отрыва, p e , в любой момент времени. Чтобы получить экспериментальные оценки p e , мы изучили литературу, в которой измеряли продолжительность моторного прикрепления к белковым дорожкам вместе с его скоростью. В исследовании, проведенном Nara et al.[15] кинезин инкубировали с микротрубочками при разных температурах, тогда как в работах Cleary et al. [17] и Yildiz et al. , [18], скорость и продолжительность прикрепления для динеина (с различными мутациями) и кинезина (с переменной длиной шейного линкера) были измерены соответственно (см. Таблицы S1, S2 и S3 для подробных экспериментальных данных). данные). При нанесении на график в логарифмическом масштабе средняя продолжительность прикрепления двигателя к рельсу T avg и его скорость показывают монотонную зависимость, которую можно аппроксимировать соотношением степенного закона, T avg ∼ v −α с α > 0 (рис.1а). Эта корреляция между скоростью мотора и скоростью отслойки не освещалась в соответствующих исследованиях [15, 17, 18]. Кроме того, компиляция T avg и скоростей различных двигателей в различных экспериментальных условиях также продемонстрировала аналогичную связь с α = 1,1 (рис. 1b, экспериментальные данные см. В таблице S4). Положительные значения α указывают на компромисс между скоростью двигателя и продолжительностью его прикрепления к гусенице, поскольку увеличение скорости приводит к более быстрому отсоединению. В дальнейшем мы использовали это соотношение скорость-продолжительность прикрепления для изучения транспорта моторных белков.

Рис. 1.

(a) Связь между экспериментально измеренной скоростью двигателя, v , и средней продолжительностью его прикрепления к рельсу, T avg для двигателей Kinesin [15, 18] и Dynein [17]. . (б) Скорость и средняя продолжительность прикрепления различных моторных белков к их соответствующим дорожкам согласно экспериментальным данным, доступным в литературе.Линии на (a) и (b) показывают аппроксимацию степенного закона T avg ∼ v −α .

2.2 Математическая модель

2.2.1 Дрейф-диффузия с отрывом

Отрыв моторного белка от трека не позволяет ему достичь своего целевого пункта назначения, конца трека филамента за конечное время. Следовательно, оценка расстояния, пройденного моторным белком за заданную продолжительность (установка с контролем времени), и время, необходимое для преодоления заранее определенного расстояния (установка с дистанционным управлением), являются ключевыми аспектами для полного понимания клеточного транспорта, управляемого двигателем.

В общем, движение моторных белков по треку состоит из прямых (а в некоторых случаях и назад) шагов разного размера, где каждый шаг управляется гидролизом АТФ [1]. Кроме того, моторный белок также может спонтанно отсоединяться от дорожки в любом цикле с вероятностью отсоединения p e . Рассматривая движение моторных белков по дорожкам как одномерное случайное блуждание, их положение на дорожке в любой момент времени может быть охарактеризовано плотностью вероятности P ( x, t ), которая следует из Фоккера-Планка. уравнение [25] (1) где v и D — скорость двигателя и его постоянная диффузии на пути, соответственно, тогда как r e скорость отрыва двигателя от пути и связана с вероятностью отрыва p e как [26] (2) где τ — время, необходимое для гидролиза одиночного АТФ.Следует отметить, что для малых значений p e , r e = p e / τ . Чтобы понять свойства случайных процессов, часто используется распределение времени первого прохождения [25]. В контексте движения моторного белка распределение времени первого прохождения, f ( L, t ), определяется как распределение времени для моторного белка, пересекающего целевое расстояние L .Другими словами, вероятность того, что моторный белок преодолеет расстояние L между временем t и t + dt , равна f ( L, t ) dt . Используя подход, описанный в [25], мы можем получить распределение времени первого прохождения, соответствующее уравнению 1, как (3) В сценарии, когда двигатель не отрывается от следа ( r e = 0), приведенное выше выражение сводится к распределению времени первого прохождения для броуновской частицы с дрейфом.В дальнейшем мы будем использовать распределение времени первого прохождения в настройках с контролем времени и расстояния.

2.
2.3 Настройка с управляемым расстоянием: автомобильный транспорт на фиксированное расстояние

Подобно настройке с управлением по времени, автотранспорт также может быть проанализирован в настройке с управляемым расстоянием, где рассчитывается скорость движения двигателя на фиксированное расстояние. В этом сценарии из-за его отделения от дорожки двигательный белок не является необходимым для достижения заранее заданного расстояния.Следовательно, сначала нам нужно рассчитать вероятность того, что моторный белок сможет достичь заданного расстояния. Эта вероятность определяется выражением (7) В случае, если он может преодолеть расстояние ( P r ( L )> 0), среднее время, необходимое для его достижения, можно записать как (8) Следует отметить, что для r e = 0 указанный выше интеграл расходится, но r e > 0 приводит к конечному T m .Кроме того, в этой установке с дистанционным управлением соотношение φ ( L ) = P r / T м может быть определено как скорость автомобильного транспорта на фиксированное расстояние. Физическую интерпретацию φ ( L ) можно понять как долю моторных белков, достигающих заданного расстояния в единицу времени. Например, низкая скорость переноса ( P r / T m → 0) означает, что если моторный белок начинается в некотором месте трека, он не достигает заданного расстояния.Этот сбой может быть либо из-за отсоединения моторного белка от дорожки, либо из-за его чрезвычайно медленного движения по дорожке. С другой стороны, P r / T m принимает высокие значения, только если P r высокое, а T m низкое.

Подобно установке с контролем времени, мы можем оценить вероятность и среднее время, необходимое для достижения целевого расстояния в предельных случаях.Для баллистического движения получаем (9) (10) Для диффузного движения (11) (12) Ожидается, что для баллистического движения среднее время T m не зависит от вероятности отрыва. С другой стороны, для диффузионного переноса ( v = 0) получаем.

2.2.4 Включение экспериментальных наблюдений

Как наблюдалось в экспериментах (рис. 1), скорость двигателя и скорость отрыва двигателя от пути не являются независимыми. Для степенных соотношений вероятностей отслоения ( p e , рис.1A-B) имеем (13) где v 0 и — опорная скорость двигателя и скорость отсоединения соответственно. Мы подставляем выражение для r e из приведенного выше соотношения, чтобы получить среднее расстояние, пройденное за конечное время, и скорость переноса на конечное расстояние как функцию показателя степени α .

3 Результаты и обсуждение

3.1 Значения параметров

В этой статье мы взяли транспорт кинезинового мотора по микротрубочкам в качестве примера, чтобы понять эффекты зависящей от скорости скорости отсоединения.Значения параметров модели для кинезинового двигателя показаны в таблице 1. Аналогичный анализ может быть проведен также для динеина и миозиновых моторных белков.

Таблица 1.

Значения параметров модели кинезинового мотора, использованные в данном исследовании

3.2 Влияние моторного отсоединения от трека

Отрыв моторного белка от трека ограничивает расстояние, которое он может преодолеть за конечное время и скорость его транспортировки на определенное расстояние. Чтобы изучить влияние изменения скорости на вероятность отсоединения, мы сначала вычислили процессивность моторного белка, когда его вязкость не меняется с p e .Рассчитанная таким образом процессивность кинезинового двигателя на треке микротрубочек для фиксированной скорости и диффузии показана на рис. 2а. Если скорость двигателя остается фиксированной, для малых значений p e его процессивность уменьшается как 1/ p e и для транспортов с преобладанием скорости и диффузии соответственно. Это уменьшение процессивности, однако, противоречит экспериментальным наблюдениям, где оно показывает увеличение с p e [15, 18].Это показывает, что предположение о фиксированной скорости отрыва [21, 22] независимо от скорости двигателя может быть неверным.

Рис. 2.

Влияние отрыва кинезина от микротрубочек на его транспорт для фиксированной скорости и диффузии. (а) Зависимость процессивности кинезина L с при диффузионном переносе ( v = 0 и D = 2500 нм 2 / с , пунктирная линия), баллистический перенос ( v = 640 нм / с и D = 0, штрихпунктирная линия) и смешанный транспорт ( v = 640 нм / с , D = 2500 нм 2 / с , сплошная линия) о вероятности отсоединения p e .На вставке — увеличенный вариант того же графика для больших p e . (b) Вероятность, P r , преодоления кинезином расстояния 100 нм на треке микротрубочек перед отрывом в диффузионном (пунктирный), баллистическом (штрих-пунктирный) и смешанном (сплошном) режимах транспорт. (c) Скорость транспорта кинезина по микротрубочкам на расстояние 100 нм для вышеупомянутых трех видов транспорта.

В установке с дистанционным управлением для фиксированных скорости и диффузии вероятность достижения моторным белком целевого расстояния уменьшается с p e (рис.2b) как для диффузионного, так и для дрейфового видов транспорта. Скорость переноса на заданное расстояние φ ( L ), однако, показывает различное поведение в движениях с преобладанием диффузии и дрейфа (рис. 2c). Для транспорта моторных белков, основанного исключительно на дрейфе, скорость транспорта снижается на p e . Но в транспорте, управляемом диффузией, скорость переноса следует немонотонной зависимости с p e . Это связано с тем, что для больших p e вероятность достижения целевого расстояния незначительна, тогда как для очень малых p e время, необходимое для полной транспортировки, очень велико (см. Соотношения 11 и 12). Несогласие между экспериментальными наблюдениями повышенной процессивности со скоростью отрыва и предсказаниями модели с постоянной скоростью мотора предполагает, что зависимость скорости мотора от скорости отрыва оказывает значительное влияние на его транспортные свойства.Далее мы изучим влияние соотношений скорости двигателя и скорости отрыва на его транспортировку в условиях, контролируемых временем и расстоянием.

3.3 Влияние скорости отрыва, зависящего от скорости

3.3.1 Автотранспорт в фиксированное время

Экспериментальные данные показали (рис. 1), что скорость двигателя и скорость его отрыва могут быть охарактеризованы как степенной закон с показателем α . При такой степенной зависимости расстояние, которое моторный белок преодолевает за конечное время (рис. 3а) показывает немонотонную зависимость от p e , которая отличается от монотонно убывающей зависимости, когда скорость двигателя не изменяется (рис. 2а). Для очень малых значений p e скорость мотора стремится к нулю, а расстояние, пройденное за конечное время, принимает постоянное значение, которое определяется диффузией только моторного белка. С другой стороны, для сценария с преобладанием дрейфа ( D = 0) расстояние, пройденное за конечное время, увеличивается, как и для малых значений p e .Для больших p e моторный белок очень быстро отделяется от дорожки и не проходит никаких расстояний. На рис. 3b показано расстояние, которое кинезин преодолевает на микротрубочке за конечное время для различных α . Помимо максимального значения, достигаемого L м , характер зависимости L м от вероятности отрыва не изменяется с показателем степени α . При T → ∞ расстояние, пройденное двигателем на пути, сходится к его процессивности, L s , и это показано на рис. 3c. В отличие от расстояния, пройденного за конечное время, качественный характер процессивности существенно зависит от α . Видно, что для моторных белков с α <1, таких как кинезин, процессивность увеличивается с вероятностью отсоединения, тогда как для моторных белков, таких как динеин, для которых α > 1, она уменьшается.Эта зависимость процессивности от α очевидна из замены соотношения 13 на 5 для переноса с преобладанием дрейфа, что дает для малых p e (14) Это можно понять, сравнив относительные изменения скорости и вероятности отрыва. Для α <1 увеличение вероятности отслоения приводит к гораздо большему увеличению скорости мотора и, следовательно, увеличению процессивности и наоборот. Следовательно, показатель степени α описывает природу процессивности моторных белков.

Рис. 3.

Расстояние, пройденное кинезином по микротрубочке за 100 мкс со скоростью, зависящей от скорости отсоединения. (а) Расстояние, пройденное при диффузионном (штриховая линия), баллистическом (штрихпунктирная) и смешанном (сплошная линия) видах транспорта при α = 1. (б) Расстояние, пройденное кинезином для α = 0,8, 1,2, 1,6 , 2.0. (в) Зависимость процессивности моторного белка от p e для различных α .

3.3.3 Оптимальная скорость двигателя

Как показано на Рис.3b и фиг. 4d, транспорт моторных белков на треке имеет немонотонную зависимость от скорости мотора (или скорости отсоединения). Следовательно, более высокая скорость двигателя на пути не обязательно означает его более быструю транспортировку, и можно получить скорость двигателя, соответствующую самой дальней транспортировке за фиксированное время и самой быстрой транспортировке на заранее заданное расстояние.

Для кинезина его скорость в физиологических условиях v = 640 нм / с оказывается оптимальной для его самого дальнего транспорта во времени T ∼ 10 с . Для клеточных функций эта продолжительность слишком велика. С другой стороны, такая же физиологическая скорость кинезина является оптимальной для наиболее быстрого транспорта на расстояние L > 5 мкм . Это расстояние примерно того же порядка величины, что и размер отдельной ячейки. Это демонстрирует, что кинезиновый двигатель с большей вероятностью будет двигаться со скоростью, чтобы максимизировать скорость транспортировки на заданное расстояние, а не увеличивать расстояние в заданное время. Это наблюдение разумно, поскольку в физиологических условиях транспортировка клеточного груза осуществляется на фиксированные расстояния, поскольку размер клеток остается более или менее неизменным.

Следует отметить, что в физиологических условиях моторный белок не перемещается постоянно по одной дорожке. Например, в случае транспорта кинезина по трекам микротрубочек он продолжает прыгать между различными филаментами микротрубочек [28], а также претерпевает диффузионное движение в цитозоле. Кроме того, потребление АТФ — еще один фактор, регулирующий автомобильный транспорт в биологических системах. С точки зрения экономии, оптимальная скорость двигателя также может быть определена при минимальном потреблении АТФ.Таким образом, оценка оптимальной скорости моторного белка должна учитывать эти факторы, что не входит в объем настоящего исследования.

3.4 Биологические последствия и будущие направления

В этой статье, используя существующие экспериментальные данные, мы продемонстрировали новую монотонную взаимосвязь между скоростью моторного белка и продолжительностью его прикрепления к дорожке в качестве компромисса между ними. Хотя понимание точной природы этой взаимосвязи потребует детальных экспериментов и моделирования, физическое понимание ее монотонной природы для двуногих двигателей может быть получено с помощью следующих аргументов.Кинезин и другие двуногие двигатели движутся по дорожкам за счет последовательного присоединения и отсоединения двух головок [3]. Скорость и вероятность отсоединения зависят от продолжительности прикрепления каждой моторной головки в каждом цикле. При высокой (низкой) скорости двигателя обе его головки претерпевают быстрые (медленные) переходы от прикрепления к отрыву, что также приводит к высокой (низкой) вероятности отсоединения. Для представленного здесь диапазона скоростей двигателя аппроксимация мощности позволяет легко предсказать, что увеличение скоростей кинезиновых ( α <1) и динеиновых ( α > 1) двигателей приведет к увеличению и уменьшению процессивность соответственно.Что касается кинезина, это уже наблюдалось экспериментально при изменении скорости двигателя путем изменения температуры [16]. Однако то же самое для динеина еще предстоит экспериментально проверить.

Далее, наблюдение компромисса основано на различных экспериментальных исследованиях, выполненных в различных экспериментальных условиях. Следовательно, необходимо систематическое экспериментальное исследование для проверки условий, при которых выполняется компромисс между скоростью и отрывом. Для достижения этой цели можно использовать предсказания модели, представленные в этой статье.

Следует отметить, что хотя показатель степени α является характеристикой моторного белка, он также зависит от его микроокружения. Это видно из экспериментальных данных, представленных на рис. 1a, где средняя продолжительность прикрепления кинезинового мотора к треку микротрубочек получена двумя группами ([17] и [15]) значительно, если не на порядок величины. Точно так же на рис. 1B мы также наблюдаем несколько значений продолжительности прикрепления и скорости моторов кинезина.Причина этого несоответствия заключается в различных экспериментальных условиях, используемых в каждой установке, и, следовательно, этот аспект необходимо учитывать при классификации моторных белков на основе α . Подобные компромиссы между скоростью и точностью также наблюдались в контексте репликации ДНК [29], безопасности дорожного движения [30], человеческих движений [31, 32], принятия решений [33, 34] и перцептивного обучения [35]. Хотя лежащие в основе механизмы компромисса между скоростью и точностью могут быть разными в разных системах, его влияние на общую динамику системы все равно сохраняется.

Более того, известно, что моторные белки часто совершают коллективные движения на дорожках. Следовательно, было бы интересно увидеть эффект компромисса между скоростью отрыва на коллективное движение моторных белков. Кроме того, модель также может быть расширена для изучения влияния компромисса между скоростью и отрывом на автотранспорт в более реалистичном сценарии, когда моторный белок также может присоединиться к рельсу.

4 Заключение

Эта работа использует имеющиеся экспериментальные наблюдения, чтобы предложить новую связь между скоростью моторных белков и скоростью их отрыва от следа.Этот компромисс в дальнейшем используется для изучения характеристик автомобильного транспорта вдоль пути в фиксированное время и на фиксированное расстояние. Показано, что более высокая скорость двигателя не обязательно означает более быстрый или дальний транспорт. Таким образом, можно оценить оптимальную скорость транспорта моторных белков по филаментам цитоскелета.

Благодарности

Я хотел бы поблагодарить доктора Сована Даса за его поддержку и Сунита К. Гупту, Адити Нага, Ману Ваджпаи и Мишту Мукхерджи за их ценные комментарии.

Ссылки

  1. 1.↵

    Х. Лодиш, А. Берк, С. Л. Зипурски, П. Мацудаира, Д. Балтимор и Дж. Дарнелл. Молекулярная клеточная биология. W. H. Freeman, New York, 2000.

  2. 2.

    Дж. М. Берг, Дж. Л. Тимочко и Страйер Л. Биохимия. WH Freeman, New York, 5th edition, 2002.

  3. 3.↵
  4. 4.↵
  5. 5.
  6. 6.↵
  7. 7.↵
  8. 8.↵
  9. 9.
  10. 10.
  11. 11.
  12. 12.
  13. 13.
  14. 14.↵
  15. 15.↵
  16. 16.↵
  17. 17.↵
  18. 18.↵
  19. 19.↵
  20. 20.↵
  21. 21.↵
  22. 22.↵
  23. 23.↵
  24. 24.↵
  25. 25.↵

    М. Динг и Г. Рангараджан. Проблема времени первого прохождения: подход Фоккера-Планка. В Л. Вилле, редакторе, Новые направления в статистической физике, стр. 31–46. Springer Berlin Heidelberg, 2004.

  26. 26.↵

    R.М. Фельдман и К. Вальдес-Флорес. Прикладная вероятность и случайные процессы. Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2010.

  27. 27.
  28. 28.↵
  29. 29.↵
  30. 30.↵

    G. Nilsson. Параметры безопасности движения и модель мощности для описания влияния скорости на безопасность. Докторская диссертация, Технологический институт Лунда, 2004.

  31. 31. 31
  32. 32.↵
  33. 33.↵
  34. 34. 34
  35. 35.↵

Заболевания — Механика моторных белков

Существует множество нарушений, связанных с нарушением функции моторного белка, в основном из-за мутаций в гене, кодирующем моторный белок.Ниже приведены лишь несколько примеров заболеваний и их связь с нарушением работы моторных белков.

Нейродегенеративное

Моторные белки потенциально могут быть очень важными при нейродегенеративных заболеваниях, поскольку транспорт аксонов жизненно важен для функции нейронов. На нейроны сильно влияет малейшая мутация в моторном белке, поскольку транспорт аксонов может быть сильно нарушен, а поскольку нейроны не регенерируются и не восстанавливаются, часто заболевания могут прогрессировать и оказывать огромное влияние на больного.

CMT (тип 2A)

Болезнь Шарко-Мари-Тута, или ШМТ, включает дегенерацию миелиновой оболочки моторных нейронов. Заболевание в основном вызвано мутацией в гене митофузина-2 (MFN2) — этот ген кодирует белок (но не моторный белок), важный для регуляции морфологии и слияния митохондрий. Моторный белок кинезина, KIFB1, был связан со специфическим локусом в гене MFN2, который кодирует KIFB1. CMT2A включает различные формы (или изоформы) митохондриального моторного KIFB1.KIFB1 участвует в транспорте предшественников синаптических везикул, и мутация в моторном домене белка вызывает изменение сайта связывания АТФ белка. Затем белок снизил активность АТФазы и уменьшил подвижность, что привело к симптомам CMT2A — прогрессирующей мышечной слабости и дисфункции двигательных нейронов. Заболевание передается по аутосомно-доминантному типу (в отношении гена MFN2), и обычно назначается терапия для облегчения движения и снятия боли.

На изображении ниже показаны нейроны мышей, у которых ген KIFB является нормальным (+ / +), и нейроны мышей, у которых ген KIFB был мутирован, что привело к фенотипу KIFB1 (- / -) через один день (1d), три дня (3д) и пять дней (5д).Можно увидеть смерть — / — фенотипа с задержкой дифференцировки. Стрелки указывают мертвые клетки.


Болезнь Альцгеймера

Другой моторный белок KIF участвует в болезни Альцгеймера; KIF5. Было показано, что участок белка KIF5 прочно связывается с цитоплазматическим доменом трансмембранного белка, известного как белок-предшественник амилоида или АРР. На изображении ниже показана эта структура APP.


Также было показано, что

KIF5 участвует в транспорте APP по аксонам. Это было доказано в экспериментах на мышах с нокаутом гена KIF5. Мыши KIF5- показали резко сниженный транспорт APP по аксонам. После транспортировки АРР расщепляется на внеклеточные и внутриклеточные фрагменты. Было выявлено, что внеклеточный фрагмент белка АРР играет роль в инициации или прогрессировании болезни Альцгеймера. Также считается, что везикулы, транспортируемые KIF5, содержат β-секретазу и пресенилин-1, которые генерируют патогенный пептид, известный как пептид Aβ (бета-амилоид), который агрегирует и способствует развитию болезни Альцгеймера.Таким образом, KIF5 играет роль в болезни Альцгеймера, транспортируя везикулы по аксонам, которые содержат АРР и другие белки, позволяя АРР расщепляться и образовывать агрегаты патогенных пептидов, потенциально инициируя или прогрессируя болезнь Альцгеймера.

На изображениях ниже показано расщепление АРР на белок амилоид-бета и то, как белок бета-амилоид образует агрегаты, нарушая нормальную функцию нейронов.



Другие нейродегенеративные мутации

Мутации в динактиновой субъединице динеина могут снизить его сродство к микротрубочкам, трекам, на которые действуют моторные белки. Это вызывает аутосомно-доминантную невропатию у пораженных людей, что приводит к возникновению затрудненного дыхания в раннем взрослом возрасте (из-за паралича голосовых складок), прогрессирующей слабости лица и атрофии мышц рук. Состояние вызвано точечной мутацией в субобласти p150 динактина, в результате которой остаток серина заменяется глицином. Это снижает общую эффективность способности субъединицы связывать β-тубулин, снижая общую эффективность динеина.

Другое

Синдром поликистозной почек и синдром Картагенера

На изображении ниже показаны поликистозные почки в сравнении с нормальными почками.


Синдром поликистоза почек — это генетическое заболевание, связанное с накоплением кист, заполненных жидкостью, вокруг почек, печени и других органов. Недавние эксперименты показывают, что аномальные реснички играют роль в образовании кисты. Антероградный транспорт белков, участвующих в синтезе первичных ресничек, опосредуется KIF3. Мутации в гене KIF3 приводят к нарушению этого транспортного пути, что, в свою очередь, приводит к мутированному цилиогенезу.

Синдром Картагенера возникает в результате того же нарушения функционирования пути KIF3 и проявляется дефектами ресничек бронхов, узловых ресничек (ресничек в области, известной как узел, у эмбрионов) и жгутиков сперматозоидов. Drosophila , нокауты KIF3 показали снижение транспорта холинацетилтрансферазы (соединяет ацетил-коА с холином с образованием нейротрансмиттера ацетилхолина) из тела клетки в синапс.

Синдром Ашера типа 1B

Миозиновый мотор VIIA можно обнаружить в клетках сетчатки и внутреннего уха.Миозин VIIA представляет собой другой миозин, поскольку он обладает активностью Mg 2 + АТФазы и способностью перемещаться по актиновым филаментам. Во внутреннем ухе белок играет роль в развитии и поддержании ресничек, он также необходим для механотрансдукции. Внутри сетчатки миозин VIIA необходим для транспортировки небольших пигментных мешочков, известных как меланосомы, внутри пигментного эпителия сетчатки. Известно, что рецессивные мутации гена миозина VIIA приводят к синдрому Ашера типа 1B — глухоте и заболеванию глаз, известному как пигментная оболочка сетчатки.Эти мутации вызывают потерю активности АТФазы в белке, однако точный механизм, с помощью которого мутация миозина VIIA приводит к глухоте и пигментации сетчатки, наблюдаемым у пациентов с синдромом Usher типа 1B, до сих пор неизвестен.

На изображении ниже показана сетчатка пациента с синдромом Ашера (слева) и нормальная сетчатка (справа). Отложения пигмента можно увидеть двойными стрелками, зрительный нерв — одиночной стрелкой, а звездочки указывают на суженные и недоразвитые сосуды.


В разработке

Было показано, что моторные белки играют решающую роль в развитии эмбрионов млекопитающих, определяя такие вещи, как лево-правую асимметрию, развитие ресничек и общую жизнеспособность клетки. Экспериментальные исследования функции гена KIF3B показали, что он играет несколько критических ролей в эмбриональной фазе, без которых люди умирали до середины беременности.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *