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Actina, miosina, e Cell Movement filamenti di actina, di solito in associazione con miosina. sono responsabili per molti tipi di movimenti cellulari. Miosina è il prototipo di un motore e # molecolare x02014; una proteina che converte l'energia chimica sotto forma di ATP in energia meccanica, generando così la forza e movimento. Il più sorprendente varietà di tale movimento è la contrazione muscolare, che ha fornito il modello per la comprensione delle interazioni actina - myosin e l'attività motoria delle molecole di miosina. Tuttavia, le interazioni di actina e miosina sono responsabili non solo per la contrazione muscolare, ma anche per una serie di movimenti di cellule non muscolari, tra cui la divisione cellulare, in modo da queste interazioni svolgono un ruolo centrale nella biologia cellulare. Inoltre, il citoscheletro di actina è responsabile per i movimenti striscianti di cellule attraverso una superficie, che sembrano essere guidato direttamente per polimerizzazione actina, nonché le interazioni actina-miosina. Contrazione muscolare Le cellule muscolari sono altamente specializzati per un compito singolo, la contrazione, ed è questa specializzazione nella struttura e nella funzione che ha fatto il muscolo il prototipo per lo studio il movimento a livello cellulare e molecolare. Ci sono tre tipi distinti di cellule muscolari nei vertebrati: muscolo scheletrico, che è responsabile di tutti i movimenti volontari; muscolo cardiaco, che pompa il sangue dal cuore; e della muscolatura liscia, che è responsabile per movimenti involontari di organi come i vasi di stomaco, intestino, utero, e del sangue. In entrambi muscolo scheletrico e cardiaco, gli elementi contrattili del citoscheletro sono presenti in matrici altamente organizzati che danno origine a modelli caratteristici di cross-striature. E 'la caratterizzazione di queste strutture nel muscolo scheletrico che ha portato alla nostra attuale comprensione della contrazione muscolare, e altri movimenti cellulari basati su actina, a livello molecolare. I muscoli scheletrici sono fasci di fibre muscolari. che sono singole cellule di grandi dimensioni (circa il 50 & # x003bc; m di diametro e fino a diversi centimetri di lunghezza) formata dalla fusione di molte singole celle durante lo sviluppo (Figura 11.18). La maggior parte del citoplasma consiste miofibrille. che sono fasci cilindrici di due tipi di filamenti: filamenti spessi di miosina (circa 15 nm di diametro) e filamenti sottili di actina (circa 7 nm di diametro). Ogni miofibrilla è organizzato come una catena di unità contrattili chiamato sarcomeri. che sono responsabili per la comparsa striata del muscolo cardiaco e scheletrico. Struttura di cellule muscolari. I muscoli sono composti da fasci di grandi cellule singole (chiamate fibre muscolari), che forma dalla fusione delle cellule e contengono più nuclei. Ogni fibra muscolare contiene molte miofibrille, che sono fasci di actina e filamenti di miosina organizzati (più.) I sarcomeri (che sono circa il 2,3 & # x003bc; m di lunghezza) sono costituiti da diverse regioni distinte, distinguibili al microscopio elettronico. che ha fornito spunti critici nel meccanismo della contrazione muscolare (Figura 11.19). Le estremità di ciascun sarcomere sono definiti dal disco Z. All'interno di ogni sarcomero, bande scure (chiamato bande perché sono un nisotropic se visti con luce polarizzata) si alternano con fasce di luce (chiamato I gruppi per i sotropic). Queste bande corrispondono alla presenza o assenza di filamenti di miosina. Le bande I contengono solo filamenti di actina () sottili, mentre le bande A contengono filamenti di miosina () di spessore. I filamenti di miosina e actina sovrappongono nelle regioni periferiche del gruppo A, mentre una regione media (denominata zona H) contiene solo miosina. I filamenti di actina sono attaccati al loro più termina al disco Z, che comprende la proteina & # x003b1 reticolante; - actinin. I filamenti di miosina sono ancorate alla linea M al centro del sarcomero. Struttura del sarcomero. (A) al microscopio elettronico di un sarcomero. (B) Schema l'organizzazione di actina (sottile) e miosina (spesso) nelle regioni indicate. (A, Frank A. Pepe / Biological Photo Service.) Due proteine supplementari (titina e nebulina) contribuiscono anche alla struttura sarcomero e la stabilità (Figura 11.20). Titin è estremamente grande proteina (3000 kd), e singole molecole titin estendono dalla linea M al disco Z. Queste lunghe molecole di titina si pensa di agire come molle che mantengono i filamenti di miosina centrati nel sarcomero e mantenere la tensione di riposo che permette un muscolo di scatto indietro se sovraesteso. filamenti nebulin sono associati con l'actina e sono pensati per regolare l'assemblaggio di filamenti di actina, agendo come governanti che determinano la loro lunghezza. Titina e nebulin. Molecole di titin estendono dal disco Z alla linea M e agiscono come molle per mantenere filamenti di miosina centrati a sarcomere. Molecole di nebulin estendono dal disco Z e sono pensati per determinare la lunghezza dei filamenti di actina associati. (Di Più. ) La base per la comprensione contrazione muscolare è il modello filamento scorrevole. proposto per primo nel 1954, sia da Andrew Huxley e Ralph Niedergerke e da Hugh Huxley e Jean Hanson (Figura 11.21). Durante la contrazione muscolare, ogni sarcomero accorcia, portando i dischi Z più vicini. Non vi è alcun cambiamento nella larghezza della banda A, ma entrambe le bande I e la zona H quasi completamente scomparire. Queste modifiche sono spiegate dai actina e miosina scorrevoli l'uno sull'altro, in modo che i filamenti di actina muovono nella banda A e la zona H. La contrazione muscolare risulta pertanto da una interazione tra l'actina e filamenti di miosina che genera il movimento relativo tra loro. La base molecolare per questa interazione è il legame di miosina di filamenti di actina, miosina permettendo di funzionare come un motore che aziona filamento scorrevole. modello scorrevole-filamento di contrazione muscolare. I filamenti di actina scorrono oltre i filamenti di miosina verso la metà del sarcomero. Il risultato è accorciamento del sarcomero senza alcuna variazione di lunghezza del filamento. Il tipo di miosina presenti nel muscolo (miosina II) è una proteina grande (circa 500 kd) costituito da due catene identiche pesanti (circa 200 kd ciascuno) e due coppie di catene leggere (circa 20 kd ciascuno) (Figura 11.22). Ogni catena pesante è costituito da una regione testa globulare e un lungo & # x003b1; coda - helical. Il & # x003b1; code - helical di due catene pesanti torsione intorno all'altro in una struttura coiled-coil per formare un dimero, e due catene leggere associato con il collo di ciascuna regione testa per formare la completa miosina II molecola. Miosina II. La molecola miosina II consiste di due catene pesanti e due coppie di catene leggere (chiamati catene essenziali e regolamentari luce). Le catene pesanti hanno regioni globulari di testa e lungo & # x003b1, (. Di più) code - helical, che spira intorno a vicenda Le spesse filamenti di muscoli sono costituiti da diverse centinaia di molecole di miosina, associati in un array sfalsati in parallelo dalle interazioni tra le code (Figura 11.23). Le teste globulari di miosina si legano actina. formando trasversali ponti tra i filamenti spessi e sottili. È importante notare che l'orientamento delle molecole miosina nei filamenti spessi inverte in linea M del sarcomero. La polarità dei filamenti di actina (che sono attaccati ai dischi Z alla estremità loro più) inverte in modo simile alla linea M, per cui l'orientamento relativo di miosina e actina filamenti è la stessa su entrambe le metà del sarcomero. Come discusso in seguito, l'attività motoria di miosina muove i gruppi di testa lungo il filamento di actina in direzione dell'estremità più. Questo movimento fa scorrere i filamenti di actina da entrambi i lati del sarcomero verso la linea M, accorciando il sarcomero e conseguente contrazione muscolare. Organizzazione di miosina filamenti spessi. filamenti spessi sono formate dall'associazione di diverse centinaia di molecole di miosina II in un array sfalsati. Le teste globulari di miosina si legano actina, formando incrociati ponti tra le miosina e actina filamenti. Più. ) Oltre alla actina vincolante. le teste di miosina si legano e idrolizzano ATP, che fornisce l'energia per guidare filamento scorrevole. Questa definizione di energia chimica al movimento è mediato da cambiamenti nella forma della miosina attraverso il legame ATP. Il modello generalmente accettato (il modello oscillante-cross-bridge) è che le unità di idrolisi ATP cicli di interazione tra teste di miosina e actina ripetuti. Durante ogni ciclo, cambiamenti conformazionali miosina determinano il movimento delle teste di miosina lungo filamenti di actina. Sebbene i meccanismi molecolari non sono ancora pienamente compresi, un modello di lavoro plausibile per funzione miosina è stata calcolata in studi in vitro di movimento miosina lungo i filamenti di actina (un sistema sviluppato da James Spudich e Michael Sheetz) e dalla determinazione del tridimensionale struttura della miosina da Ivan Rayment e dei suoi colleghi (Figura 11.24). Il ciclo inizia con miosina (in assenza di ATP) strettamente legato alla actina. ATP vincolante dissocia il complesso miosina-actina e l'idrolisi dell'ATP quindi induce un cambiamento conformazionale in miosina. Tale modifica regione del collo della miosina che lega le catene leggere (vedi Figura 11.22), che funge da braccio di leva per spostare la testa della miosina di circa 5 nm. I prodotti di idrolisi (ADP e P i) rimangono legati alla testa della miosina, che si dice essere in & # x0201c; cazzo & # x0201d; posizione. La testa della miosina rebinds poi in una nuova posizione sul filamento di actina, con conseguente rilascio di ADP e Pi e innescando la & # x0201c; colpo di potere, & # x0201d; in cui la testa miosina ritorna alla sua conformazione iniziale, scorrevole così il filamento di actina verso la linea M del sarcomero. Modello per l'azione miosina. Il legame di ATP dissocia miosina da actina. Idrolisi dell'ATP quindi induce un cambiamento conformazionale che sposta il gruppo di testa della miosina. Questo è seguito dal legame della testa miosina in una nuova posizione sul filamento di actina (più.) La contrazione del muscolo scheletrico è innescato da impulsi nervosi, che stimolano il rilascio di Ca 2+ dal reticolo sarcoplasmatico & # x02014, una rete specializzata di membrane interne, simili al reticolo endoplasmatico. che memorizza alte concentrazioni di ioni Ca 2+. Il rilascio di Ca 2+ dal reticolo sarcoplasmatico aumenta la concentrazione di Ca 2+ nel citosol da circa 10 -7 a 10 -5 M. La maggiore contrazione Ca 2 + segnali di concentrazione muscolare attraverso l'azione di due proteine accessorie legate ai filamenti di actina: tropomiosina e troponina (Figura 11.25). Tropomiosina è una proteina fibrosa che lega longitudinalmente lungo la scanalatura di filamenti di actina. Nel muscolo striato, ogni molecola tropomiosina è destinata a troponina, che è un complesso di tre polipeptidi: troponina C (Ca 2+ - Binding), troponina I (inibitorio), e la troponina T (tropomiosina-binding). Quando la concentrazione di Ca 2+ è basso, il complesso delle troponine con blocchi tropomiosina l'interazione di actina e miosina. in modo che il muscolo non si contrae. Ad alte concentrazioni, Ca 2+ legame troponina C sposta la posizione del complesso, alleviare questa inibizione e permettendo la contrazione di procedere. Associazione di tropomiosina e troponina con filamenti di actina. (A) Tropomiosina lega longitudinalmente lungo filamenti di actina e, nel muscolo striato, è associata ad un complesso di tre troponine: troponina I (TnI), troponina C (TNC), e troponina T (TnT). In più. ) Assemblee contrattili di actina e miosina nelle celle non muscolari assemblee contrattili di actina e miosina. simile a versioni su piccola scala di fibre muscolari, sono presenti anche nelle cellule non muscolari. Come nel muscolo, i filamenti di actina in questi assembly contrattili sono interdigitati con filamenti di miosina bipolari II, costituito da 15 a 20 miosina II molecole, che producono contrazione trascinando i filamenti di actina uno rispetto all'altro (Figura 11.26). I filamenti di actina in fasci contrattili in cellule non muscolari sono anche associati con tropomiosina. che facilita la loro interazione con miosina II, probabilmente competendo con filamin per i siti di actina vincolante. assemblee contrattili in cellule non muscolari. filamenti di miosina II bipolare prodotti contrazione facendo scorrere filamenti di actina in direzioni opposte. Due esempi di assiemi contrattili in cellule non muscolari, fibre di stress e cinture di adesione, sono stati discussi in precedenza rispetto all'attaccamento del citoscheletro actina alle regioni di cellula-substrato e contatti cellula-cellula (vedi Figure 11.13 e 11.14). La contrazione delle fibre di stress produce la tensione ai capi della cella, consentendo alla cellula di tirare su un substrato (ad esempio, la matrice extracellulare) a cui è ancorata. La contrazione dei nastri adesione altera la forma di fogli di cellule epiteliali: un processo che è particolarmente importante durante lo sviluppo embrionale, quando i fogli di cellule epiteliali ripiegano in strutture quali tubi. L'esempio più drammatico di actina - myosin contrazione in cellule non muscolari, tuttavia, è fornito da cytokinesis & # x02014, la divisione di una cellula in due dopo la mitosi (Figura 11.27). Verso la fine della mitosi nelle cellule animali, un anello contrattile costituito da filamenti di actina e miosina II assembla appena sotto la membrana plasmatica. La contrazione tira la membrana plasmatica progressivamente verso l'interno, restringendo il centro della cella e pizzicando in due. È interessante notare che lo spessore dell'anello contrattile rimane costante quando si contrae, il che implica che i filamenti di actina smontare il procedere contrazione. L'anello poi si disperde completamente seguito la divisione cellulare. Citochinesi. In seguito al completamento della mitosi (divisione nucleare), un anello contrattile costituito da filamenti di actina e miosina II divide la cella in due. Il regolamento di actina - myosin contrazione nel muscolo striato, discusso in precedenza, è mediato dal legame di Ca 2+ di troponina. In cellule non muscolari e nel muscolo liscio, tuttavia, la contrazione è regolata principalmente dalla fosforilazione di una delle catene leggere miosina, chiamato la catena leggera di regolamentazione (Figura 11.28). La fosforilazione della catena leggera regolamentazione in queste cellule ha almeno due effetti: promuove l'assemblaggio di miosina in filamenti, e aumenta miosina attività catalitica, consentendo contrazione di procedere. L'enzima che catalizza la fosforilazione, chiamato miosina catene leggere chinasi. siano soggetti alla normativa per associazione con il - Binding calmodulina proteina Ca 2+. Incrementi di citosolico Ca 2+ promuovere il legame della calmodulina alla chinasi, con conseguente fosforilazione della miosina catena leggera regolamentare. Incrementi di Ca 2+ citosolico sono quindi responsabili, sebbene indirettamente, per attivare miosina nelle cellule muscolari e non muscolari lisce, così come nel muscolo striato. Regolamento della miosina da fosforilazione. Ca 2+ si lega alla calmodulina, che a sua volta si lega al miosina catena leggera chinasi (MLCK). Il complesso calmodulina-MLCK attiva fosforila allora la catena leggera normativo miosina II, la conversione di miosina da un inattivo (di più.) Myosins non convenzionali Oltre alla miosina II (& # x0201c; convenzionale & # x0201d; miosina a due teste), diversi altri tipi di miosina si trovano nelle cellule non muscolari. A differenza di miosina II, queste & # x0201c; non convenzionale & # x0201d; myosins non formano filamenti e quindi non sono coinvolti nella contrazione. Essi possono tuttavia essere coinvolti in una varietà di altri tipi di movimenti cellulari, come il trasporto di vescicole di membrana e organelli lungo filamenti di actina, fagocitosi. e l'estensione di pseudopodi in amebe (vedi Figura 11.17). Il più studiato di questi miosine non convenzionali sono membri della famiglia miosina I (Figura 11.29). La miosina I proteine contengono un gruppo testa globulare che agisce come un motore molecolare. come quella di miosina II. Tuttavia, i membri della famiglia miosina io sono molto più piccole molecole (circa 110 kd in cellule di mammifero) che non hanno la coda lunga della miosina II e che non fanno dimeri. Le code possono invece legarsi ad altre strutture, come vescicole o organelli. Il movimento della miosina I lungo un filamento di actina può quindi trasportare il suo carico collegato. Una funzione di miosina I, discusso in precedenza, è quello di formare i bracci laterali che collegano fasci di actina alla membrana plasmatica di microvilli intestinali (vedi Figura 11.16). In queste strutture, l'attività motoria di miosina I può spostare la membrana plasmatica lungo i fasci di actina, verso la punta della microvillus. Ulteriori funzioni di miosina I possono essere nel trasporto di vescicole e organelli lungo filamenti di actina e in movimento della membrana plasmatica durante la fagocitosi e pseudopodio estensione. Miosina I. miosina che contiene un gruppo di testa simile a miosina II, ma ha una relativamente breve coda e non forma dimeri o filamenti. Anche se non può indurre la contrazione, la miosina posso muoversi lungo i filamenti di actina (verso la fine più), portando (più.) Oltre a myosins I e II, sono stati identificati almeno 12 altre classi di myosins non convenzionali (III attraverso XIV). Alcuni di questi miosine non convenzionali sono due teste come miosina II, mentre altri sono a una testa come miosina I. Le funzioni della maggior parte di questi miosine non convenzionali restano da determinare, ma alcuni sono stati chiaramente dimostrato di giocare un ruolo importante nel movimento di organelli ( myosins V e VI) e nelle funzioni sensoriali come visione (miosina III) e dell'udito (myosins VI e VII). cellulare Crawling I movimenti striscianti di cellule attraverso una superficie rappresentano una forma di base di locomozione cellulare, impiegato da una grande varietà di diversi tipi di cellule. Gli esempi includono i movimenti del amebe, la migrazione delle cellule embrionali durante lo sviluppo, l'invasione dei tessuti dai globuli bianchi per combattere le infezioni, la migrazione delle cellule coinvolte nella guarigione delle ferite, e la diffusione delle cellule tumorali durante la metastasi di tumori maligni. Simili tipi di movimento sono anche responsabili per la fagocitosi e per l'estensione dei processi cellulari nervose durante lo sviluppo del sistema nervoso. Tutti questi movimenti si basano sulle proprietà dinamiche del citoscheletro di actina. anche se i meccanismi dettagliati coinvolti devono ancora essere pienamente compreso. Cellulare scansione comporta un ciclo coordinato di movimenti, che possono essere visualizzati in tre fasi. Innanzitutto, sporgenze quali pseudopodi, lamellipodia o microspikes (vedi Figura 11.17) devono essere estese dal bordo della cella (Figura 11.30). In secondo luogo, queste estensioni dovranno allegare al substrato attraverso il quale la cellula sta migrando. Infine, il bordo di uscita della cella deve dissociarsi dal substrato e ritrae nel corpo della cella. Cellulare scansione. I movimenti striscianti di cellule attraverso una superficie possono essere visti come tre stadi di movimenti coordinati: (1) estensione del bordo anteriore, (2) il fissaggio del bordo d'attacco al substrato, e (3) la retrazione del retro della cella (Di Più. ) Una varietà di esperimenti indicano che l'estensione del bordo anteriore comporta la polimerizzazione e reticolazione dei filamenti di actina. Ad esempio, l'inibizione della polimerizzazione (per esempio mediante trattamento con citocalasina) blocca la formazione di sporgenze della superficie cellulare. Il turnover regolamentato di filamenti di actina, come illustrato nella Figura 11.5. conduce alla estensione di processi come filopodi e lamellopodi all'avanguardia della cella, ed entrambi cofilin e Arp2 / 3 proteine sembrano essere coinvolti in questo processo. myosins non convenzionali possono partecipare anche l'estensione dei processi al bordo d'attacco: miosina I è per il prolungamento pseudopodio nel amebe Dictyostelium e miosina V per l'estensione di filopodi nei neuroni. Dopo la loro estensione, sporgenze dal bordo anteriore devono allegare al substrato per un funzionamento in locomozione cellulare. Per le cellule lenti, come fibroblasti, l'attaccamento comporta la formazione di adesioni focali (vedi Figura 11.13). Le cellule si spostano più velocemente, come le amebe o globuli bianchi, formano contatti più diffusi con il substrato, la composizione molecolare di cui non è noto. La terza fase di scansione cellule, retrazione del bordo di uscita, è meno compresi. Gli attacchi del bordo di uscita al substrato sono rotti, e la parte posteriore della cella rincula nel corpo cellulare. Il processo sembra richiedere lo sviluppo di tensione tra la parte anteriore e posteriore della cella, generando forza contrattile che alla fine tira in avanti la parte posteriore della cella. Questo aspetto della locomozione cellulare è alterato in mutanti di Dictyostelium privi miosina II, coerente con un ruolo per miosina II nel contrarre corteccia actina e generare la forza necessaria per la retrazione del bordo di uscita. Previo accordo con l'editore, questo libro è accessibile tramite la funzione di ricerca, ma non possono essere sfogliati. Copyright © 2000, Geoffrey M Cooper.
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