Актин-зв’язувальні та актин-зшивальні білки

Регуляція властивостей актину та кількості G-актину, що вбудовується у філамент, здійснюється різноманітними актин-зв’язувальними білками. Формування з актинових філаментів клітинної кори окремих структур із специфічними властивостями здійснюється за участю актин-зшивальних білків.

Табл.5.2

Формуванні окремих актинових структур за участю актин-зшивальних білків

Існує цілий ряд актин-зв’язувальних білків, що впливають на характер полімеризації актину. Наприклад

цитохалазини – родина метаболітів, що виділяються різними пліснявими грибами, пригнічують різні форми рухливості клітин хребетних, включаючи фагоцитоз, цитокінез, утворення ламелоподій, мікрошипиків та інш. Цитохалазини специфічно зв’язуються з “+” кінцями актинових філаментів та блокують приєднання до них нових мономерів. Враховуючи той факт, що актинові філаменти знаходяться у динамічній рівновазі між F-актином та мономерним актином, то порушення такої рівноваги може бути смертельним для клітини. При впливі цитохалазину на рухливі клітини порушується їх рух. Як з’ясувалось, на “рухливому краю” клітини знаходяться актинові філаменти, які постійно утворюються і руйнуються під дією цитохалазину.

Рис. 5.2. Хімична структура цитохалазину В.

Фалоідин – високотоксичний алкалоїд блідої поганки, на відміну від цитохалазинів стабілізує актинові філаменти, пригнічуючи їх деполімеризацію. Це може призводити до блокування міграції клітин, наприклад, амеб та клітин хребетних, що культивуються.

Тімозин-b4. Сучасними дослідженнями було показано, що у клітинах деяких злоякісних пухлин зміна форми клітини, що пов’язана із зміною фенотипу, може спричинюватися зменшенням експресії білків, які регулюють зборку актину. Відмінності у організації актинового цитоскелету у певних трансформованих клітинах пов’язані з їх здатністю до метастазуванню. При дослідженні клітин саркоми щурів було виявлено, що клітини з короткими, тонкими актиновими філаментами більш рухливі, чим нетрансформовані клітини, а значить, мають більшу здатність до метастазування. Також було показано, що для трансформованих метастазуючих клітин є характерним зниження концентрації білка, що зв’язує мономери актину- тімозину-b4 (рівень тімозину до того ж є виявився суттєво меншим у метастазуючих пухлинах, порівняно із тканевими пухлинами без метастазів). Тімозин-b4 – невеликий поліпептид, складається з 43 амінокислотних залишків. Він широко поширений в клітинах хребетних. Є сильним інгібітором полімеризації актину. Припускають, що тімозин-b4 або стерично блокує ділянку, що відповідає за зв’язування між собою мономерів актину, або запобігає заміні АДФ на АТФ у проміжку між субодиницями.

Гельзолін. При інкубації актину з очищеним філаміном при температурі 37^оС актинові полімери зв’язуються та утворюють гелеподібний, в’язкий розчин. Якщо замість філаміну використовувати клітинний екстрат, а концентрація Са²⁺ буде при цьому перевищувати 0, 1 мкМ (приблизна концентрація вільного кальцію у цитоплазмі), гель стає більш рідким. Цей процес називається соляцією. Було виділено декілька білків, що прискорюють соляцію у присутності іонів кальцію. Гельзолін є одним із них. Це компактний білок з мол. масою близько 90 000, зв’язуючи іони Са²⁺, активується, розриває зшивки між актиновими філаментами клітинної кори та формує “шапки” на “+” кінцях, що при цьому з’являються (“кепує” позитивні кінці). Це руйнує міцно зв’язану мережу актинових філаментів та запобігає подальшій полімеризації. Ці білки активуються, коли місцева концентрація Са²⁺ тимчасово зростає до 1мкМ, що відбувається при зв’язуванні багатьох рецепторів із відповідними лігандами. При збільшенні Са²⁺ вище 10^-7 актиновий гель починає розріджуватися, що спричинює зростання плинності цитоплазми та рівномірний розподіл в клітині метаболітів та інших речовин. Ці внутрішньоклітинні рухи викликають швидкі локальні зміни в консистенції цитоплазми – переходами гель/золь. Вважається, що такий перехід є важливим етапом в процесі синаптичної передачі у нервових клітинах.

Синаптичні пухирці, що містять нейротрансмітери, накопичуються поблизу плазматичної мембрани у стані передзлиття. Стикування пухирців здійснюють зшиті разом коркові актинові філаменти, які формують гелеподібну мережу та фізично запобігають злиттю синаптичного пухирця із плазматичною мембраною. При тимчасовому зростанні концентрації Са²⁺ активуються білки, що відділяють актин. Таким чином гель перетворюється на золь і зв’язки між мембраною синаптичного пухирця та актиновими філаментами розриваються. Вивільнений пухирець може тепер пересуватися, зливатися з плазматичною мембраною та вивільнювати нейротрансмітер у позаклітинне середовище.

Міозин. Спеціальний рухальний білок, який при зв’язуванні з актином гідролізує АТФ до АДФ та Ф і, що забезпечує клітинній корі не лише перехід із золю в гель, але й постійну рухливість. Міозини є мультигенною родиною. У нем’язевих клітинах присутні різні форми нем’язового міозину. М’язовий міозин, який позначають як міозин-ІІ, складається з двох тяжких ланцюгів (по 2000 амінокислотних залишків кожний) та чотирьох легких ланцюгів (ланцюгів двох типів – 190 та 170 амінокислотних залишків, по одній молекулі кожного типу є на N-кінцевому головному домені кожного тяжкого ланцюгу міозину).

N-кінець міозину-ІІ, до якого прикріплені легкі ланцюги, утворює рухальний домен, що має АТФ-азну та рухальну активність. С-кінцева ділянка тяжкого ланцюгу міозину–ІІ утворює a-спіраль близько 150 нм довжиною. Димер міозину утворюється шляхом зв’язування двох тяжких ланцюгів, що призводить до утворення скрученої a-спіралі (ділянка носить назву стрижневого домену). Як і актин, міозин-ІІ у великій кількості присутній у корі клітини, його локальні рухи забезпечують рухливість протилежно направлених актинових філаментів.

Крім міозину-ІІ, нем’язові клітини містять нем’язовий міозин, найпоширенішим серед яких міозин-І. Ця ізоформа міозину містить глобулярний рухальний домен, такий же як і у міозину-ІІ. Структура іншої молекули міозину, представленої в основному стрижневим доменом, залежить від типу міозину.

Загальною особливістю молекул міозину є їх здатність гідролізувати АТФ і переміщують актинові філаменти від “-“-кінця до “+-кінця. Особливість будови С-кінцевої ділянки міозину спричинює їх участь у різних фізіологічних процесах в клітині. Наприклад, міозиноподібні молекули, зв’язані з комплексом Гольджі, переміщують пухирці вздовж актинових філаментів. Перша та краще за все вивчена функція міозину – його здатність викликати рух двох актинових філаментів відносно один одного – становить основу м’язового скорочення.

Найпоширеніший серед актин-зшивальних білків є філамін. Його довга та гнучка молекула складається з 2 однакових поліпептидних ланцюгів, з’єднаних голова до голови, а ділянки зв’язування актину знаходяться на “хвостових” кінцях. Такі актинові мережі дозволяють клітині легко відновлювати свою форму. Філамін у великій кількості представлений у актиновій корі багатьох клітин.

Рис. 5.3. Утворюючи гнучкі зшивки між сусідніми актиновими нитками, філамін створює з них тримірну мережу, яка має механічні властивості гелю.