hücre iskeleti - Cytoskeleton

Hücre Biyolojisi
Hayvan hücresi diyagramı
Hayvan Hücresi.svg
Tipik bir hayvan hücresinin bileşenleri:
  1. çekirdekçik
  2. çekirdek
  3. Ribozom (5'in bir parçası olarak noktalar)
  4. vezikül
  5. Kaba endoplazmik retikulum
  6. Golgi aygıtı (veya Golgi gövdesi)
  7. hücre iskeleti
  8. Pürüzsüz endoplazmik retikulum
  9. mitokondri
  10. koful
  11. Sitosol ( organelleri içeren ; sitoplazmayı içeren sıvı )
  12. lizozom
  13. sentrozom
  14. Hücre zarı
Ökaryotik hücre iskeleti. Aktin filamentleri kırmızı, beta tübülinden oluşan mikrotübüller yeşil renkle gösterilmiştir.

Hücre iskeleti birbirleriyle kompleks ve dinamik ağdır proteini filamanlar içinde mevcut sitoplazma tüm hücreler de dahil olmak üzere, bakteri ve arke . Bu uzanır hücre çekirdeğine için hücre zarı ve çeşitli organizmalarda benzer proteinlerden oluşur. Gelen ökaryotlar , üç ana bileşeni, oluşan mikrofilamanlardan , ara ipliklerin ve mikrotübüller ve bu hızlı büyüme kapasitesine sahip ya da hücrenin gereksinimlerine sökme bağlıdır.

Hücre iskeleti tarafından çok sayıda işlev gerçekleştirilebilir. Birincil işlevi, hücreye şeklini ve deformasyona karşı mekanik direncini vermek ve hücre dışı bağ dokusu ve diğer hücrelerle birleşerek tüm dokuları stabilize etmektir . Hücre iskeleti ayrıca büzülebilir, böylece hücreyi ve hücrenin ortamını deforme edebilir ve hücrelerin göç etmesine izin verebilir . Dahası, birçok katılır hücre sinyal yollarının ve hücre dışı malzeme (alımında endositoz ) ayrılması kromozom sırasında , hücresel bölünme , sitokinez hücre bölünmesinin aşamasında, iskele gibi, uzay içinde ve hücre içeriğini düzenlemek için hücre içi taşıma (örneğin, hücre içindeki veziküllerin ve organellerin hareketi ) ve bir hücre duvarının inşası için bir şablon olabilir . Ayrıca, flagella , kirpikler , lamellipodia ve podozomlar gibi özel yapılar oluşturabilir . Hücre iskeletinin yapısı, işlevi ve dinamik davranışı organizmaya ve hücre tipine bağlı olarak çok farklı olabilir. Bir hücre içinde bile, hücre iskeleti, diğer proteinlerle ve ağın önceki geçmişiyle birleşerek değişebilir.

Hücre iskeleti tarafından gerçekleştirilen bir eylemin büyük ölçekli bir örneği kas kasılmasıdır . Bu, birlikte çalışan son derece uzmanlaşmış hücre grupları tarafından gerçekleştirilir. Hücre iskeletinde bu kas kasılmasının gerçek işlevini göstermeye yardımcı olan ana bileşen mikrofilamenttir . Mikrofilamentler, aktin olarak bilinen en bol hücresel proteinden oluşur. Bir kasın kasılması sırasında , her bir kas hücresi içinde, miyozin moleküler motorları topluca paralel aktin filamentleri üzerinde kuvvet uygular . Kas kasılması sinir uyarılarıyla başlar ve bu da sarkoplazmik retikulumdan artan miktarda kalsiyum salınmasına neden olur . Sitosolde kalsiyum artışı, iki protein, tropomiyozin ve troponin yardımıyla kas kasılmasının başlamasına izin verir . Tropomiyosin, aktin ve miyozin arasındaki etkileşimi engellerken, troponin kalsiyumdaki artışı algılar ve inhibisyonu serbest bırakır. Bu hareket, kas hücresini ve birçok kas hücresindeki senkronize süreç boyunca tüm kası kasar.

Tarih

1903'te Nikolai K. Koltsov , hücre şeklinin hücre iskeleti adını verdiği bir tübül ağı tarafından belirlendiğini öne sürdü. Sitoplazmik biyokimyayı dinamik olarak koordine eden bir protein mozaiği kavramı, 1929'da Rudolph Peters tarafından önerildi , (Fransızca sitosquelette ) terimi ise ilk olarak 1931'de Fransız embriyolog Paul Wintrebert tarafından tanıtıldı .

Hücre iskeleti ilk tanıtıldığında, organellerin yerinde kalmasına yardımcı olan, jel benzeri, ilgi çekici olmayan bir madde olduğu düşünülüyordu. Hücre iskeletinin ve bileşenlerinin amacını anlamaya çalışmak için birçok araştırma yapıldı. Stuart Hameroff ve Roger Penrose'un yardımıyla, mikrotübüllerin beyindeki nöronlarda titreştiği keşfedildi , bu da beyin dalgalarının daha derin mikrotübül titreşimlerinden geldiğini düşündürdü. Bu keşif, hücre iskeletinin sadece jel benzeri bir madde olmadığını ve aslında bir amacı olduğunu gösterdi.

Başlangıçta hücre iskeletinin ökaryotlara özel olduğu düşünülürken, 1992'de prokaryotlarda da bulunduğu keşfedildi. Bu keşif, bakterilerin tubulin ve aktin ile homolog proteinlere sahip olduğunun anlaşılmasından sonra geldi; ökaryotik hücre iskeletinin ana bileşenleri.

ökaryotik hücre iskeleti

Ökaryotik hücreler üç ana tür hücre iskeleti filamenti içerir: mikrofilamentler , mikrotübüller ve ara filamentler . Olarak nöronlar ara filamanlan şekilde bilinmektedir nörofilamentlerin . Her tip, farklı bir protein alt birimi tipinin polimerizasyonu ile oluşturulur ve kendi karakteristik şekline ve hücre içi dağılımına sahiptir. Mikrofilamentler , protein aktin polimerleridir ve 7 nm çapındadır. Mikrotübüller oluşan tübülin ve çapı 25 nm. Ara filamentler, bulundukları hücre tipine bağlı olarak çeşitli proteinlerden oluşur; normalde 8-12 nm çapındadırlar. Hücre iskeleti yapısı ve şekli ile hücre sağlar ve tarafından hariç makromoleküller bazı sitozol , bu seviyesine ekler makromoleküler kalabalık bu bölmede. Hücre iskeleti elemanları, hücresel membranlarla kapsamlı ve yakından etkileşime girer.

Parkinson hastalığı , Alzheimer hastalığı , Huntington hastalığı ve amyotrofik lateral skleroz (ALS) gibi nörodejeneratif bozukluklarla ilgili araştırmalar , bu hastalıklarda hücre iskeletinin etkilendiğini göstermektedir. Parkinson hastalığı, titreme, sertlik ve diğer motor olmayan semptomlarla sonuçlanan nöronların bozulmasıyla kendini gösterir. Araştırmalar, hücre iskeletindeki mikrotübül düzeneğinin ve stabilitesinin, nöronların zamanla bozulmasına neden olarak tehlikeye girdiğini göstermiştir. Alzheimer hastalığında, mikrotübülleri stabilize eden tau proteinleri , hastalığın ilerlemesinde işlev bozukluğuna neden olarak hücre iskeletinde patolojiye neden olur. Veziküllerin hücre iskeletine bağlanmasıyla ilgili Huntington proteinindeki fazla glutamin'in de Huntington Hastalığının gelişiminde bir faktör olduğu ileri sürülmektedir. Amyotrofik Lateral Skleroz, motor nöronların bozulmasından kaynaklanan hareket kaybıyla sonuçlanır ve ayrıca hücre iskeleti kusurlarını içerir.

Motor proteinleri de dahil olmak üzere aksesuar proteinler , filamentleri diğer hücre bileşiklerine ve birbirlerine bağlar ve düzenler ve belirli konumlarda hücre iskeleti filamentlerinin kontrollü montajı için gereklidir.

Aktin ve mikrotübüllerle etkileşime giren bir dizi küçük moleküllü hücre iskeleti ilacı keşfedilmiştir. Bu bileşiklerin hücre iskeletini incelemede faydalı olduğu kanıtlanmıştır ve birçoğunun klinik uygulamaları vardır.

mikrofilamentler

Bir mikrofilamentin yapısı
Phalloidin ile boyanmış fare embriyo fibroblastlarının aktin hücre iskeleti

Aktin filamentleri olarak da bilinen mikrofilamentler, G-aktin proteinlerinin lineer polimerlerinden oluşur ve filamentin büyüyen (artı) ucu hücre zarı gibi bir bariyere karşı ittiğinde kuvvet üretir. Ayrıca mikrofilamente yapışan ve onlar boyunca "yürüyen" miyozin moleküllerinin hareketi için yollar görevi görürler . Genel olarak, mikrofilamentlerin ana bileşeni veya proteini aktindir. G-aktin monomeri, mikrofilamenti (aktin filamenti) oluşturmaya devam eden bir polimer oluşturmak üzere birleşir. Bu alt birimler daha sonra F-aktin zincirleri olarak adlandırılanlarla iç içe geçen iki zincir halinde birleşir . F-aktin filamentleri boyunca hareket eden miyozin, hem kasta hem de çoğu kas dışı hücre tipinde aktomiyosin lifleri adı verilen kasılma kuvvetleri üretir. Aktin yapıları, kasılma akto-miyosin filamentleri ("stres lifleri") için Rho'nun kendisi, lamellipodia için Rac ve filopodia için Cdc42 gibi küçük GTP bağlayıcı proteinlerin Rho ailesi tarafından kontrol edilir .

İşlevler şunları içerir:

ara filamentler

Bir ara filamentin yapısı
Hücrelerin içindeki keratin filamentlerinin mikroskopisi

Ara filamentler, birçok ökaryotik hücrenin hücre iskeletinin bir parçasıdır . Ortalama 10 nanometre çapında olan bu filamentler, mikrofilamentlerden ve hücre iskeletinin heterojen bileşenlerinden daha kararlıdır (güçlü bir şekilde bağlıdır). Gibi aktin filamentler, onlar (rulman gerilimi tarafından hücre şeklinin korunmasında işlev mikrotübüller , aksine, sıkıştırma karşı değil, aynı zamanda sırasında gerginlik taşıyabilir mitoz bölünme ve sentrozom konumlandırılması sırasında). Ara filamentler, hücrenin iç üç boyutlu yapısını organize eder, organelleri sabitler ve nükleer laminanın yapısal bileşenleri olarak hizmet eder . Ayrıca bazı hücre-hücre ve hücre-matris bağlantılarına da katılırlar. Nükleer lamina tüm hayvanlarda ve tüm dokularda bulunur. Meyve sineği gibi bazı hayvanlarda sitoplazmik ara filamentler yoktur. Sitoplazmik ara filamentleri ifade eden hayvanlarda bunlar dokuya özgüdür. Epitel hücrelerindeki keratin ara filamentleri , cildin dayanabileceği farklı mekanik streslere karşı koruma sağlar. Ayrıca organlar için metabolik, oksidatif ve kimyasal streslere karşı koruma sağlarlar. Bu ara filamentlerle epitel hücrelerinin güçlendirilmesi, stres olasılığını azaltarak apoptozun başlamasını veya hücre ölümünü önleyebilir .

Ara filamentler en yaygın olarak hücre ve çekirdek için destek sistemi veya “iskele” olarak bilinir ve bazı hücre fonksiyonlarında da rol oynar. Proteinler ve dezmozomlarla kombinasyon halinde , ara filamentler hücre-hücre bağlantılarını oluşturur ve hücreler arasında mesajlaşmanın yanı sıra hücrenin hayati fonksiyonlarında kullanılan hücre-matris bağlantılarını sabitler. Bu bağlantılar, hücre ortamından gelen sinyallere dayalı olarak doku yapılarını ayarlamak için hücrenin birden fazla hücrenin desmozomu aracılığıyla iletişim kurmasını sağlar. IF proteinlerindeki mutasyonların erken yaşlanma, organları tehlikeye atan desmin mutasyonları, Alexander Hastalığı ve kas distrofisi gibi ciddi tıbbi sorunlara neden olduğu gösterilmiştir .

Farklı ara filamentler şunlardır:

  • vimentinlerden yapılmıştır . Vimentin ara filamentleri genellikle mezenkimal hücrelerde bulunur.
  • keratinden yapılmıştır . Keratin genel olarak epitel hücrelerinde bulunur.
  • sinir hücrelerinin nörofilamentleri .
  • nükleer zarfa yapısal destek veren lamin'den yapılmıştır .
  • desmin'den yapılmıştır, kas hücrelerinin yapısal ve mekanik desteğinde önemli bir rol oynar.

mikrotübüller

Bir mikrotübülün yapısı
Jel ile sabitlenmiş bir hücrede mikrotübüller

Mikrotübüller, en yaygın olarak sırasıyla alfa ve beta tübülinin polimerleri olan 13 protofilament içeren, yaklaşık 23 nm çapında (lümen çapı yaklaşık 15 nm olan) içi boş silindirlerdir . Polimerizasyon için GTP'yi bağlayan çok dinamik bir davranışa sahiptirler . Genellikle sentrozom tarafından düzenlenirler .

Dokuz üçlü kümede (yıldız şeklinde), merkezcilleri oluştururlar ve iki ek mikrotübül (tekerlek şeklinde) yönlendirilmiş dokuz ikilide kirpikler ve kamçı oluştururlar. İkinci oluşum, yaygın olarak bir "9+2" düzenlemesi olarak anılır, burada her bir ikili protein dynein ile bir diğerine bağlanır . Hem kamçı hem de kirpikler hücrenin yapısal bileşenleri olduğundan ve mikrotübüller tarafından korunduklarından, hücre iskeletinin bir parçası olarak kabul edilebilirler. İki tür kirpik vardır: hareketli ve hareketsiz kirpikler. Kirpikler kısadır ve flagelladan daha fazladır. Hareketli kirpikler, hücre için duyusal bilgi alan hareketli olmayan kirpiklere kıyasla ritmik bir sallama veya vuruş hareketine sahiptir; diğer hücrelerden veya onu çevreleyen sıvılardan gelen sinyalleri işleme. Ek olarak, mikrotübüller kirpiklerin ve kamçıların vuruşunu (hareketini) kontrol eder. Ayrıca mikrotübüllere bağlı dynein kolları moleküler motorlar olarak işlev görür. Kirpiklerin ve kamçıların hareketi, ATP gerektiren mikrotübüllerin birbirinin üzerinden kaymasıyla oluşturulur. Şu konularda kilit roller oynarlar:

Yukarıda açıklanan rollere ek olarak, Stuart Hameroff ve Roger Penrose, mikrotübüllerin bilinçte işlev gördüğünü öne sürmüşlerdir.

Karşılaştırmak

hücre iskeleti
tipi
Çap
( nm )
Yapı Alt birim örnekleri
mikrofilamentler 6 Çift sarmal aktin
ara
filamentler
10 İki anti-paralel sarmal / dimer, tetramerler oluşturur
mikrotübüller 23 Protofilamentler , sırasıyla statmin ile kompleks halinde tübülin alt birimlerinden oluşur. α- ve β-Tubulin

Septinler

Septinler, ökaryotlarda bulunan yüksek oranda korunmuş GTP bağlayıcı proteinlerin bir grubudur . Farklı septinler birbirleriyle protein kompleksleri oluşturur. Bunlar filamentlere ve halkalara birleşebilir. Bu nedenle, septinler hücre iskeletinin bir parçası olarak kabul edilebilir. Hücrelerdeki septinlerin işlevi, diğer proteinler için lokalize bir bağlanma yeri olarak hizmet etmeyi ve belirli moleküllerin bir hücre bölmesinden diğerine difüzyonunu önlemeyi içerir. Maya hücrelerinde, hücre bölünmesi sırasında yapısal destek sağlamak ve hücrenin bölümlerini bölümlere ayırmak için iskele oluştururlar. İnsan hücrelerinde yapılan son araştırmalar, septinlerin bakteriyel patojenlerin etrafında kafesler oluşturduğunu, zararlı mikropları hareketsiz hale getirdiğini ve diğer hücreleri istila etmelerini engellediğini gösteriyor.

spektrin

Spektrin, ökaryotik hücrelerde plazma zarının hücre içi tarafını kaplayan bir hücre iskeleti proteinidir . Spektrin, beşgen veya altıgen düzenlemeler oluşturarak bir iskele oluşturur ve plazma zarı bütünlüğünün ve hücre iskelet yapısının korunmasında önemli bir rol oynar .

Maya hücre iskeleti

Tomurcuklanan mayada (önemli bir model organizma ), aktin kortikal yamalar, aktin kabloları ve sitokinetik bir halka ve kapak oluşturur. Kortikal yamalar, zar üzerindeki ayrı aktin gövdeleridir ve endositoz , özellikle hücre duvarı sentezi için önemli olan glukan sentazın geri dönüşümü için hayati öneme sahiptir . Aktin kabloları, aktin filamentlerinin demetleridir ve veziküllerin kapağa (hücre büyümesini polarize etmek için bir dizi farklı protein içeren) taşınmasında ve mitokondrinin konumlandırılmasında rol oynar. Cytokinetic yerinin çevresinde bir halka oluşturur ve sıkıştırma yapar , hücre bölünmesi .

prokaryotik hücre iskeleti

Jones ve diğerleri, 2001'in çalışmasından önce, hücre duvarının, çubuklar ve spiraller de dahil olmak üzere birçok bakteri hücre şekli için belirleyici faktör olduğuna inanılıyordu. İncelendiğinde, birçok şekilsiz bakterinin hücre zarfının gelişimiyle bağlantılı mutasyonlara sahip olduğu bulundu . Hücre iskeletinin bir zamanlar sadece ökaryotik hücrelerin bir özelliği olduğu düşünülüyordu , ancak ökaryotik hücre iskeletinin tüm ana proteinlerinin homologları prokaryotlarda bulundu . Harold Erickson, 1992'den önce sadece ökaryotların hücre iskeleti bileşenlerine sahip olduğuna inanıldığını belirtiyor. Bununla birlikte, 90'ların başlarında yapılan araştırmalar, bakteri ve arkelerin aktin ve tübülin homologlarına sahip olduğunu ve bunların ökaryotik mikrotübüllerin ve mikrofilamentlerin temeli olduğunu ileri sürdü. Evrimsel ilişkiler, tek başına protein dizi karşılaştırmalarından açıkça anlaşılamayacak kadar uzak olsa da, üç boyutlu yapılarının benzerliği ve hücre şeklini ve polaritesini korumadaki benzer işlevleri, ökaryotik ve prokaryotik hücre iskeletlerinin gerçekten homolog olduğuna dair güçlü kanıtlar sağlar. Üç laboratuvar bağımsız olarak, bakteriyel sitokinezde önemli bir oyuncu olarak bilinen bir protein olan FtsZ'nin tüm α-, β- ve γ-tubulinlerde bulunan "tubulin imza dizisine" sahip olduğunu keşfetti. Ancak bakteri hücre iskeletindeki bazı yapılar henüz tanımlanmamış olabilir.

FtsZ

FtsZ , tanımlanacak prokaryotik hücre iskeletinin ilk proteiniydi. Tubulin gibi, FtsZ de guanozin trifosfat (GTP) varlığında filamentler oluşturur , ancak bu filamentler tübüller halinde gruplanmaz. Hücre bölünmesi sırasında FtsZ, bölünme bölgesine hareket eden ilk proteindir ve bölünen hücreler arasında yeni hücre duvarını sentezleyen diğer proteinlerin alınması için gereklidir .

MreB ve ParM

MreB gibi prokaryotik aktin benzeri proteinler, hücre şeklinin korunmasında rol oynar . Küresel olmayan tüm bakterilerin aktin benzeri proteinleri kodlayan genleri vardır ve bu proteinler hücre zarının altında hücre duvarı biyosentezinde yer alan proteinlere rehberlik eden sarmal bir ağ oluşturur .

Bazı plazmitler , aktin benzeri bir protein ParM içeren ayrı bir sistemi kodlar . ParM'nin filamentleri dinamik kararsızlık sergiler ve ökaryotik mitoz sırasında mikrotübüller tarafından kullanılana benzer bir mekanizma ile plazmit DNA'yı bölünen yavru hücrelere bölebilir .

hilal

Bakteri Caulobacter crescentus üçüncü protein içeren crescentin ökaryotik hücrelerin ara filamentleri ile ilgilidir. Crescentin ayrıca sarmal ve vibrioid bakteri formları gibi hücre şeklinin korunmasında da rol oynar , ancak bunu hangi mekanizma ile yaptığı şu anda belirsizdir. Ek olarak, eğrilik, peptidoglikan sentezinin bozulmasından sonra hilal şeklindeki filamentlerin yer değiştirmesiyle tanımlanabilir.

Prokaryotlar ve ökaryotlar arasındaki ortak özellikler ve farklılıklar

Tanım olarak, hücre iskeleti, tüm organizmalarda uzunlamasına diziler (lifler) oluşturabilen proteinlerden oluşur. Bu filament oluşturan proteinler 4 sınıfa ayrılmıştır. Tubulin benzeri, aktin benzeri, Walker A hücre iskeleti ATPazları (WACA-proteinleri) ve ara filamentler .

Tubulin benzeri proteinler ökaryotlarda tubulin ve prokaryotlarda FtsZ , TubZ, RepX'dir. Aktin benzeri proteinler ökaryotlarda aktin ve prokaryotlarda MreB , FtsA'dır . Çoğunlukla prokaryotlarda bulunan WACA proteinlerine bir örnek, MinD'dir . Neredeyse yalnızca hayvanlarda (yani ökaryotlarda) bulunan ara filamentlere örnekler, laminler , keratinler , vimentin , nörofilamentler ve desmindir .

Tubulin benzeri proteinler bir miktar amino asit dizi benzerliğini paylaşsalar da , protein-katındaki eşdeğerlikleri ve GTP bağlanma bölgesindeki benzerlikler daha çarpıcıdır. Aynısı aktin benzeri proteinler, yapıları ve ATP bağlanma alanı için de geçerlidir.

Hücre iskeleti proteinleri genellikle prokaryotlarda ve ökaryotlarda hücre şekli, DNA ayrımı ve hücre bölünmesi ile ilişkilidir. Hangi proteinlerin hangi görevi yerine getirdiği çok farklıdır. Örneğin, tüm ökaryotlarda DNA ayrımı tübülin kullanımı yoluyla gerçekleşir, ancak prokaryotlarda WACA proteinleri, aktin benzeri veya tübüline benzer proteinler kullanılabilir. Hücre bölünmesine ökaryotlarda aktin aracılık eder, ancak prokaryotlarda genellikle tübüline benzer (genellikle FtsZ halkası) proteinler ve bazen ( Crenarchaeota ) ESCRT-III , ökaryotlarda hala bölünmenin son adımında bir rolü vardır.

sitoplazmik akış

Sikloz olarak da bilinen sitoplazmik akış , hücre içeriğinin hücre iskeletinin bileşenleri boyunca aktif hareketidir. Esas olarak bitkilerde görülmekle birlikte, tüm hücre tipleri bu işlemi atıkların, besinlerin ve organellerin hücrenin diğer bölümlerine taşınması için kullanır. Bitki ve alg hücreleri genellikle diğer birçok hücreden daha büyüktür; bu nedenle sitoplazmik akış bu tip hücrelerde önemlidir. Bunun nedeni, hücrenin ekstra hacminin, organelleri tüm hücre boyunca hareket ettirmek için sitoplazmik akış gerektirmesidir. Organeller , aktin filament demetleri boyunca bağlanan ve iten miyozin motorları tarafından tahrik edilen hücre iskeletindeki mikrofilamentler boyunca hareket eder . 

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar