Kinesin - Kinesin

Kinesin dimer (kırmızı) mikrotübüllere (mavi ve yeşil) yapışır ve bunlar boyunca hareket eder.
Bir mikrotübül üzerinde "yürüyen" kinesinin animasyonu

Bir kinesin bir sınıfa ait olan bir protein olan motor protein bulundu ökaryotik hücreler.

Kinesinler, mikrotübül (MT) filamentleri boyunca hareket eder ve adenosin trifosfatın (ATP) hidrolizi ile güçlenir (bu nedenle kinesinler , bir tür enzim olan ATPazlardır ). Kinesinlerin aktif hareketi, aksonal taşımada olduğu gibi mitoz , mayoz ve hücresel kargonun taşınması dahil olmak üzere çeşitli hücresel işlevleri destekler . Çoğu kinesin, çoğu hücrede protein ve zar bileşenleri gibi kargoların hücrenin merkezinden çevreye doğru taşınmasını gerektiren bir mikrotübülün artı ucuna doğru yürür. Bu taşıma şekli anterograd taşıma olarak bilinir . Buna karşılık, dineinler , retrograd taşımada bir mikrotübülün eksi ucuna doğru hareket eden motor proteinlerdir .

keşif

Kinesinler, kalamarın dev aksonundan çıkarılan sitoplazmadaki hareketliliklerine dayanarak 1985 yılında keşfedildi.

MT tabanlı anterograd hücre içi taşıma motorları olarak ortaya çıktılar. Bu süper ailenin kurucu üyesi olan kinesin-1, nöronal hücre ekstraktlarından mikrotübül afinite saflaştırması yoluyla 2 özdeş motor alt biriminden (KHC) ve 2 "hafif zincirden" (KLC) oluşan bir heterotetramerik hızlı aksonal organel taşıma motoru olarak izole edildi . Daha sonra, 2 farklı KHC ile ilgili motor alt biriminden ve bir aksesuar "KAP" alt biriminden oluşan kinesin-2 adlı farklı, heterotrimerik artı-uç yönelimli MT tabanlı bir motor, derisidikenli yumurta/embriyo özlerinden saflaştırıldı ve en iyi bilinen Silium biyogenezi sırasında protein komplekslerinin (IFT parçacıkları) aksonemler boyunca taşınmasındaki rolü . Moleküler genetik ve genomik yaklaşımlar, kinesinlerin, ökaryotik hücrelerde çoklu hücre içi hareketlilik olaylarından sorumlu olan çeşitli bir motor süper ailesi oluşturduğunun tanınmasına yol açmıştır. Örneğin, memelilerin genomları, kinesin-1 ila kinesin-14 olarak adlandırılan en az 14 ailede organize edilen 40'tan fazla kinesin proteinini kodlar.

Yapı

Genel yapı

Kinesin süper ailesinin üyeleri şekil olarak değişir ancak prototipik kinesin-1 motoru, farklı kargolar için benzersiz olan iki hafif zinciri (KLC'ler) bağlayan bir protein dimer (molekül çifti) oluşturan iki Kinesin Ağır Zincir (KHC) molekülünden oluşur .

Kinesin-1'in ağır zinciri , amino terminal ucunda kısa, esnek bir boyun bağlayıcısı aracılığıyla sapa bağlanan küresel bir kafa (motor alanı) içerir - bir karboksi terminalinde sona eren uzun, merkezi bir alfa-sarmal sarmal bobin alanı hafif zincirlerle ilişkili kuyruk alanı. İki KHC'nin sapları, iki KHC'nin dimerizasyonunu yönlendiren sarmal bir bobin oluşturmak üzere iç içe geçer. Çoğu durumda taşınan kargo, KLC'nin TPR motif dizisinde kinesin hafif zincirlerine bağlanır , ancak bazı durumlarda kargo ağır zincirlerin C-terminal alanlarına bağlanır.

Kinesin motor alanı

Kinesin motor alanı
Kinesin motor alanı 1BG2.png
ADP (çubuk diyagramı, karbon = beyaz, oksijen = kırmızı, nitrojen = mavi, fosfor = turuncu) ile birleştirilmiş gökkuşağı renkli bir çizgi film ( N-ucu = mavi, C-ucu = kırmızı) olarak gösterilen insan kinesin motor alanının kristalografik yapısı ve bir magnezyum iyonu (gri küre).
tanımlayıcılar
Sembol Kinesin motor alanı
Pfam PF00225
InterPro IPR001752
AKILLI SM00129
PROZİT PS50067
SCOP2 1bg2 / KAPSAM / SUPFAM
CDD cd00106

Baş, kinesinin imzasıdır ve amino asit dizisi, çeşitli kinesinler arasında iyi korunmuştur. Her kafanın iki ayrı bağlanma yeri vardır : biri mikrotübül için diğeri ATP için. ATP bağlanması ve hidrolizinin yanı sıra ADP salımı, mikrotübül bağlama alanlarının konformasyonunu ve başa göre boyun bağlayıcısının oryantasyonunu değiştirir; bu kinesinin hareketi ile sonuçlanır. Bir merkezi beta-yaprak alanı ve Anahtar I ve II alanları dahil olmak üzere Baştaki birkaç yapısal elemanın , iki bağlanma alanı ve boyun alanı arasındaki etkileşimlere aracılık ettiği gösterilmiştir. Kinesinler yapısal olarak ATP yerine GTP'yi hidrolize eden G proteinleri ile ilişkilidir . İki aile arasında, özellikle Switch I ve Switch II alanı arasında birçok yapısal unsur paylaşılır.

Kinesin-1'in hareketli ve kendi kendini engelleyen biçimleri. Kendinden inhibe edilen konformasyon: Kuyruğun (yeşil) IAK bölgesi, kinesin-1'in enzimatik döngüsünü engellemek için motor alanlarına (sarı ve turuncu) bağlanır. Mobil konformasyon: Kuyruk bağlaması olmadığında, kinesin-1 motor alanları (sarı ve turuncu) mikrotübül (MT) boyunca serbestçe hareket edebilir . PDB2Y65; PDB 2Y5W.
Kinesin-1'in kendi kendini engellemesinin ayrıntılı görünümü (gösterilen iki olası konformasyondan biri). Vurgu: IAK bölgesinin pozitif yüklü kalıntıları (mavi), PDB 2Y65 motor alanlarının negatif yüklü kalıntıları (kırmızı) ile birden fazla yerde etkileşime girer

Temel kinesin düzenlemesi

Kinesinler, mikrotübül ile aktive edildiğinde önemli hale gelen düşük bazal enzimatik aktiviteye sahip olma eğilimindedir. Ek olarak, kinesin süper ailesinin birçok üyesi, kuyruk bölgesinin motor alanına bağlanmasıyla kendi kendini inhibe edebilir. Bu tür kendi kendini engelleme, daha sonra kargoya veya kargo adaptörlerine bağlanma gibi ek düzenlemeler yoluyla hafifletilebilir.

kargo taşımacılığı

Hücre, bu gibi gazları ve küçük moleküller, glikoz , yaygın ihtiyaç duyulan yere. Hücre gövdesinde sentezlenen büyük moleküller, veziküller gibi hücre içi bileşenler ve mitokondri gibi organeller , hedeflerine difüze olamayacak kadar büyüktür (ve sitozol çok kalabalıktır). Motor proteinler, hücre etrafındaki büyük kargoları gerekli varış yerlerine taşıma rolünü üstlenir. Kinesinler , her adımda bir molekül adenozin trifosfat (ATP) hidrolize ederek mikrotübül izleri boyunca tek yönlü yürüyerek bu tür kargoları taşıyan motor proteinlerdir . ATP hidrolizinin her adımı güçlendirdiği, serbest bırakılan enerjinin kafayı bir sonraki bağlanma bölgesine doğru ilerlettiği düşünülüyordu . Bununla birlikte, kafanın öne doğru yayıldığı ve yükü çeken şeyin mikrotübüle bağlanma kuvveti olduğu öne sürülmüştür. Ek olarak virüsler, örneğin HIV, montajdan sonra virüs partikülünün mekiğine izin vermek için kinesinlerden yararlanır.

In-vivo kargoların birden fazla motorla taşındığına dair önemli kanıtlar var.

Hareket yönü

Motor proteinleri, bir mikrotübül boyunca belirli bir yönde hareket eder. Mikrotübüller polardır; yani, kafalar mikrotübüle yalnızca bir yönde bağlanırken, ATP bağlanması boyun bağlayıcı fermuar olarak bilinen bir işlem yoluyla her adıma yönünü verir.

Kinesinin, anterograd taşıma/ortograd taşıma olarak da bilinen bir mikrotübülün artı (+) ucuna doğru kargoyu hareket ettirdiği önceden biliniyordu. Bununla birlikte, yakın zamanda, tomurcuklanan maya hücrelerinde kinesin Cin8'in (Kinesin-5 ailesinin bir üyesi) eksi uca doğru hareket edebileceği veya geriye doğru taşınabileceği keşfedilmiştir. Bu, bu benzersiz maya kinesin homotetramerlerinin çift yönlü hareket etme konusunda yeni bir yeteneğe sahip olduğu anlamına gelir. Kinesin, şimdiye kadar, bir grup içindeyken, mikrotübülleri ayırma girişiminde bulunan motorların antiparalel yönde kaymasıyla, yalnızca eksi uca doğru hareket ettiği gösterilmiştir. Bu ikili yönlülük, serbest Cin8 moleküllerinin eksi uca doğru hareket ettiği, ancak çapraz bağlı Cin8'in her çapraz bağlı mikrotübülün artı uçlarına doğru hareket ettiği aynı koşullarda gözlemlenmiştir. Spesifik bir çalışma, Cin8 motorlarının hareket hızını test etti ve sonuçları, mil kutupları yönünde yaklaşık 25-55 nm/sn'lik bir aralık verdi. Bireysel olarak, değişen iyonik koşullarla Cin8 motorlarının 380 nm/s'ye kadar hızlı olabileceği bulunmuştur. Cin8 ve Cut7 gibi maya kinesin-5 motorlarının çift yönlülüğünün, diğer Cin8 motorlarıyla eşleşmenin bir sonucu olduğu ve bu motorların insan homologunun aksine, dyneinin tomurcuklanan mayadaki rolünü yerine getirmeye yardımcı olduğu ileri sürülmektedir. yönlendirilmiş Eg5. Kinesin-14 ailesi proteinlerindeki (  Drosophila melanogaster NCD, tomurcuklanan maya KAR3 ve Arabidopsis thaliana  ATK5 gibi) bu keşif,  kinesinin mikrotübül eksi ucuna doğru ters yönde yürümesine izin verir. Bu, kinesin için tipik değildir, daha ziyade normal hareket yönünün bir istisnasıdır.

Kinesinin hareketliliğini gösteren diyagram.

Dineinler olarak bilinen başka bir motor protein türü  , mikrotübülün eksi ucuna doğru hareket eder. Böylece hücrenin çevresinden merkeze doğru kargo taşırlar. Bunun bir örneği, bir nöronal aksonun terminal butonlarından hücre gövdesine (soma) meydana gelen taşıma olabilir. Bu retrograd taşıma olarak bilinir  .

Önerilen hareket mekanizmaları

Kinesin, taşımayı bir mikrotübül boyunca "yürüyerek" gerçekleştirir. Bu hareketi açıklamak için iki mekanizma önerilmiştir.

  • "El-over-hand" mekanizmasında, kinesin kafaları, kurşun pozisyonunu değiştirerek birbirini geçer.
  • "İnç kurdu" mekanizmasında, bir kinesin kafası her zaman önde gelir ve arkadaki kafa yakalamadan önce bir adım ileri gider.

Kalan bazı tartışmalara rağmen, artan deneysel kanıtlar, elden ele geçirme mekanizmasına daha muhtemel olarak işaret ediyor.

ATP bağlanması ve hidroliz, kinesinin bir pivot noktası etrafında bir "tahterevalli mekanizması" yoluyla hareket etmesine neden olur. Bu tahterevalli mekanizması, ATP'nin nükleotitsiz, mikrotübüle bağlı duruma bağlanmasının, mikrotübüle göre kinesin motor alanının eğilmesiyle sonuçlandığı gözlemlerini açıklar. Kritik olarak, bu eğilmeden önce boyun bağlayıcı, motor kafasına yerleştirilmiş, öne bakan biçimini benimseyemez. ATP'nin neden olduğu eğme, boyun bağlayıcının bu öne bakan konformasyonda kenetlenmesi için fırsat sağlar. Bu model, sürecin başlangıç ​​ve bitiş durumlarını temsil eden, ancak yapılar arasındaki geçişin kesin ayrıntılarını çözemeyen mikrotübüle bağlı kinesin yapısının CRYO-EM modellerine dayanmaktadır.

teorik modelleme

Moleküler motor protein kinesinin bir dizi teorik modeli önerilmiştir. Protein yapılarının rolleri, ATP'den gelen enerjinin mekanik işe dönüştürülmesinin kesin yolu ve termal dalgalanmaların oynadığı roller hakkında kalan belirsizlikler göz önüne alındığında, teorik araştırmalarda birçok zorlukla karşılaşılmaktadır. Bu oldukça aktif bir araştırma alanıdır. Özellikle proteinin moleküler mimarisi ve deneysel araştırmalardan elde edilen verilerle daha iyi bağlantı kuran yaklaşımlara ihtiyaç vardır.

Tek moleküllü dinamikler zaten iyi tanımlanmış, ancak bu nano ölçekli makinelerin tipik olarak büyük ekipler halinde çalıştığı görülüyor.

Tek molekül dinamiği, motorun farklı kimyasal durumlarına ve mekanik adımları hakkındaki gözlemlere dayanır. Küçük adenozin difosfat konsantrasyonları için, motorun davranışı, motorun durma kuvvetini belirleyen iki kemomekanik motor çevriminin rekabeti tarafından yönetilir. Büyük ADP konsantrasyonları için üçüncü bir döngü önemli hale gelir. Tek çevrimli modeller de tartışılmıştır. Seiferth et al. Bitişik durumlar çok döngülü bir modelde birleştirildiğinde, bir motorun hız veya entropi üretimi gibi miktarların, sonunda döngü sayısı azalana kadar nasıl değiştiğini gösterdi.

Son deneysel araştırmalar, kinesinlerin mikrotübüller boyunca hareket ederken birbirleriyle etkileşime girdiğini, etkileşimlerin kısa menzilli ve zayıf çekici (1.6±0.5 K B T) olduğunu göstermiştir. Geliştirilen bir model, dinamik oranların etkileşim enerjisine göre değiştiği bu parçacık etkileşimlerini hesaba katar. Enerji pozitifse, bağ oluşturma hızı (q) daha yüksek olurken, bağ kırma hızı (r) daha düşük olacaktır. Mikrotübüle giriş ve çıkış oranlarının da enerji tarafından değişeceği anlaşılabilir (bkz. referans 30'daki şekil 1). İkinci site doluysa giriş oranı α*q olacak ve son ancak bir site doluysa çıkış oranı β*r olacaktır. Bu teorik yaklaşım, özellikle çok büyük negatif enerjinin sınırlayıcı durumu için bu model için Monte Carlo simülasyonlarının sonuçlarıyla uyumludur. (veya TASEP) sonuçları için normal tamamen asimetrik basit dışlama işlemi, enerjiyi sıfıra eşitleyerek bu modelden geri kazanılabilir.

mitoz

Son yıllarda, (kinesinlerin bir numarası dahil) mikrotübül tabanlı moleküler motorlar bir role sahip olduğu bulunmuştur mitoz (hücre bölünmesi). Kinesinler uygun iğ uzunluğu için önemlidir ve prometafaz ve metafaz sırasında iğ içinde mikrotübüllerin birbirinden kaymasında ve ayrıca anafaz sırasında sentrozomlarda mikrotübül eksi uçlarının depolimerize edilmesinde rol oynar. Spesifik olarak, Kinesin-5 ailesi proteinleri iğ içinde mikrotübülleri birbirinden kaydırmak için hareket ederken, Kinesin 13 ailesi mikrotübülleri depolimerize etmek için hareket eder.

Kinesin süper aile üyeleri

İnsan kinesin süper ailesi üyeleri, kinesin araştırmacıları topluluğu tarafından geliştirilen standart terminolojide kinesin-1 ila kinesin-14 olarak adlandırılan 14 ailede düzenlenen aşağıdaki proteinleri içerir:

kinesin-1 hafif zincirleri:

kinesin-2 ile ilişkili protein:

  • KIFAP3 (KAP-1, KAP3 olarak da bilinir)

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar