Различные формы биологической подвижности Механизмы
advertisement
Различные формы биологической подвижности Механизмы регуляции сократительной активности Николай Борисович Гусев Кафедра биохимии биологического факультета МГУ Структура и свойства миозина и некоторых других биологических моторов • • • • • • • • Строение саркомера Ультраструктура миозина II Упаковка миозина в филаменты Минорные белки миозинового филамента (миомезин, М- и Сбелок, АМР-дезаминаза, титин) Моторный домен миозина Классификация миозинов. Необычные виды миозина. «Миозиновое безумие» Строение и свойства кинезина и динеина Сравнение различных типов биологических «моторов» Схема строения поперечно-полосатой мышцы Схемы строения саркомера (вверху), миозинового филамента (в середине) и миозина (внизу) Схема строения и механизм упаковки молекул миозина Один из возможных способов упаковки толстых филаментов Положение М-линии и строение М-мостиков Agarkova, Perriard TiCB 15, 477,2005 Трехмерная структура М-линии Agarkova, Perriard TiCB 15, 477,2005 Упрощенная схема строения миозинового филамента Craig, Woodhead, Cur. Op. Struct. Biol. 16, 204, 2006 Титин как эластичный компонент саркомера Gregorio, Antin TiCellBiol. 10, 355, 2000 Структура титина В состав титина входит: 132 копии примерно 100-членных фиброннектиновых доменов типа III, 166 копий примерно 90-95-членных иммуноглобулиновых доменов. Вместе эти домены покрывают около 90% последовательности титина Каждый из этих доменов представляет собой компактную глобулярную структуру. Состоящую из 7 антипараллельных -складок Участие титина в формировании саркомера Gregorio, Antin TiCellBiol. 10, 355, 2000 Многоликий миозин Трехмерная структура головки миозина Схема «рабочего цикла» головки миозина Упрощенная схема Лимна и Тейлора и предполагаемые конформационные изменения в головке миозина Кубасова, Цатурян, Успехи биол.химии, 2011 Гипотетический механизм движения головки миозина по актину Механизм функционирования головки миозина Зависимость размера шага от длины шейки миозина Упрощенная схема функционирования миозинового филамента Схема, объясняющая механизм функционирования процессирующих и не процессирующих миозинов De La Cruz, Ostap, Curr.Op.Cell Biol. 16, 61, 2004 Филогенетическое древо миозинов (представлено 24 класса миозинов) Foth et al., PNAS103, 3681, 2006. Современные представления о количестве различных изоформ миозина в каждом из 35 классов миозинов В геноме человека 39 генов миозина, относящихся к 12 классам Ordonitz, Kolmar Genome Biology 8, R196, 2007 Доменная структура представителей 35 классов описанных в настоящее время миозинов Ordonitz, Kolmar Genome Biology 8, R196, 2007 Схема строения некоторых миозинов Возможный механизм функционирования «одноголового» миозина Различия в направлении перемещения обычного миозина и миозина VI обусловлены наличием специального конвертера и изменением ориентации рычага после силового толчка Rodriguez, Cheney, Trends Cell Biol 10, 307, 2000 Участие миозина VI в формировании стереоцилий (а) дроблении яйца (b) и сперматогенезе Drosophila Rodriguez, Cheney, Trends Cell Biol 10, 307, 2000 Участие миозина VI в сперматогенезе дрозофилы (a,b), образовании стереоцилиев у мышей (c,d) и асимметричном делении сперматоцитов C.elegans (e,f) Frank et al., Cur. Op. Cell Biol. 16, 189, 2004 МОТОРЫ, ОТЛИЧНЫЕ ОТ МИОЗИНА Схема антероградного и ретроградного движения по микротрубочка м и протеинкиназы, участвующие в регуляции перемещения органелл Gibbs et al., TIBS 40, 597, 2015 Схема строения и возможный механизм функционирования «классического» кинезина Сравнение структуры кинезина и миозина V Механизмы регуляции KR1 – зависимое от груза (cargo) сворачивание цепи кинезина. KR2 – зависимое от кальция связывание кальмодулина с легкой цепью кинезина-1. KR3 – фосфорилирование белков, ассоциированных с кинезином-1. KR4 – фосфорилирование тяжелых цепей кинезина. MR1 – связывание кальция индуцирует изменение структуры «мотора». MR2 - связывание груза (cargo) влияет на структуру белка (Mallik, Cross, Current Biol. 14, R971, 2004) Модель «шагания» для кинезина (а) и динеина (b) Gennerich, Vale, Curr Op. Cell Biol. 21, 59-67, 2009 a) b) В случае кинезина индуцированные нуклеотидом конформационные изменения в прочно связанной головке выталкивают слабо связанную головку по направлению к + концу микротрубочки. Отстающая головка делает шаг в 16 нм, а центр масс перемещается на 8 нм. В случае динеина нуклеотид-зависимое изменение в структуре линкера в прочно связанной ААА+ конструкции выталкивает слабо связанную ААА+ конструкцию по направлению к – концу микротрубочки. Вторая ААА+ головка закрепляется на микротрубочке, что приводит в перемещению центра масс на 8 нм. В случае динеина шаг может варьировать в интервале от 4 до 24 нм и зависит от величины нагрузки Схема строения различных представителей семейства кинезинов Как правило каталитический домен располагается в Nконцевой части молекулы, но есть случаи когда моторный домен находится и в С-концевой части молекулы Hirokawa Physiol Rev.2008 Механизмы регуляции антероградного движения HTT, хантингтин, APP, предшественник амилоидных пептидов, TRK, тирозиновые киназы, MIRO , адаптерный белок, RAB малый G-белок, JIP, адаптерный белок и белок-платформа для JNK Gibbs et al., TIBS 40, 597, 2015 Галерея различных грузов, транспортируемых кинезинами в клетке. Показаны также белки, участвующих в закреплении грузов Hirokawa Physiol Rev.2008 Схема строения обычного кинезина (а) и цитоплазматического динеина (b) Gennerich, Vale, Curr Op. Cell Biol. 21, 59-67, 2009 Архитектура динеинового мотора Обозначен линкер (фиолетовый), 6 А доменов (часть из которых состоит из большого и малого субдоменов), стебелек, обеспечивающий связывание с микротрубочками и «балка», обеспечивающая связывание стебелька с кольцом А доменов A.P. Carter JCS, 126,705-713, 2013 Гипотетические механизм функционирования моторной части динеина Согласно первой модели (А) в одном из положений хвост (зеленый) и тубулин-связывающий центр (малиновый) удалены друг от друга. Гидролиз АТР сопровождается перемещением стебелька и поворотом глобулярной части, обеспечивая толкательное движение. Согласно второй модели (В) (модель лебедки) происходит сокращение линкера (обозначен фиолетовым), что приводит к общему уменьшению размера динеина и генерации усилия. Sakakibara, Oiwa FEBS J. 2011 Постулируемый рабочий цикл динеина Стадия 1, АДР освободилась, произошли конформационные изменения в кольце А доменов, но линкер остался в после рабочем состоянии, динеин пока связан с микротрубочками. Стадия 2, произошло связывание АТР, динеин отделился от микротрубочек, линкер перешел в пред рабочее состояние. Стадия 3, мотор диффундировал на новое положение на тубулине, линкер осуществляет рабочий шаг (power stroke) и возвращается в сове исходное состояние Модель процессивного движения динеина по поверхности микротрубочки Sakakibara, Oiwa FEBS J. 2011 Схема перемещения динеина по микротрубочек (вид сбоку и вид сверх) Состояние1. Оба мотора находятся в состоянии пост рабочего цикла. Стадия 2.Отстающий мотор освободился от микротрубочки и почти с равной вероятностью может сделать либо шаг вперед, либо шаг назад. Стадия 3. Синяя головка закрепилась на микротрубочке и совершила рабочий шаг, что потянуло за собой отставшую желтую головку A.P. Carter JCS, 126,705-713, 2013 Ретроградное движение, обеспечиваемое динеином Gibbs et al., TIBS 40, 597, 2015 «Портреты» трех основных белков моторов А. Миозин V. Моторная часть, показана темно синим, подвижная длинная «шея» обозначена светло синим, участок димеризации обозначен серым, участки прикрепления грузов - фиолетовым В. Кинезин. Обозначения сохранены. Короткий подвижный пептид обозначен светло-синим цветом, легкие цепи обозначены зеленым С. Цитоплазматический динеин На стебельке располагается участок связывания тубулина, АТР-азные центры обозначены темно синим, перемещающийся участок, светло синим, темно и светло зеленым обозначены промежуточные и легки цепи. Приблизительно сохранен масштаб. Carter JCS, 126,705-713, 2013 Схематическая структура различных типов белков-моторов Актин - белок, обеспечивающий перемещение миозина (белок «рельсов») Структура мономерного и полимерного актина Структура мономерного и полимерного актина Lee, Dominguez Molecules and Cells 29, 311-325, 2010 В структуре глобулярного актина видны четыре субдомена (1-4) и две щели. В верхней щели связывается адениловый нуклеотид, нижняя щель (гидрофобный карман) обеспечивает взаимодействие с белками-мишенями. Гидролиз АТР приводит к изменениям структуры гидрофобного кармана и модулирует структуру Fактина и его взаимодействие с белкамимишенями. Петля D играет важную роль в формировании филамента потому что она связывается с соседним (верхним) мономером актина. Нить актина асимметрична – на остром конце обнаженными оказываются субдомены 2 и 4 и на этом конце скорость полимеризации замедлена. На тупом конце обнажены 1 и 3 субдомены и на этом конце вероятность полимеризации и роста актинового филамента заметно увеличена. Кофилин (c) вызывает деполимеизацию актина, а профилин (p) играет важную роль в обмене ADP на ATP Полимеризация и деполимеризация актина Перемещение некоторых паразитов в клетках млекопитающих Curr.Opinion in Microbiol. 8, 35, 2005 Возможный механизм перемещения листерий Гипотетический механизм формирования филоподии Гипотетический механизм формирования ламеллоподии Управляемая полимеризация актина Сопоставление механизмов полимеризации актина с участием Arp2/3 и формина Механизм антикэпирующего действия белков ENA/VASP A.Тетрамеры ENA связаны с пучком актиновых филаментов. Взаимодействие с мембранными белками, имеющими мотив FPPPP позиционирует ENA В. Расположенные рядом Gи F-актин-связывающие центры обеспечивают упорядоченную адресацию и полимеризацию актина Bear JE, Gertler FB J. Cell Sci. 122, 1947, 2009 Упрощенная схема полимеризации актина, и роль различных актин-связывающих белков в формировании цитосклета Возможная классификация актин-связывающих белков Классы Некоторые представители Белки, связывающие G-актин Профилин Тимозин Cap - Кофилин ДНКаза I Акументин Тропомодулин Cap + СapZ Фрагмин Гельзолин Северин «Разрезающие» Гельзолин Северин Фрагмин «Сшивающие» -актинин Филамин Виллин Фимбрин Белки, участвующие в прикреплении актина к мембране Белки, располагающиеся вдоль актинового филамента Спектрин Дистрофин Утрофин Белки семейства FERM Миозин I Анкирин Тропомиозин Кальдесмон Тропонин Небулин Гликолитические ферменты Тропомодулин и регуляция длины актиновых филаментов Расположение небулина на нитях актина McElhinny et al., Trends in Cardiovasc. Med. 13, 195, 2003 Схема строения небулина Небулин (500-900 кДа). N-конец – в центре саркомера, С-конец – в Z-диске. М1-М8 обеспечивает связывание тропомодулина, М9-М162 – 7-модульные повторы, повторенные 22 раза. Каждый из 22 повторов содержит 7 участков связывания актина и 1 участок связывания тропомиозина. М163-170 содержит участки связывания промежуточных филаментов. На самом С-конце располагаются участки связывания миопалладина и других белков Z-диска McElhinny et al., Trends in Cardiovasc. Med. 13, 195, 2003 Схема строения тонкого филамента скелетных мышц Механизмы регуляции клеточной подвижности и мышечного сокращения Каналы и транспортные системы, участвующие в регуляции уровня кальция в клетке Gifford et al. Biochem. J. 405, 199-221, 2007 Белки семейства EF-руки (преимущественно внутриклеточные с высоким сродством к кальцию) • Описано 66 подклассов и более 3000 представителей в банке данных NCBI Схема строения Са-связывающих участков парвальбуминов Схема строения изолированного Са-связывающего участка Схема конформационных изменений структуры тропонина С, индуцированные связыванием кальция Схема взаимодействия кальмодулина с амфифильной спиралью киназы легких цепей миозина Одна из возможных моделей регуляции активности кальмодулин-зависимых ферментов Актиновый и миозиновый типы регуляции, и гипотетическая схема миозинового типа регуляции Гипотетическая схема участия киназы легких цепей миозин в регуляции сокращения гладких мышц Молекулярный механизм активации киназы легких цепей миозина K.E.Kamm, J.T Stull, JBC 286, 9941-9947, 2011 Схема взаимодействия кальмодулина с киназой легких цепей миозина Соотношение активностей киназы и фосфатазы легких цепей миозина влияет на уровень фосфорилирования легких цепей и сократительную активность Grassie at al. ABB 510, 147, 2011 Схема строения кальдесмона Kodrowska et al., J. Biomed. Sci. 13, 159, 2006 Схема строения актинового филамента с расположенными на нем тропомиозином и кальдесмоном Возможный механизм регуляции состояния актинового филамента кальдесмоном Гипотетический механизм функционирования тропонина по данным рентгеноструктурного анализа Takeda et al., Nature 423, 35-41, 2003 Гипотетический механизм регуляции тонких филаментов тропониновым комплексом Li et al., J.Muscle Res.Cell Motility 25, 559-579, 2004 Гипотетический механизм регуляции сокращения тропонин-тропомиозиновым комплексом Некоторые фармакологические соединения, взаимодействующие с тропонином С и влияющие на его сродство к ионам кальция M.X. Li, P.M.Hwang Gene 2015 Участки связывания некоторых фармакологических соединений с тропонином С сердца Li et al., J.Muscle Res.Cell Motility 25, 559-579, 2004 Эпигалокатехин галлат, наиболее представленный катехин чая, выступает в качестве Са-десенсизатора сердечного сокращения Коварные фармакологические соединения J.Baell, M.A.Walters, Nature 513,481, 2014 Механизм действия многоатомных спиртов трудно предсказуем . J Baell, M.A.Walters, Nature 513,481, 2014 ВЫВОДЫ • • • • В клетке есть несколько типов белков моторов (миозин, кинезин, динеин), которые способны преобразовывать энергию АТР в механическую работу Белки-моторы перемещаются по «рельсам», образованным нитями актина или микротрубочками. Каждый из моторов перемещается в строго определенном направлении по типу «шаг за шагом» или осуществляя «прыжки» Движение моторов регулируется протеинкиназами и специальными Са-связывающими белками
