Молекулярные механизмы мышечного сокращения
advertisement
Молекулярные механизмы мышечного сокращения Николай Борисович Гусев План • Ультраструктура сократительного аппарата • Структура миозина II • Упаковка миозина в филаменты • Некоторые минорные белки миозинового филамента • Моторный домен миозина и современные представления о его функционировании • Классификация миозина. Необычные виды миозина. «Миозиновое безумие» • Биологические «моторы», отличные от миозина • Строение актина и механизмы его полимеризации • Актин-связывающие белки • Са-связывающие белки и регуляция сокращения на уровне сократительного аппарата • Миозиновый тип регуляции • Актиновый тип регуляции Схема строения поперечнополосатой 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 Упаковка молекул миозина в составе толстого филамента и роль титина в правильной упаковке толстого филамента Metzler, Biochemistry, 2010 Упрощенная схема строения миозинового филамента Craig, Woodhead, Cur. Op. Struct. Biol. 16, 204, 2006 Положение М-линии и строение М-мостиков Agarkova, Perriard TiCB 15, 477,2005 Трехмерная структура М-линии Agarkova, Perriard TiCB 15, 477,2005 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 струкутуру. Состоящую из 7 антипараллельных складок Участие титина в формировании саркомера Gregorio, Antin TiCellBiol. 10, 355, 2000 Моторный домен миозина и современные представления о его функционировании 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 Механизм функционирова ния головки миозина Зависимость размера шага от длины шейки Упрощенная схема функционирования миозинового филамента Классификация миозина. Необычные виды миозина. «Миозиновое безумие» Строение некоторых представителей семейства миозинов Филогенетическое древо миозинов (представлено 24 класса миозинов) Foth et al., PNAS103, 3681, 2006. Схема строения некоторых миозинов Схема, объясняющая механизм функционирования процессирующих и не процессирующих миозинов De La Cruz, Ostap, Curr.Op.Cell Biol. 16, 61, 2004 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 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 Биологические «моторы», отличные от миозина 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 Перемещение органелл внутри клетки Схема строения обычного кинезина (а) и цитоплазматического динеина (b) Gennerich, Vale, Curr Op. Cell Biol. 21, 59-67, 2009 Схема строения динеина Sakakibara, Oiwa FEBS J. 2011 Гипотетический механизм функционирования моторной части динеина В отсутствие нагрузки (два верхних рисунка) АТР связан только с доменом 1, сцепление между доменами 1-4 достаточно слабое, длина шага 32 нм. При приложении нагрузки (два нижних рисунка) АТР связывается с доменам 1-4 и изменяет их структуру, сцепление между доменами 1-4 усиливается, длина шага укорачивается до 8 нм, но генерируемое усилие заметно возрастает (толстая, жесткая пружина). (Mallik et al., Nature 427, 649, 2004). 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 Общая архитектура различных биологических моторов Tekotte, Davis, Trends in Genetics, 18, 636, 2002 Схематическая структура различных типов белков-моторов Строение актина и механизмы его полимеризации 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 Гипотетический механизм участия ENA/VASP в регулируемой полимеризации актина Ferron et al., EMBO J 2007, 26, 4597-4606 А. ENA/VASP рекрутируется на определенных участках мембраны за счет связывания EVH1 домена с белками, имеющими последовательность FPPPP (зиксин, палладин, винкулин, ламелиподин и др.) Эти белки либо напрямую, либо через белки-посредники взаимодействуют с мембраной. За счет своего домена EVH2 ENA/Vasp образует тетрамеры. В каждом мономере есть полипролиновый участок, обеспечивающий связывание профилактина и повышение локальной концентрации актина около растущего тупого конца актинового филамента. В. Механизм роста нити актина. На первой стадии полипролиновый домен обеспечивает рекрутирование профилактина, на второй стадии происходит зарядка G-актинсвязывающего центра(GAB), на третьей стадии мономер актина присоединяется к нити актина, которая остается прикрепленной к F-актинсвязывающему центру (FAB) Актин-связывающие белки Упрощенная схема полимеризации актина, и роль различных актин-связывающих белков в формировании цитосклета Классы Белки, связывающие Gактин Cap Cap + Некоторые представители Профилин Тимозин Кофилин ДНКаза I Акументин Тропомодулин СapZ Фрагмин Гельзолин Северин «Разрезающие» Гельзолин Северин Фрагмин «Сшивающие» -актинин Виллин Филамин Фимбрин Белки, участвующие в прикреплении актина к мембране Спектрин Дистрофин Утрофин Белки семейства FERM Миозин I Анкирин Белки, располагающиеся вдоль актинового филамента Тропомиозин Кальдесмон Тропонин Небулин Гликолитические ферменты Возможная классификация актинсвязывающих белков Тропомодулин и регуляция длины актиновых филаментов Расположение небулина на нитях актина McElhinny et al., Trends in Cardiovasc. Med. 13, 195, 2003 Схема строения небулина McElhinny et al., Trends in Cardiovasc. Med. 13, 195, 2003 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 Схема строения тонкого филамента скелетных мышц Са-связывающие белки и регуляция сокращения на уровне сократительного аппарата 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 кальмодулинзависимых ферментов Миозиновый тип регуляции Актиновый и миозиновый типы регуляции, и гипотетическая схема миозинового типа регуляции Схема строения Са-связывающего участка миозина моллюсков Szent-Gyorgyi, Biophys. Chem. 59, 357-363, 1996 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 Актиновый тип регуляции 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 Состав и некоторые свойства компонентов тропонина Название Тропонин С Тропонин I Тропонин Т связывание Са2+ (С) ингибирование (I) АТРазы связывание тропомиозина (Т) Мол.масса (кДа) pI 16-18 20-24 30-36 4.3-4.5 Более 8 6-8 Фосфорилирование Нет ? да да Некоторые свойства 3 формы с разными параметрами связывания кальция Фосфорилирование влияет на параметры связывания кальция Альтернативный сплайсинг (до 256 возможных изоформ), ограниченный протеолиз Гипотетический механизм регуляции тонких филаментов тропониновым комплексом Li et al., J.Muscle Res.Cell Motility 25, 559-579, 2004 Гипотетический механизм регуляции сокращения тропонинтропомиозиновым комплексом Участки связывания некоторых фармакологических соединений с тропонином С сердца Li et al., J.Muscle Res.Cell Motility 25, 559-579, 2004 Строение титина в составе саркомера и атомная структура титиновых доменов Показаны две нитки сердечной изоформы N2BA титина M.Kruger, W.A. Linke JBC 286, 9905, 2011 Возможные пути сигнализации, затрагивающие титин в миофибриллах кардиомиоцитов M.Kruger, W.A. Linke JBC 286, 9905, 2011 Участие миозинов в различных процессах, протекающих в клетке Участие миозина VI в формировании стереоцилий (а) дроблении яйца (b) и сперматогенезе Drosophila Rodriguez, Cheney, Trends Cell Biol 10, 307, 2000 Модель процессивного движения динеина по поверхности микротрубочки Sakakibara, Oiwa FEBS J. 2011 Галерея различных грузов, транспортируемых кинезинами в клетке. Показаны также белки, участвующих в закреплении грузов Hirokawa Physiol Rev.2008 Схема строения кальдесмона Гипотетический механизм функционирования тропонина по данным рентгеноструктурного анализа Takeda et al., Nature 423, 35-41, 2003
