Kinesin - Kinesin

Kinesinový dimer (červený) se váže na mikrotubuly (modrý a zelený) a pohybuje se po nich.
Animace „chůze“ kinesinu na mikrotubulu

Kinesin je protein náležející do třídy motorových proteinů, nalezené v eukaryotických buňkách.

Kineziny se pohybují po vláknech mikrotubulů (MT) a jsou poháněny hydrolýzou adenosintrifosfátu (ATP) (kineziny jsou tedy ATPázy , typ enzymu). Aktivní pohyb kinesinů podporuje několik buněčných funkcí včetně mitózy , meiózy a transportu buněčného nákladu, například při axonálním transportu . Většina kinezinů směřuje k plusovému konci mikrotubulů, což ve většině buněk znamená transport nákladu, jako jsou bílkovinné a membránové komponenty, ze středu buňky směrem k periferii. Tato forma dopravy je známá jako anterográdní doprava . Naproti tomu dyneiny jsou motorické proteiny, které se pohybují směrem k mínusovému konci mikrotubulů v retrográdním transportu .

Objev

Kinesiny byly objeveny v roce 1985 na základě jejich pohyblivosti v cytoplazmě vytlačené z obřího axonu chobotnice.

Ukázalo se, že jsou anterográdními intracelulárními transportními motory na bázi MT. Zakládající člen této superrodiny, kinesin-1, byl izolován jako heterotetramerní rychlý axonální organelní transportní motor skládající se ze 2 identických motorických podjednotek (KHC) a 2 "lehkých řetězců" (KLC) pomocí afinitní purifikace mikrotubulů z extraktů neuronálních buněk. Následně byl z extraktu z vajíčka/embrya ostnokožce purifikován jiný, heterotrimerický motor na bázi MT zaměřený na plus s názvem kinesin-2, skládající se ze 2 odlišných motorických podjednotek souvisejících s KHC a doplňkové podjednotky „KAP“. jeho role v transportu proteinových komplexů (částice IFT) podél axonémů během biogeneze cilium . Molekulárně genetické a genomické přístupy vedly k poznání, že kineziny tvoří různorodou superrodinu motorů, které jsou zodpovědné za mnoho událostí intracelulární motility v eukaryotických buňkách. Například genomy savců kódují více než 40 proteinů kinesinu, uspořádaných do nejméně 14 rodin pojmenovaných kinesin-1 až kinesin-14.

Struktura

Celková struktura

Členy superrodiny kinesinů se liší tvarem, ale prototyp motoru kinesin-1 se skládá ze dvou molekul Kinesin Heavy Chain (KHC), které tvoří proteinový dimer (pár molekul), který váže dva lehké řetězce (KLC), které jsou jedinečné pro různá náklada.

Těžký řetězec kinesinu-1 obsahuje kulovitou hlavu (motorovou doménu) na aminoterminálním konci spojenou krátkým, flexibilním krčním linkerem se stopkou -dlouhou, centrální alfa-šroubovicovou vinutou doménou cívky -která končí karboxylovým koncem ocasní doména, která se spojuje s lehkými řetězci. Stonky dvou KHC se proplétají a tvoří vinutou cívku, která řídí dimerizaci dvou KHC. Ve většině případů se přepravovaný náklad váže na kinesinové lehké řetězce v sekvenci motivu TPR KLC, ale v některých případech se náklad váže na C-koncové domény těžkých řetězců.

Kinesinová motorová doména

Kinesinová motorová doména
Motorová doména Kinesin 1BG2.png
Krystalografická struktura motorické domény lidského kinesinu znázorněná jako duhově zbarvená karikatura ( N-konec = modrá, C-konec = červená) v komplexu s ADP (stick diagram, uhlík = bílý, kyslík = červený, dusík = modrý, fosfor = oranžový) a iont hořčíku (šedá koule).
Identifikátory
Symbol Kinesinová motorová doména
Pfam PF00225
InterPro IPR001752
CHYTRÝ SM00129
PROSITE PS50067
SCOP2 1bg2 / SCOPe / SUPFAM
CDD cd00106

Hlava je podpisem kinesinu a jeho aminokyselinová sekvence je mezi různými kineziny dobře zachována. Každá hlava má dvě oddělená vazebná místa : jedno pro mikrotubuly a druhé pro ATP. Vazba ATP a hydrolýza, stejně jako uvolňování ADP mění konformaci domén vázajících mikrotubuly a orientaci spojky krku vzhledem k hlavě; to má za následek pohyb kinezinu. Několik strukturálních prvků v hlavě, včetně centrální beta-listové domény a domén Switch I a II, se podílelo na zprostředkování interakcí mezi dvěma vazebnými místy a krční doménou. Kineziny jsou strukturně příbuzné G proteinům , které hydrolyzují GTP místo ATP. Mezi těmito dvěma rodinami je sdíleno několik strukturálních prvků, zejména doména Switch I a Switch II.

Mobilní a samoinhibované konformace kinesinu-1. Samoinhibovaná konformace: IAK oblast ocasu (zelená) se váže na motorické domény (žlutá a oranžová), aby inhibovala enzymatický cyklus kinesinu-1. Mobilní konformace: Bez vazby na ocas se motorické domény kinesinu-1 (žluté a oranžové) mohou volně pohybovat podél mikrotubulů (MT). PDB 2Y65; PDB 2Y5W.
Podrobný pohled na vlastní inhibici kinesinu-1 (ukázána jedna ze dvou možných konformací). Zvýraznění: kladně nabité zbytky (modré) oblasti IAK interagují na více místech se záporně nabitými zbytky (červené) motorových domén PDB 2Y65

Základní regulace kinezinu

Kineziny mívají nízkou bazální enzymatickou aktivitu, která se stává významnou, když je aktivována mikrotubuly. Kromě toho lze mnoho členů superrodiny kinesinů samoinhibovat vazbou ocasní domény na motorickou doménu. Takové samoinhibice pak může být uvolněna dodatečnou regulací, jako je vazba na náklad nebo nákladní adaptéry.

Nákladní doprava

V buňce malé molekuly, jako jsou plyny a glukóza , difundují tam, kde jsou potřeba. Velké molekuly syntetizované v buněčném těle, intracelulární složky, jako jsou vezikuly a organely, jako jsou mitochondrie, jsou příliš velké (a cytosol příliš přeplněný), aby mohly difundovat do svých destinací. Motorické proteiny plní úlohu transportu velkého nákladu kolem buňky do požadovaných destinací. Kineziny jsou motorické proteiny, které přepravují takový náklad jednosměrně po stopách mikrotubulů hydrolyzujících v každém kroku jednu molekulu adenosintrifosfátu (ATP). Předpokládalo se, že hydrolýza ATP poháněla každý krok, uvolněná energie poháněla hlavu dopředu k dalšímu vazebnému místu. Bylo však navrženo, aby hlava difundovala dopředu a síla vazby k mikrotubulu je to, co táhne náklad. Kromě toho viry, například HIV, využívají kineziny, aby umožnily přenos částic viru po sestavení.

Existuje významný důkaz, že náklad in vivo je přepravován více motory.

Směr pohybu

Motorické proteiny cestují určitým směrem podél mikrotubulů. Mikrotubuly jsou polární; což znamená, že hlavy se váží na mikrotubule pouze v jedné orientaci, zatímco vazba ATP dává každému kroku svůj směr prostřednictvím procesu známého jako zipové spojování krku.

Již dříve bylo známo, že kinesin pohybuje nákladem směrem k plus (+) konci mikrotubulů, známým také jako anterográdní transport/ortogradní transport. Nedávno však bylo objeveno, že v pučících kvasinkových buňkách se kinezin Cin8 (člen rodiny Kinesin-5) může pohybovat také směrem k mínusovému konci nebo retrográdnímu transportu. To znamená, že tyto jedinečné kvasinkové kinesinové homotetramery mají novou schopnost obousměrného pohybu. Kinesin byl doposud ukázán, že se pohybuje směrem k mínusovému konci, když je ve skupině, přičemž motory klouzají v antiparalelním směru ve snaze oddělit mikrotubuly. Tato duální směrovost byla pozorována za stejných podmínek, kdy se volné molekuly Cin8 pohybují směrem k mínusovému konci, ale zesíťující Cin8 se pohybují směrem ke kladným koncům každého zesíťovaného mikrotubulu. Jedna konkrétní studie testovala rychlost, jakou se motory Cin8 pohybovaly, jejich výsledky poskytly rozsah asi 25-55 nm/s, ve směru pólů vřetena. Na individuálním základě bylo zjištěno, že v různých iontových podmínkách mohou být motory Cin8 tak rychlé jako 380 nm/s. Navrhuje se, že obousměrnost kvasinkových motorů kinesin-5, jako jsou Cin8 a Cut7, je výsledkem spojení s jinými motory Cin8 a pomáhá plnit úlohu dyneinu v pučících kvasinkách, na rozdíl od lidského homologu těchto motorů, plus režie Např. Tento objev v proteinech rodiny kinesinů -14 (jako je  Drosophila melanogaster NCD, pučící kvasinky KAR3 a  Arabidopsis thaliana  ATK5) umožňuje kinesinu kráčet opačným směrem, směrem k mínus konci mikrotubulů. To není pro kinezin typické, je to spíše výjimka z normálního směru pohybu.

Diagram ilustrující pohyblivost kinesinu.

Jiný typ motorického proteinu, známý jako  dyneiny , se pohybuje směrem k zápornému konci mikrotubulů. Přepravují tedy náklad z periferie buňky směrem do centra. Příkladem toho může být transport probíhající z terminálních boutonů neuronálního axonu do těla buňky (soma). Toto je známé jako  retrográdní doprava .

Navrhované mechanismy pohybu

Kinesin dosahuje transportu „chůzí“ podél mikrotubulů. Pro tento pohyb byly navrženy dva mechanismy.

  • V mechanismu „hand-over-hand“ kinezinové hlavy přecházejí jeden vedle druhého a střídají vedoucí pozici.
  • V mechanismu „inchworm“ vždy vede jedna kinezinová hlava, která se pohybuje o krok vpřed, než dohání vlečená hlava.

Navzdory přetrvávajícím kontroverzím ukazuje narůstající experimentální důkaz na mechanismus hand-over-hand jako pravděpodobnější.

Vazba ATP a hydrolýza způsobují, že kinezin cestuje „houpacím mechanismem“ kolem bodu otáčení. Tento mechanismus houpačky odpovídá za pozorování, že vazba ATP na nenukleotidový stav vázaný na mikrotubule vede k naklonění motorické domény kinesinu vzhledem k mikrotubulu. Kriticky není před tímto nakloněním spojka krku schopna přijmout svou kupírovanou, dopředu směřující konformaci hlavy motoru. Naklápění vyvolané ATP poskytuje příležitost pro krk linker zakotvit v této dopředu směřující konformaci. Tento model je založen na modelech CRYO-EM struktury kinesinu vázané na mikrotubuly, které představují počáteční a koncový stav procesu, ale nemohou vyřešit přesné detaily přechodu mezi strukturami.

Teoretické modelování

Byla navržena řada teoretických modelů molekulárně motorického proteinového kinesinu. Vzhledem k zbývajícím nejistotám ohledně rolí proteinových struktur, přesného způsobu přeměny energie z ATP na mechanickou práci a rolí, které hrají tepelné fluktuace, se v teoretických výzkumech setkáváme s mnoha problémy. Jedná se o poměrně aktivní oblast výzkumu. Zejména jsou potřeba přístupy, které lépe propojí molekulární architekturu proteinu a data získaná z experimentálních výzkumů.

Dynamika jedné molekuly je již dobře popsána, ale zdá se, že tyto stroje v nano měřítku obvykle pracují ve velkých týmech.

Dynamika jedné molekuly je založena na odlišných chemických stavech motoru a pozorováních jeho mechanických kroků. U malých koncentrací adenosindifosfátu se chování motoru řídí konkurencí dvou chemomechanických motocyklů, které určují zastavovací sílu motoru. Třetí cyklus se stává důležitým pro velké koncentrace ADP. Byly také diskutovány modely s jediným cyklem. Seiferth a kol. předvedl, jak se mění veličiny, jako je rychlost nebo entropická produkce motoru, když jsou sousední stavy sloučeny ve vícecyklickém modelu, až se nakonec sníží počet cyklů.

Nedávný experimentální výzkum ukázal, že kineziny se při pohybu po mikrotubulech navzájem ovlivňují, přičemž interakce jsou krátkého dosahu a slabé přitažlivosti (1,6 ± 0,5 K B T). Jeden model, který byl vyvinut, bere v úvahu tyto částicové interakce, kde se dynamické rychlosti odpovídajícím způsobem mění s energií interakce. Pokud je energie kladná, rychlost vytváření vazeb (q) bude vyšší, zatímco míra přerušení vazeb (r) bude nižší. Lze pochopit, že míra vstupu a výstupu v mikrotubulu se bude také měnit energií (viz obrázek 1 v odkazu 30). Je -li obsazeno druhé místo, bude rychlost vstupu α*q a pokud je obsazeno předposlední místo, bude rychlost opuštění β*r. Tento teoretický přístup souhlasí s výsledky simulací Monte Carlo pro tento model, zejména pro omezující případ velmi velké negativní energie. Z tohoto modelu lze získat normální zcela asymetrický jednoduchý vylučovací proces (nebo TASEP), čímž se energie rovná nule.

Mitóza

V posledních letech bylo zjištěno, že molekulární motory na bázi mikrotubulů (včetně řady kinezinů) mají roli v mitóze (buněčné dělení). Kineziny jsou důležité pro správnou délku vřetene a podílejí se na klouzání mikrotubulů od sebe uvnitř vřetene během prometafázy a metafáze, stejně jako depolymerace mikrotubulů minus konce na centrosomech během anafáze. Proteiny rodiny Kinesin-5 konkrétně působí ve vřetenu, aby od sebe oddělily mikrotubuly, zatímco rodina Kinesin 13 depolymeruje mikrotubuly.

Členové superrodiny Kinesin

Členové superrodiny lidského kinesinu zahrnují následující proteiny, které jsou ve standardizované nomenklatuře vyvinuté komunitou vědců kinezinu organizovány do 14 rodin pojmenovaných kinesin-1 až kinesin-14:

lehké řetězce kinesin-1:

protein spojený s kinesinem-2:

  • KIFAP3 (také známý jako KAP-1, KAP3)

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy