ARA FILAMENTLER: YAPI, TIPLER, FONKSIYONLAR - BIYOLOJI - 2025

Ara filamanlan da (İngilizce Aramadde filaman) "UF'lar" olarak teknolojide iyi bilinir, sitosolik çözünmeyen maddeler çok hücreli ökaryot tüm hücrelerde mevcut olan elyaflı bir protein ailesidir.

Hücre yapısının ve vezikül taşınması, hücre hareketi ve yer değiştirmesi gibi çeşitli metabolik ve fizyolojik süreçlerin desteklenmesinden esas olarak sorumlu olan hücre içi filamentli bir ağ olan hücre iskeletinin bir parçasıdır.

Astrositlerin ara filamentlerinin (Vimentin ve GFAP) iki proteininin immünofloresan mikroskobu (Kaynak: GerryShaw, Wikimedia Commons aracılığıyla)

Ara filamentler, mikrotübüller ve mikrofilamentlerin yanı sıra, hücre içi organellerin uzaysal organizasyonuna, endositoz ve ekzositoz süreçlerine ve ayrıca hücre bölünmesi ve hücreler arası iletişim süreçlerine katılır.

İncelenecek ve tanımlanacak ilk ara filamentler, yapısı 1930'larda X-ışını kırınımı ile analiz edilen ilk protein türlerinden biri olan keratinlerdir.

Bununla birlikte, ara filamentler kavramı, 1980'lerde, onları çözünmezlikleri ve denatürasyondan sonra in vitro yeniden bir araya getirme kabiliyetleri ile karakterize edilen karmaşık "hücre boşluğunun mekanik entegratörleri" olarak tanımlayan Lazarides tarafından tanıtıldı.

Mikrotübüllerden ve mikrofilamentlerden daha esnek filamentler olduklarından, birçok yazar tarafından hayvan hücreleri için stres "tampon" elementleri olarak kabul edilirler. Sadece hücre iskeletinde bulunmazlar, aynı zamanda çekirdek iskeletin bir parçasıdırlar.

Hücre iskeletinin diğer lifli bileşenlerinden farklı olarak, ara lifler hücre hareketliliği işlemlerine doğrudan katılmazlar, bunun yerine hücrelerin yapısal bakımında ve mekanik direncinde işlev görürler.

yapı

Kaynak: http://rsb.info.nih.gov/ij/images/

Ara filamentler yaklaşık 10 nm çapa sahiptir, bu da adlandırıldıkları yapısal bir özelliktir, çünkü boyutları, miyozin ve aktin filamanlarına karşılık gelen boyutlar arasında, 25 ila 7 nm arasındadır. sırasıyla.

Yapısal olarak küresel protein polimerleri olan diğer iki hücre iskeleti filamentinden farklıdırlar, çünkü kurucu birimleri, ip benzeri yapılar oluşturmak için bir araya toplanan farklı uzun uzunlukta a-sarmal lifli proteinlerdir.

Ara filamentleri oluşturan tüm proteinler, aynı boyutta farklı miktarlarda "bobin oluşturan" bölümlere sahip bir a-sarmal veya "halat" alanından oluşan benzer bir moleküler organizasyona sahiptir.

Bu sarmal alan, hem boyut hem de amino asit sekansı açısından değişen C-terminal ucunda bir N-terminal helisel olmayan "kafa" ve bir sarmal olmayan "kuyruk" ile çevrelenmiştir.

Bu iki ucun dizisi içinde, bilinen 6 tip ara lif için ortak olan konsensüs motifleri vardır.

Omurgalılarda, sitosolik ara lif proteinlerinin "akor" alanı, yaklaşık 310 amino asit kalıntısı iken, omurgasız ve nükleer lamina sitosolik proteinleri kabaca 350 amino asit uzunluğundadır.

montaj

Ara filamentler, enzimatik aktiviteye sahip olmayan "kendi kendine birleşen" yapılardır ve bu da onları hücre iskeletindeki benzerlerinden (mikrotübüller ve mikrofilamentler) ayırır.

Bu yapılar başlangıçta onları yalnızca tek değerlikli katyonların etkisi altında oluşturan ipliksi proteinlerin tetramerleri olarak bir araya getirilir.

Bu tetramerler 62 nm uzunluğundadır ve monomerleri, çok hızlı meydana gelen, montajın 1. aşaması olarak bilinen birim uzunlukta filamentler (UFL) oluşturmak için yanal olarak birbirleriyle birleşirler. .

UFL'ler, uzun filamentlerin öncüleridir ve onları oluşturan dimerler, antiparalel ve kademeli bir şekilde bir araya getirildikleri için, bu birimler, uzamanın 2. fazının meydana geldiği iki yan etki alanına sahip bir merkezi alana sahiptir. , diğer UFL'lerin uzunlamasına birleşmesinin meydana geldiği yer.

Montajın 3. aşaması olarak adlandırılan şey sırasında, filamentlerin çapının radyal olarak sıkıştırılması meydana gelir ve bu da, çapı aşağı yukarı 10 nm olan olgun ara filamentleri üretir.

Özellikleri

Ara filamentlerin işlevleri, dikkate alınan hücre tipine büyük ölçüde bağlıdır ve hayvanlar (insanlar dahil) söz konusu olduğunda, ekspresyonları dokuya özgü bir şekilde düzenlenir, bu nedenle doku tipine de bağlıdır. çalışmadan daha.

Epitel, kaslar, mezenkimal ve glial hücreler ve nöronlar, ait oldukları hücrelerin işlevine göre özelleşmiş farklı filamentlere sahiptir.

Bu işlevler arasında en önemlileri, hücrelerin yapısal bakımı ve farklı mekanik streslere karşı dirençtir, çünkü bu yapılar, hücrelere uygulanan farklı tipteki kuvvetleri tamponlamalarına izin veren belirli bir esnekliğe sahiptir.

Ara filament türleri

Ara filamentleri oluşturan proteinler, kimyasal olarak farklı olan ancak sekans homolojilerine (I, II, III, IV, V ve VI) göre altı sınıfa ayrılan büyük ve heterojen bir ipliksi protein ailesine aittir.

Çok yaygın olmasa da, çok özel koşullar altında (gelişim, hücre dönüşümü, büyüme, vb.) Farklı hücre türleri birden fazla ara lif oluşturan protein sınıfını birlikte ifade edebilir.

Sınıf I ve II ara filamentler: asidik ve bazik keratinler

Keratinler, ara filamentlerdeki proteinlerin çoğunu temsil eder ve insanlarda, ara ipliklerin dörtte üçünden fazlasını temsil ederler.

40 ve 70 kDa arasında değişen moleküler ağırlıklara sahiptirler ve yüksek glisin ve serin kalıntıları içeriği ile diğer ara filaman proteinlerinden farklılık gösterirler.

İzoelektrik noktaları nedeniyle asidik ve bazik keratin olarak bilinirler, bunlar asidik keratinler için 4.9 ile 5.4 arasında ve bazik olanlar için 6.1 ile 7.8 arasındadır.

Bu iki sınıfta, yaklaşık 30 protein tanımlanmıştır ve özellikle epitel hücrelerinde mevcuttur, burada her iki tip protein de "ko-polimerize olur" ve bileşik filamentler oluşturur.

Ara filaman vakası I keratinlerinin çoğu saç, çivi, boynuz, sivri uç ve pençe gibi yapılarda bulunurken, sınıf II'ninkiler sitozolde en çok bulunanlardır.

Sınıf III ara filamentler: Desmin / vimentin tipi proteinler

Desmin, fosforilasyon derecesine bağlı olarak farklı varyantlara sahip 53 kDa'lık asidik bir proteindir.

Bazı yazarlar, küçük miktarlarda da olsa her tür kas hücresiyle varlıkları oldukça sınırlı olduğundan, desmin filamentlerini "ara kas lifleri" olarak adlandırmışlardır.

Miyofibrillerde desmin Z hattında bulunur, bu nedenle bu proteinin miyofibriller ile plazma zarının birleşim yerinde çalışarak kas liflerinin kasılma fonksiyonlarına katkıda bulunduğu düşünülmektedir.

Epitel ve embriyonik hücrelerin ara liflerinin bir proteini olan Vimentin proteininin boyanmasının fotoğrafı (Kaynak: Viktoriia Kosach, Wikimedia Commons)

Buna karşılık vimentin, mezenkimal hücrelerde bulunan bir proteindir. Bu protein tarafından oluşturulan ara lifler esnektir ve hücre döngüsü sırasında meydana gelen konformasyonel değişikliklerin çoğuna direndikleri bulunmuştur.

Hayvanların dolaşım sistemindeki fibroblastlarda, düz kas hücrelerinde, beyaz kan hücrelerinde ve diğer hücrelerde bulunur.

Sınıf IV ara filamentler: nörofilaman proteinleri

"Nörofilamentler" olarak da bilinen bu ara lif sınıfı, nöronal aksonların ve dendritlerin temel yapısal elemanlarından birini içerir; sıklıkla bu yapıları oluşturan mikrotübüllerle ilişkilendirilirler.

Omurgalı hayvanların nörofilamentleri izole edilmiş ve in vitro düzeneğe katılan 200, 150 ve 68 kDa'lık bir protein üçlüsü olduğu belirlenmiştir.

Diğer ara filamentlerden, bunların çevresinden çıkıntı yapan ve komşu filamentler ile diğer yapılar arasındaki etkileşimde işlev gören "eklentiler" olarak yanal kollara sahip olmaları bakımından farklılık gösterirler.

Glial hücreler, tek bir 51 kDa proteinden oluşmaları ve farklı fizikokimyasal özelliklere sahip olmaları bakımından yapısal olarak nörofilamentlerden farklı olan, glial ara filamentler olarak bilinen özel bir ara filament türü üretir.

Ara filaman sınıfı V: nükleer lamina filamentleri

Nükleoskeletonun parçası olan tüm tabakalar aslında ara filaman proteinleridir. Bunlar moleküler ağırlık olarak 60 ile 75 kDa arasındadır ve tüm ökaryotik hücrelerin çekirdeklerinde bulunur.

Nükleer bölgelerin iç organizasyonu ve ökaryotların varlığı için gerekli olan bu organelin birçok işlevi için gereklidirler.

Ara filament sınıfı VI: Nestinas

Bu tür ara filaman yaklaşık 200 kDa ağırlığındadır ve ağırlıklı olarak merkezi sinir sisteminin kök hücrelerinde bulunur. Nöronal gelişim sırasında ifade edilirler.

İlgili patolojiler

İnsanlarda ara filamentlerle ilgili birçok hastalık vardır.

Habis melanomlar veya göğüs karsinomları gibi bazı kanser türlerinde, örneğin, vimentin ve keratinin ara filamanlarının birlikte ekspresyonu, epitelyal ve mezenkimal hücrelerin farklılaşmasına veya birbirine dönüşmesine yol açar.

Bu fenomenin, kanser hücrelerinin göç ve invazif aktivitesini arttırdığı deneysel olarak gösterilmiştir ki bu, bu durumun karakteristik metastatik süreçleri için önemli çıkarımlara sahiptir.

Eriksson ve diğerleri (2009), farklı hastalık türlerini ve bunların altı tür ara filamentin oluşumunda rol oynayan genlerdeki spesifik mutasyonlarla ilişkilerini gözden geçirirler.

İki tip keratini kodlayan genlerdeki mutasyonlarla ilişkili hastalıklar epidermolizis bullosa, epidermolitik hiperkeratoz, korneal distrofi, keratoderma ve diğerleridir.

Tip III ara filamentler, çok sayıda kardiyomiyopatide ve esas olarak distrofilerle ilgili farklı kas hastalıklarında rol oynar. Ek olarak, baskın kataraktlardan ve bazı skleroz türlerinden de sorumludurlar.

Birçok nörolojik sendrom ve bozukluk, Parkinson gibi tip IV filamentlerle ilişkilidir. Aynı şekilde, tip V ve VI filamentlerdeki genetik kusurlar, farklı otozomal hastalıkların gelişmesinden sorumludur ve hücre çekirdeğinin işleyişiyle ilgilidir.

Bunların örnekleri, diğerleri arasında Hutchinson-Gilford progeria sendromu, Emery-Dreifuss musküler distrofidir.

Referanslar

1. Anderton, BH (1981). Ara filamentler: homolog yapılar ailesi. Kas Araştırma ve Hücre Motilitesi Dergisi, 2 (2), 141–166.
2. Eriksson, JE, Pallari, H., Robert, D., Eriksson, JE, Dechat, T., Grin, B.,… Goldman, RD (2009). Ara liflerin tanıtımı: keşiften hastalığa. Klinik Araştırma Dergisi, 119 (7), 1763–1771.
3. Fuchs, E. ve Weber, K. (1994). Ara Filamentler: Yapı, Dinamik, İşlev ve Hastalık. Annu. Rev. Biochem. , 63, 345–382.
4. Hendrix, MJC, Seftor, EA, Chu, YW, Trevor, KT ve Seftor, REB (1996). Geçiş, yayılma ve metastazda ara filamentlerin rolü. Kanser ve Metastaz İncelemeleri, 15 (4), 507–525.
5. Herrmann, H. ve Aebi, U. (2004). Ara Filamentler: Moleküler Yapı, Montaj Mekanizması ve Fonksiyonel Olarak Farklı Hücre İçi Yapı İskelelerine Entegrasyon. Biyokimyanın Yıllık İncelemesi, 73 (1), 749–789.
6. Herrmann, H. ve Aebi, U. (2016). Ara Filamentler: Yapı ve Montaj. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 8, 1–22.
7. McLean, I. ve Lane, B. (1995). Hastalıkta ara filamentler. Hücre Biyolojisinde Güncel Görüş, 7 (1), 118–125.
8. Steinert, P. ve Roop, D. (1988). Ara Filamentlerin Moleküler ve Hücresel Biyolojisi. Biyokimyanın Yıllık İncelemesi, 57 (1), 593–625.
9. Steinert, P., Jones, J. ve Goldman, R. (1984). Ara filamentler. Hücre Biyolojisi Dergisi, 99 (1), 1–6.