Посещений:
СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ ФИЛАМЕНТ

Механизмы образования

Supramolecular cellular filament systems: How and why do they form?
David Popp, Robert C. Robinson
Cytoskeleton Volume 69, Issue 2, pages 71–87, February 2012

All cells, from simple bacteria to complex human tissues, rely on extensive networks of protein fibers to help maintain their proper form and function. These filament systems usually do not operate as single filaments, but form complex suprastructures, which are essential for specific cellular functions. Here, we describe the progress in determining the architectures of molecular filamentous suprastructures, the principles leading to their formation, and the mechanisms by which they may facilitate function. The complex eukaryotic cytoskeleton is tightly regulated by a large number of actin- or microtubule-associated proteins. In contrast, recently discovered bacterial actins and tubulins have few associated regulatory proteins. Hence, the quest to find basic principles that govern the formation of filamentous suprastructures is simplified in bacteria. Three common principles, which have been probed extensively during evolution, can be identified that lead to suprastructures formation: cationic counterion fluctuations; self-association into liquid crystals; and molecular crowding. The underlying physics of these processes will be discussed with respect to physiological circumstance.


Рисунки к статье  |  См. Оригинал статьи

Филаменты образующие белки важны для всех форм жизни. Актин и микротрубочки (MTs) представляют две основные системы филамент в клетках эукариот. Гомологи актина, MreB [Carballido-Lopez and Errington, 2003] и ParM [Bugge-Jensen and Gerdes, 1999] и гомолог MT, FtsZ [Lowe and Amos, 1998], также обнаружены в клетках прокариот. Функции актиновых филамент разнообразны и варьируют в пределах от движений, сегрегации ДЕК и клеточных делений до транспорта молекулярных грузов [Lowe and Amos, 2009]. Actin-подобные tubulin-подобные филаменты являются динамичными, обеспечивающими силу системами, которые обеспечивают перемещения в клетках объектов, таких как плазмиды ДНК или клеточные мембраны. Это часто достигается организацией множества филамент в точке на объекте и избирательным удлинением этих филамент в направлении объекта, чтобы создать давление на объект.
Все системы клеточных филамент обладают общими свойствами, они часто адоптируют супрамолекулярные структуры в форме пучков, листков, сетей, спиралей или тороидов. Недавно существенный прогресс был достигнут в выяснении молекулярных деталей этих супраструктур и в механизмов их образования. Супраструктуры были реконструированы in vitro а высокого разрешения ЭМ изображения пролили свет на их формирование и возможные клеточные функции.

Application of Counterion Theory


Системы клеточных филамент обычно сильно негативно заряжены с плотностью заряда между ~4 e/nm для F-actin [Tang and Janmey, 1996] и ~6 e/nm для ДНК [Hud and Vilfan, 2005]. В водных растворах индивидуальные филаменты отталкивают др. др. Однако внутри клетки ситуация другая. Во-первых, клетки, содержат моновалентные и поливалентные соли. В некоторых бактериях концентрации поливалентных солей, в частности, магния и polyamine, spermidine, могут быть значительными [Tabor and Tabor, 1985]. Растворы, содержащие неизкие концентрации поливалентных ионов наз. плохо растворяющими условиями. Почти 40 лет тому назад впервые Oosawa [Oosawa, 1971] и позднее Manning [Manning, 1978] разработали математическое представление для систем филамент в плохо растворяющих условиях, наз. теорией конденсации противоиона (counterion). Эта концепция утверждала, что сильно заряженные полимеры привлекают противоположно заряженные противоионы, локализуя их в облочке вокруг филамент, приводя к сети сил притяжения между одинаково заряженными полимерами (Figs. 1A and 1B). Эта модель может быть описана в точных математических терминах и ниже мы обсудим её значение для систем биологических филамент.

DNA


Для сильно заряженных полимеров, пространственное расположение линейного заряда b значительно меньше, чем Bjerrum длина λB, расстояние между элементарными зарядами, при котором энергия электростатического взаимодействия уравнивается тепловой энергией, kT. Для двойной нити ДНК при нейтральном pH, пространственное расположение линейного заряда b равно 1.7 A, при Bjerrum длине λB равной 7.1 A в воде при 20°C. В соответствии с теорией конденсации противоиона следствием высокой плотности заряда ДНК является то, что определенная фракция её заряда может быть нейтрализована благодаря территориальному связыванию противоионов из непосредственного окружения. Эти конденсированные противоионы свободно диффундируют вдоль оси полимера, но ингибированы от диффузии прочь. Фракция полиэлектролитных зарядов. конденсированная противоионами, выражается следующим уравнением:

&Teta;=(1-1/N)


где N валентность противоиона, а σ = λB/b = 4.2. Для моновалентных электролитов, &Teta; подсчитана ~ 76%. Она может достигать ~88% в присутствии достаточного количества дивалентных катионов. Следовательно, взаимодействие строже для контерионов с более высокой валентностью, когда заряженный полимер нейтрализуется в большей степени. В дополнение к ослаблению электростатического отталкивания между заряженными полимерами, обусловленному противоионами, взаимное притяжение может быть индуцировано двумя полимерами, обладающими общими противоионами [Oosawa, 1971]. Флюктуация и латеральное перераспределение противоионов, как было установлено теоретически, вызывают взаимно притягивающие взаимодействия между полиэлектролитами. При соотв. ионных условиях наступает баланс между привлекающими и отталкивающими силами, так что филаменты в суспензии формируют агрегаты. Эта агрегация может также вовлекать и др. компоненты взаимодействия, такие как гидратация и силы van der Waals [Manning and Ray, 1998].
У живых организмов ДНК обычно ограничивается очень небольшим объемом, чтобы упаковать и гарантировать защиту генетического материала. Конденсация ДНК происходит внутри хромосом [Richmond et al., 1984], в бактериях [Reich et al., 1995] и головках бактериофагов [Ceritelli et al., 1997]. У некоторых фагов ДНК может принимать тороидную структуру [Hud et al., 1995]. Небольшие основные белки (протамины, такие как spermidine) в ядрах спермиев многих позвоночных упаковывают ДНК в тороиды [Allen et al., 1997]. ДНК in vitro может быть конденсирована с помощью три- и более высокой валентности катионов сходным со spermidine образом [Marx et al., 1983] и вирусы используют spermidine для упаковки своей ДНК. Размер и форма ДНК тороидов лишь слегка зависит от мол. в. ДНК. Для ДНК длиной от 400 base pairs (bp) до 40 kbp, тороиды обычно имеют наружный диаметр ~500 Å а внутренний диаметр примерно150 Å [Bloomfield, 1991]. Во многих вирусах позитивно заряженные мультивалентные ионы способствуют конденсации ДНК в более плотно упакованные тороидные структуры. В зависимости от условий растворения и жесткости ДНК тороида, формируются палочко-подобные [Bloomfield, 1991] или сферо-подобные агрегаты [Grosberg et al., 1986]. Криоэлектронная микроскопия выявила локальную гексогональную упаковку тороидной ДНК [Hud et al., 1995] внутри вирусов. Тороиды чрезвычайно эффективный способ упаковки филамент ДНК и как таковые они привлекают внимание медицинского сообщества как возможный механизм для упаковки ДНК при генной терапии.
Kornyshev and Leikin [1999] предложили альтернативную по отношению к Oosawa-Manning теорию тороидного коллапса. Согласно этой теории распределение зарядов по спиральной ДНК важно для ДНК-ДНК взаимодействия. В частности, "электростатическая застёжка" образуется между фосфатами одной ДНК и катионами, адсорбированными в бороздах соседней ДНК, то обеспечивает чередование зарядов и сетевое притяжение.

F-Actin


Актиновые филаменты обладают низкой плотностью линейного заряда по сравнению с ДНК ~ 4 e/nm. Это означает, что относительно меньший % заряда необходимо нейтрализовать для осуществления конденсации. Следовательно, актиновые пучки, как полагают, образуются при более низких концентрациях катионов, чем ДНК [Tang and Janmey, 1996]. Актиновые пучки формируются также с помощью различных позитивно заряженных белков и этот процесс может играть роль в болезнях человека. Напр., при кистозном фиброзе, накопления вязкой слизи в легочных воздушных путях идентифицируется как первичная причина долговременных бактериальных инфекций, дыхательной неспособности и смерти. Одной из причин этих длительных инфекций является патологическая самосборка эндогенных антибиотических полипептидов из иммунной системы с помощью анионных полиэлектролитов, таких как F-actin и НК, которые высвобождаются лизированными нейтрофилами во время воспалительной реакции на инфекцию воздушных путей [Sheils et al., 1996]. Взаимодействия, ответственные за эту самосборку в основном электростатические, поскольку антибактериальные глобулярные белки подобные lysozyme, β-defensin и lactoferrin позитивно заряжены. Процесс самосборки ведет к потере антимикробной функции в воздушных путях. Lysozyme молекулы, при физиологических солевых условиях, как было установлено, выстраиваются регулярным способом вдоль актиновых филамент способом, который несоизмерим с распределением зарядов актина [Guaqueta et al., 2006]. Крупные участки поверхности lysozyme и actin скорее, чем специфические аминокислоты взаимодействуют, чтобы сформировать слизь. F-actin взаимодействует также с катионными липидными мембранами. В световом микроскопе обнаруживаются сети из лентообразных тубулярных структур. Интересно, что тубулы состоят из трех слоев, липидного бислоя, расположенного в виде сэндвича между двумя слоями актина, напоминая многослойную стенку бактериальной клетки [Wong et al., 2000]. Такие мембрана:актин комплексы могут играть роль в образовании волдырей во время апоптоза [Coleman et al., 2001].
F-actin филаменты являются полиэлектролитами и давно спорят о том, имеют ли электрохимические свойства биологическое значение. Это было подтверждено предыдущими наблюдениями, что F-actin обладает очень крупным электрическим дипольным моментом и обнаруживает свойство электрического двупреломления, согласующимся с потенциалом Donnan [Kobayashi et al., 1964; Cantiello et al., 1991]. Сообщалось, что F-actin, после воздействия осмотическим стрессом модифицирует свой спонтанный потенциал Donnan при физиологическом pH [Cantiello et al., 1991]. Осмотически индуцированная спонтанная реакция может быть проявлением предпочтительного пути для перемещения противоионов вблизи филамент по сравнению с остальной частью раствора. Эта находка подразумевает возможную роль электрически и/или осмотически направляемых сигналов через полимеры в иологических системах и открывает интересную возможность, что актин может служить в качестве внутриклеточного трека ионов. Такое поведение предсказано теоретически для полимеров, таких ка ДНК [Parodi et al., 1985]. Остаточный потенциал клетки в среднем 60 mV поперек мембраны, которая ~8 nm толщиной, подразумевает крупные электрические поля через клеточную плазматическую мембрану порядка 100 kV/cm. Поскольку очень небольшие электрические поля порядка 10 mV/cm способны индуцировать клеточную реакцию [Robinson, 1985], то можно предположить, что изменения в силе поля на уровне мембраны могут влиять на структурный статус, также как и на функциональные свойства котикально расположенных актиновых филамент [Luther et al., 1983].

MTs


MTs часто собираются в пучки и массивы в качестве аксостилей у протозоа, кортикальных построений у растений, митотического веретена и нервных отростков [Bray, 2001]. Присутствие противоионов приводит к появлению двух разных фаз. Одна гексогональная фаза с контактами, подобными соляным мостикам между одной MT и ближайшей её соседкой. Вторая фаза имеет проявление живого ожерелья, создаваемого посредством неспецифических взаимодействий [Needleman et al., 2004]. Две фазы, как полагают, существуют in vivo, а разные свойства сборки могут оказывать выраженные эффекты на функцию.

AlfA and pSK41-ParM


Бактериальные актин-подобные белки сегрегации ДНК, AlfA и pSK41-ParM, спонтанно образуют пучки и сети [Popp et al., 2010a, b]. Одиночные филаменты практически не существуют (Fig. 2). Образование этих супраструктур может быть приписано противоионам, особенно плотной конденсации Mg2+ и др. обильным поликатионам, подобных spermine, с этими высоко негативно заряженными филаментами [Tabor and Tabor, 1985]. Сосуществование различных морфологических состояний подразумевает, что общаяя свободная энергия различных полиморфных состояний сходна.
Спиральная структура филамент и кинетика полимеризации сохраняются только при физиологических условиях, указывая, что эти условия являются критическими для процесса полимеризации и и в конечном итоге её биологической функции. Напр., структура филамент из AlfA лучше всего сохраняется при pH 6.4 - 7.4 и физиологических концентрациях солей ~300 mM KCl. Эти состояния соответствуют физиологическим условиям, при которых оперируют Bacillus subtilis, а именно между pH 7.0-7.5 и 6.4 в спорангии [Barton et al., 1980; Cayley et al., 1991; MacGill et al., 1994; Becker et al., 2006]. Какие из сете-подобных или линейных пучковых супраструктур превалируют in vivo, сосуществуют ли они или изменяются во время жизненного цикла бактерий, неизвестно.

MreB


In vivo исследования с помощью флюоресцентной микроскопии показали, что бактериальный детерминирующий форму белок и гомолог актина, MreB, образует кабеле-подобные структуры, которые спирализуются вокруг периферии клетки [Jones et al., 2001]. Из-за ограниченного разрешения молекулярная структура этих кабелей не опрелена in vivo. Неожиданно высокого разрешения ЭМ показала, что MreB из Thermatoga maritima образует сложные, в несколько микрометров длиной многослойные кристаллиновые листки из вплетенных филамент (Fig. 2) в присутствии или АТФ или ГТФ in vitro [Popp et al., 2010c]. Кристаллическая упорядоченность была наивысшей в присутствии Mg2+. Такая архитектура согласуется с недавними rheological измерениями кабелей MreB [Esue et al., 2006] и обладает превосходными механическими свойствами в сравнении с одиночными филаментами или листками с филаментами, расположенными параллельно. Это может быть важным признаком для поддержания формц бактериальных клеток. Протофиламенты, образуемые в присутствии АТФ или ГТФ, были спиральными 3/1 филаментами с повторами ~200 Å [Popp et al., 2010c]. Интересно, что в присутствии АДФ или ГДФ формировались линейные филаменты, которые были сходны с теми, наблюдаемыми в кристаллах MreB, условие, которое доминирует при кристаллической упаковке [Van den Ent et al., 2001]. Это может указывать на то, что связывание ГТФ или АТФ с мономерами MreB стабилизирует др. конформацию по сравнению с той, что при АДФ или ГДФ, которая, свою очередь, ведет к предпочтительному образованию или спиральных филамент или линейных протофиламент. Пока неизвестно, используют ли бактериальные клетки АТФ, ГТФ или оба нуклеотида для сборки MreB in vivo и эксплуатируют ли разные нуклеотиды для специфических базирующихся на MreB функций.

ParM-R1 and MtbFtsZ


Образование катионом индуцированной супраструктуры FtsZ у Mycobacteria tuberculosis (MtbFtsZ) [Popp et al., 2010e] и ParM-R1 у Escherichia coli может быть легко выявлено путем изменения рассеивания света (Fig. 3A). Figure 3A показывает образование пучка ParM филамент, вызванное рядом катионов. В целом, концентрация катионов в начале образования пучка должна быть повышена со снижением валентности, указывая на слабую способность к образованию пучка (Fig. 3A). Увеличение светового рассеяния соответствует образованию пучка, как это наблюдается при ЭМ (Figs. 3C and 3D). В целом, и так как это наблюдается для MtbFtsZ [Popp et al., 2010e], размер пучка увеличивается с увеличением концентрации катионов. Поведение на Fig. 3A может быть качественно объяснено предсказаниями теории линейного полиэлектролита. Эффективность образования пучка поливалентными катионами сильно зависит от ионной силы. Это является прямым следствием теории Manning [Manning and Ray, 1998], а именно, что константа ассоциации, K, является функцией ионной силы раствора c:
log K = constant-N log c,
где N это валентность катиона. Подход Manning предсказывает правило экспоненциальной зависимости с наклоном, варьирующим между 1 и N в log-log plot, которая приближается к 1 с увеличением концентрации поливалентного противоиона. Такая зависимость ожидается только при менее 100 mM и для частиц сбесконечно малыми величинами. На практике тестирование зависимости от ионной силы для MtBFtsZ листков ограничивается высокой ионной силой, чтобы удерживать MtbFtsZ филаменты поляризованными до добавления поликатионов [Popp et al., 2010e]. Более того, филаменты, подобные ParM, пока полимеризуются при низких концентрациях солей, довольно коротки, в среднем лишь 1.25µm в длину [Garner et al., 2004]. Следовательно, для некоторых катионов наклоны согласуются с теорией Manning, поскольку иные отклонения от этого поведения обусловлены избыточным упрощением теории Manning.

Flagella


Мы включили жгутики в этот обзор, поскольку они представляют хороший пример возможных ионных и pH зависимых структурных переходов внутри системы жгутиков. Жгутики вырастают до 15 µm, с диаметром 12-25 nm. Филамента жгутика является спиральным образованием белка flagellin с приблизительно 11 субъединицами на два витка one-start спирали [Maki-Yonekura et al., 2010]. Жгутри могут формировать разного типа сверхзакрученных суперструктур, которые действуют как пропеллеры. В предыдущей работе [Asakura, 1970; Calladin, 1978] было предположено, что суперзакрученные формы филамент продуцируются с помощью двух разных конформационных состояний flagellin внутри структуры филамент. Жгутиковые филаменты также подвергаются сходным полиморфным переходам in vitro как функция pH и ионных условий. Различные спиральные формы, идентифицированные при различных in vitro условиях растворения, классифицированы на типы, наз. "normal," "coil," "semicoil," "curly I" и "curly II" в соответствии с их разными шагами спирали и диаметрами [Kamiya and Asakura, 1976, 1977]. Для хемотаксиса и термотаксиса бактерии чередуют паттерны плавания между "run" и "tumble" , чтобы изменить направление своего плавания. Леворучные спиральные формы для бега (run) являются нормальными и три разных типа праворучных суперспиралей, используемых для кувырка (tumble), известны как semicoil, curly I, and curly II [Turner et al., 2000]. Такие полиморфные переходы существенных для бактериального таксиса.

Nematic Liquid Crystals


Actin and MTs


Актин один из наиболее многочисленных белков в клетках эукариот и может достигать концнетраций ~250 µM. При таких концентрациях актиновые филаменты in vitro, как известно, формируют вытянутые структуры в отсутствие регулирующих связывание белков при физиологических условиях, даже в отсутствие молекулярной скученности или мультивалентных катионов. Базовый физический механизм, лежащий в основе спонтанного образования выравненных по одной линии актиновых филамент, это т. наз. фазовый переход от isotropic (I) до nematic (N) фазы (I-N переход), который может быть важным для понимания динамических изменений в цитоплазматической структуре, возникающих во время клеточных движений и адгезии. Изотропная фаза связана со случайным распределением филамент в растворе, а nematic фаза означает упорядоченное расположение филамент параллельно без организации их в хорошо очерченные плоскости.
Исходя из принципа, что F-actin может рассматриваться как ригидная палочка, необходимо понять феномен нематического жидкого кристалла на базе теории Onsager [Onsager, 1949]. Onsager показал, что для раствора униформных цилиндрических палочек, который не взаимодействует кроме как через коллизии, имеется концентрация C*, выше которой раствор разделяется на две фазы, одна изотропный раствор, а др. нематический жидкий кристалл. Согласно теории Onsager , C* ~4.2 D/L, где L и D длина и диаметр филамент, соотв. Модель Onsager's была расширена Khokholov and Semenov [ 1981] для случаев полужестких палочек, подобных F-actin. Эти результаты были довольно сходные с моделью Onsager, (I-N) фазовый переход происходил C*~5.5 D/Lp, где Lp персистенция длины полимера. Используя значения D = 8 nm и Lp ~10 µm, C* ~4.4 x 10-3 которые соответствуют концентрации актина ~100 µM. Экспериментально I-N переход для F-actin наблюдался в пределах 75-125 µM (Fig. 4) что прекрасно согласуется с теоретическими предсказаниями [Helfer et al., 2005]. Поток выстраивает актиновые филаменты даже при концентрациях ниже 25µM [Helfer et al., 2005]. Спонтанное выстраивание при концентрация F-actin ~5 µM может наблюдаться с помощью total internal reflection fluorescence (TIRF) микроскопии вблизи гидрофильных стеклянных поверхностей в присутствии небольших количестсв сгущяющих (crowding) агентов [Popp et al., 2006]. Индивидуальные филаменты обнаруживают высокое Броуновское движение (Fig. 4 and Supporting Information movie 1).
Спонтанное появление крупных выравненных доменов от низкой до высокой концентрации актинового геля может играть роль в быстром образовании параллельных структур, подобных плотным пучкам в стрессовых волокнах или микроворсинках [Hotulainen and Lappalainen, 2006]. Это потому, что диффузия линейных объектов значительно быстрее, когда они ориентированы кооперативно, специфическое свойство нематических жидких кристаллов. Рост филамент можно также ожидать более быстрым, если они выравнены скорее, чем запутаны. Спонтанное нематическое расположение, эффекты shear тока и актин-связывающие белки все они являются факторами, которые принимают участие в формировании ориентированных актиновых структур. In vivo, массивы актина, связанные с различными подвижными и адгезивными процессами, организованы на высшем уровне сложности с помощью разнообразных регуляторных белков, подобных cofilin, Arp2/3 complex, formins, покрывающих шапочкой и связывающих в пучки белков [Pollard and Cooper, 2009]. Некоторые могут предупреждать I-N переход F-actin, др. могут снижать C*. Однако I-N переходы для бактериальных актинов вряд ли имеет отношение к функции из-за низких концентраций бактериальных актинов (~10 µM) в клетке. В случае MTs, нематическое расположение наблюдалось при конецнтрациях выше 5.5 mg/mL в отсутствие MT associated proteins (MAPs) и приблизительно при 2.5 mg/mL в присутствии MAPs, это делает I-N переход возможным фактором в функционировании внутриклеточных MTs [Hitt et al., 1990].

ParM-R1


I-N переходы в бактериальной системе филамент не описаны. Коротко представим доказательства I-N переходов ParM-R1. ParM , как известно, обладает MT-подобной динамической нестабильностью в присутствии АТФ или ГТФ. Неспособные к гидролизу нуклеотиды необходимы для получения стабильных филамент [Garner et al., 2004]. ParM растворы наблюдали при различных концентрациях, которые быстро смешивали с разными концентрациями KCl и 2 mM GMPPNP, инъецированные в стеклянные капилляры и визуализованные с помощью поляризующего микроскопа. Когда появлялась ниметическая кристаллиновая фаза, то можно было наблюдать, как сосуществуют домены I или N-фазы под пересечением поляризаторов (Fig. 4). Переход между изотропной фазой, при которой раствор ParM в капилляре выглядел униформно темным и неспособный к двойному преломлению, и ниметической фазой, когда раствор становился двупреломляющим, осуществлялся резко и выше критической концентрации c0 (Figs. 4A and 4B). Сразу же выше c0, он происходил в течение часов или дней при трансформации изотропной фазы в немитическую фазу. Поворот капилляра с0 на 180° под перекрестными поляризаторами показал, что область, которая выглядела темной под одним углом казалась светлой под др. углами (Fig. 4C). Это подразумевает, что раствор не просто коллекция упорядоченных регионов, вкрапленных в изотропное окружение, т.к. такие образцы должны были иметь многочисленные не двупреломляющие регионы, темные при всех углах. Скорее возникший раствор состоял из многочисленных примыкающих упорядоченных доменов с разной ориентацией. Критическая концентрация c0 строго зависела от концентрации соли. Напр., c0 была ~120 µM при 30 mM KCl, ~200 µM при 90 mM и ~350 µM при 400 mM KCl.
Onsager's классическая I-N теория применима только для жестких палочковых систем с аспектом соотношения более 100. ParM филаменты были короткими и в среднем только ~1µm в длину [Garner et al., 2004]. Из ЭМ реконструкций [Popp et al., 2008], диаметр филамент может быть подсчитан равным ~74 Å. Это означеет, что ParM являются заряженными полужесткими палочками с L/D отношением ~135.
Следовательно, фазовый переход в соответствии с теорией Onsager д. происходить при C* ~0.03. Это д. соответствовать концентрации ParM приблизительно в 400 µM. Наблюдаемые I-N фазовые переходы встречаются при ~350 µM при высокой концентрации соли (400 mM) в пределах, предсказываемых классической теорией Onsager. Более реалистичная модель рассматривает ParM как заряженные палочки скорее, чем жесткие, ригидные палочки как в оригинальной модели Onsager [Purdy et al., 2003]. Электростатические взаимодействия могут быть объяснены теоретически путем определения эффективного диаметра Deff, крупнее, чем голый диаметр, который приблизительно равен расстоянию между частицами, когда потенциал взаимодействия равен приблизительно kBT, в случае ParM, ~74 Å. Снижение ионной силы раствора, содержащего заряженные частицы вызывает увеличение эффективного диаметра. При низкой ионной силе (90 mM), I-N переход происходит по фактору ~1.8 раз ниже в концентрации, чем при высокой ионной силе, где Deff, как ожидается будет ~133 Å. Измеренные расстояния между частицами от экваториального отражения паттернов X-ray дифракции от нематической фазы при 90 mM KCl показывают, что филаменты были разделены ~135 Å, это согласуется в ожидаемым Deff. Ориентация филамент в нематической фазе может быть подсчитана из наблюдаемого паттерна X-ray дифракции, которые обнаруживает строго 24 Å меридионального отражения, возникающего из субъединиц повторяющихся мономеров внутри леворучной ParM спирали (Fig. 4E). Дуговой разряд этого отражения позволяет подсчитать стандартное отклонение ориентации филамент [Makowski, 1978]. Спонтанное упорядочивание ParM филамент в нематической фазе удивительно хорошо, а стандартное отклонение ориентации филамент составляет ~10-15°. В изотропной фазе филаменты ориентированы полностью случайно как только диффузное рассеивание может быть определено по паттернам X-ray дифракции (Fig. 4D). Хотя бактериальные актины могут формировать жидкие кристаллы in vitro, эти структуры вряд ли имеют какое-либо отношение к функции in vivo из-за низкой концентрации в клетке, которая лишь ~10-15 µM [Bugge-Jensen and Gerdes, 1999].

Molecular Crowding


Существенная фракция (вплоть до 40%) от общего объёма любой клетки занята макромолекулами. Молекулярная теснота, как известно, оказывает выраженное влияние на молекулярный транспорт, скорость реакции, химическое равновесие, термодинамику клеточных процессов и может усиливать нативное состояние белков [Minton, 1998, 2001]. Объём, занимаемый молекулами (который не является точечным объектом) недоступен для др. молекул. Это называется исключенным объемом [Zimmermann and Trach, 1991]. Исключенный объем увеличивает эффективную концентрацию молекул и влияет на физические свойства раствора [Minton, 1998, 2001; Tang and Bloomfield, 2000]. Следовательно, исключенный объем не может быть игнорирован внутри клетки, где крупные и малые молекулы, и нерастворимые компоненты подавляют молекулярные движения и динамику внутри ограниченного объёма. Скорость диффузии биомолекул внутри клетки значительно медленнее, чем в разбавленных растворах [Minton, 2000]. Эффект исключенного объема способствует реакции, которая осуществляется со снижением эффективного объема, поскольку свободная энергия системы д. увеличиваться с ограничением конформационной энтропии молекул в системе [Minton, 2000].
Cosolutes действуют как osmolytes в жидких растворах, изменяя поведение воды и др. молекул в системе. Воздействия (Shells) молекул воды гидратируют биомолекулы и неподвижные клеточные компоненты, снижая пул свободных молекул воды [Luby-Phelps, 2000]. Кроме того, обилие малых гидрофильных молекул, таких как метаболиты, в то же время не генерируя эффекта большого исключенного объема, всё это нарушает поведение молекул воды. Следовательно, осмолиты оказывают драматическое влияние на свойства биомолекул путем изменения их гидратации. Следовательно, осмотическое давление является критическим фактором, который нарушается теснотой молекул. Физиологической демонстрацией этой изменчивости является то, что низкое количество молекул воды существует свободно в опухолевых клетках по сравнению с нормальными клетками [Damadian, 1971].
Чтобы воспроизвести тесноту молекул in vitro, разные молекулы могут быть использованы в качестве сгущающих агентов. Сгущающие агенты д. удовлетворять критериям: они д. быть инертными, не вызывать химических взаимодействий между молекулами мишенями и сгущающим cosolute, и они д. быть сильно растворимы в воде, чтобы стимулировать условия молекулярной тесноты. Как результат, обычно используемыми сгущающими агентами являются polyvinyl alcohol, methycellulose и Ficoll. Благодаря эффекту исключенного объема и осмотического давления молекулярная теснота ведет к силам короткого действия между системами клеточных филамент, а сдвиги равновесия ведут от одиночных филамент к более сложным супрамолекулярным структурами (Figs. 1C and 1D) [Popp et al., 2008]. Приведем два примера:

Actin and MTs


На ведущем крае эукариотических клеток типичный цитоскелет состоит из плотного и сложного расположения кортикального актина. Ячейки сети обнаруживаются поперек lamellopodium, в виде длинных параллельных пучков в microspikes и filopodia [Pollard, 2010]. Параллельные пучки являются также компонентами стрессовых волокон, которые заканчиваются в пятнах локальных адгезий [Hotulainen and Lappalainen, 2006]. Хотя сегодня хорошо известно, что повышение концентраций макромолекул управляет превращениями актиновых филамент в параллельные пучки, состоящие из тесно упакованных параллельных нитей F-actin [Tang and Janmey, 1996], многие белки, связывающие актин, белки нуклеации и секвестрирования существуют в клетке [Pollard, 2010] , которые изменяют или даже противодействуют притягивающим компонентам между F-actin филаментами, вызываемые молекулярной теснотой. На дистальных кончиках филоподий пучки. формируемые молекулярной теснотой далее стабилизируются с помощью fascin [Nagy et al., 2008]. Интересно, что моторный белок myosin X перемещает только грубо и прогрессивно актиновые пучки независимо от усовершествования с помощью fascin. Это демонстрирует важность F-actin супраструктуры, показывая, что myosin X распознает локальные структурные расположения филамент в виде длинных пучков, обеспечивая механизм для сортировки груза в удаленные сайты мишени [Nagy et al., 2008].
Клеточные стрессы др. ситуация, где актин может контролироваться физическими силами скорее, чем регулироваться с помощью белков, связывающих актин. Внешние стрессы, такие как те, что вызываются органическим растворителем dimethyl sulfoxide (DMSO), заставляют формироваться актиновым пучкам в ядре Dictyostelium и клетках Hela [Fukui and Katsumaru, 1980]. Sanger et al. [ 1980] показали, что в PtK2 клетках и WI-38 фибробластах человека DMSO заставляет стрессовые волокна исчезать из цитоплазмы, а многочисленные удлиненные включения появляются в ядре. Эти результаты указывают, что под воздействием DMSO, растворение срессовых волокон высвобождает актин в форме, которая позволяет ему диффундировать в ядро, где он оказывается организованным в колеблющиеся филаментозные пучки. В ядре, имеется, скорее всего, недостаточное количество актин-связывающих белков. Поэтому в этом компартменте актин может давать пучки нерегулируемым образом, управляемые молекулярной теснотой.
В отличие от др. биополимеров, таких ка ДНК или F-actin, MTs полые. Следовательно, если добавленные инертные макромолекулы достаточно крупные, чтобы быть исключенными из внутреннего пространства MT, то дисбаланс давления, будет создаваться между внутри и снаружи MT. При достаточно значительном различии в давлении MTs смогут прогибаться в несферические в поперечном срезе и кроме того будут упаковываться в решетку с прямоугольной симметрией [Needleman et al., 2004]. Возникают вопросы о состоянии MTs в условиях, обнаруживаемых в живых клетках. Осмотическое давление внутри клеток может быть в пределах megapascal [Bray, 2001], на порядок величин больше, чем осмотическое давление, необходимое для вспучивания MTs. Хотя прямоугольная фаза вспучиваемых MTs супрессируется сотв. MAPs, или поскольку некоторые агенты сгущения способны проникать в просвет MT, осмотическое давление всё ещё достаточно высокое, чтобы формировать гексагональные пучки посредством истощения-привлечения, сил от малых молекул, которые удерживают крупные молекулы вместе и это наблюдается в клетках в условиях стресса [Rieder and Bajer, 1977]. Как и в случае актина MAPs осложняют ситуацию в условиях тесноты, однако, актин-подобные и MT-подобные белки (ParM и FtsZ), обнаруживаемые в бактериях, имеют мало ассоциированных белков и представляют более удовлетворительное мнение о действительных эффектах молекулярной тесноты на образование супрамолекулярных структур.

ParM-R1


Используя криоэлектронную микроскопию, филаменты R1-ParM наблюдались в форме маленьких пучков скорее, чем одиночных филамент у E. coli [Salje et al., 2009]. Точная молекулярная локализация организации не может быть определена в этом исследовании из-за ограничения разрешения. Вместо этого пучки и платформы из R1-ParM могут быть сформированы in vitro, используя агенты сгущения и катионы (Mg2+), которые воспроизводят физиологические условия внутри бактериальной клетки. Полярность индивидуальных филамент внутри этих супраструктур определена и молекулярные контакты между филаментами идентифицированы. Интересно, что интерфейсы были сходными между параллельно и антипараллельно ориентированными филаментами внутри пучков [Popp et al., 2010d]. Это объясняет случайность ориентации филамент экспериментально наблюдаемую в пучках [Popp et al., 2007]. Контакты между филаментами, по-видимому, не используют специфические остатки, а скорее крупные участки негативно заряженных аминокислот, Это базируется на смеси осмотического давления от молекулярной тесноты и сил, вызываемых противоионами, чтобы сформировать эти супрастуркутры [Popp et al., 2010d]. Такая организация пучков имеет два преимущества, когда двунаправленно сегрегируют крупные ДНК в клетках прокариот. Случайно ориентированная природа пучков позволяет ДНК залавливаться с одинаковой эффективностью на обоих концах пучка. Во-вторых, образованные в пучки филаменты существенно увеличивают жесткость, позволяя системе маневрировать относительно крупных полезных грузов, ДНК плазмид (Fig. 5).
Теперь мы обратим внимание на фундаментальный биофизический вопрос, а именно распределение пучков в устойчивом состоянии.
Формирование пучков in vitro F-actin, вызываемое молекулярной теснотой [Tang et al., 1997], мультивалентными катионами [Lai et al., 2007] или связывающими белками [Haviv et al., 2008] было изучено как экспериментально, так и теоретически. Во всех экспериментах выявлено общее свойство: F-actin пучки в устойчивом состоянии были всегда конечного размера. Наблюдение стабильных агрегатов F-actin пучков выявило интересную неожиданность. Теоретическое равновесие растворов заряженных палочек фиксированной длины предсказывает образование сетей при низких концентрациях линкеров [Borukhov et al., 2005]. Помимо критической концентрации линкеров, цилиндрические агрегаты д. расти в размере до тех пор, пока добавление свободных палочек не будет истощено. Теория д. предсказывать, что для данного агента сгущения (crowding) или концентрации поливалентного катиона д. сформироваться одной величины агрегат во временем.
Объяснения для конечного размера F-actin пучков были сфокусированы на возможности дальнодействующих взаимодействий [Henle and Pincus, 2005], на кинетических ограничениях размеров пучков [Ha and Liu, 1999], на дефектах упаковки [Gov, 2008] и chirality [Grason and Bruinsma, 2007]. Интересно, что ParM пучки ведут себя по-другому, чем F-actin в присутствии молекулярной тесноты, т.к. они обнаруживают строгую тенденцию к anneal бок о бок [Popp et al., 2008]. Они делают это так, что перекрывание между пучками максимальное. Доминирующая энергия. управляющая этим процессом д. быть приписана ригидным адгезивным взаимодействиям между пучками [Popp et al., 2008]. При высоких концентрациях ParM бок о бок и конец в конец выравнивание (annealing) в самом деле., по-видимому, ведет к образованию одиночного агрегата, как предсказывает теория равновесия [Popp et al., 2010d]. Почему актин и ParM ведут себя по-разному остается неясным. Пучки ParM, которые индуцируются с помощью поливалентных катионов, ведут себя совершенно отлично, чем те. что сформированы за счет молекулярной тесноты (crowding). Здесь, со временем, пучки сливаются (Fig. 3D), всё же процесс не доходит до завершения из-за chirality филамент (Figs. 3E and 3F). Сходные наблюдения сделаны относительно катионами индуцированных MtbFtsZ филамент [Popp et al., 2010e], это говорит в пользу роли chirality в ограничении размеров пучков [Grason and Bruinsma, 2007].

FtsZ


Белон деления бактериальных клеток, FtsZ, гомолог тубулина эукариот, собирается в кольцо. наз. Z-ring. Z-кольцо образуется на внутренней стороне цитоплазматической мембраны и обеспечивает сжатие мембраны, приводя к появлению двух новых клеток [Lutkenhaus and Addinall, 1997]. Помимо образования Z-кольца, FtsZ также формирует динамические временные спиральные ансамбли у некоторых бактерий [Peters et al., 2007]. В зависимости от стадии клеточного цикла, идентифицированы три разных паттерна локализации FtsZ, важных для цитокинеза. В новорожденных клетках, FtsZ движется в виде спиральных паттернов через всю длину клетки. Со временем эти спирали укорачиваются, чтобы наконец быть перераспределенными в кольцевую структуру [Peters et al., 2007] (Fig. 6). Теоретические подсчеты показали, что перераспределение от спирального паттерна в конденсированной цитоскелетное кольцо из множественных филамент может возникать из арко-подобных спонтанных изгибов FtsZ филамент, при соединении их с мембраной [Shlomovitz and Gov, 2009]. Группа Harold Erickson's показала, что к мембране доставленная конструкция FtsZ д. быть инкорпорирована в липосомы и она собирается в кольца in vitro. В присутствии GTP, кольцами генерируемые силы сужения, д. деформировать мембрану в отсутствие др. дополнительных факторов [Osawa et al., 2008].
Интересно, что FtsZ от разных видов (E. coli или M. tuberculosis) могут быть организованы in vitro в независимые от нуклеотида супрамолекулярные структуры, такие как прямые пучки, спирали, кольца или тороиды, сходные с теми, что наблюдаются in vivo как функция молекулярной тесноты и противоионов [Popp et al., 2009, 2010e]. Трансформации между разными конфигурациями (прямая - спиральная - циркулярная) могут быть объяснены, исходя из предположения, что субъединицы FtsZ существуют в двух разных структурных конформациях, которые являются бистабильными (Fig. 7), интерпретация, сходная с таковой дана для множественных состояний, наблюдаемых в бактериальных жгутиках [Calldine, 1978]. Локальные условия могут сдвигать бистабильный потенциал и индуцировать переключение на изгиб или крен (pitch). Этот феномен может объяснить наблюдаемый переход от спиральных филамент к Z-кольцу и наоборот, как это наблюдается у некоторых бактерий in vivo [Peters et al., 2007]. Наблюдение разных независимых от нуклеотида конформаций FtsZ филамент является др. примером существования и, возможно физиологической важности, структурной пластичности цитоскелетных филамент, как это предполагается для F-actin и MTs в эукариотических клетках [Kueh and Mitchison, 2009].
50 лет назад модель двух состояний FtsZ была прделожна, исходя из исследования идентифицированных двух крайних конформаций филамент: a прямой конформации, которая предпочтительна при связывании ГТФ и сильно изогнутая конформация, связанная с ГДФ, где в 22° наклон между субъединицами ведет к образованию мини кольца из субъединиц и с наружным диаметром в 24 nm [Erickson et al., 1996]. Мини кольцо наблюдается только при нефизиологических экспериментальных условиях в присутствии высоко заряженных катионных липидных монослоёв или diethylaminoethyl cellulose (DEAE)-Dextran [Erickson et al., 1996]. Было подсчитано, что E. coli FtsZ филаменты содержать смесь ГТФ:ГДФ приблизительно в соотношении 80:20, это д. предсказывать средний наклон между субъединицами в пределах 4.4° , соответствующего диаметру ?125 nm [Romberg and Mitchison, 2004].
Несмотря на различные указания о существовании двойственного состояния, только одно структурное состояние FtsZ наблюдалось с помощью X-ray кристаллографии [Oliva et al., 2007]. Сравнение кристаллической структуры FtsZ от разных видов бактерий в присутствии разных нуклеотидов не предоставило доказательств конформационного изменения за счет движения доменов [Oliva et al., 2007]. Это не столь уж неожиданно, т.к. FtsZ в кристаллах всегда существует в виде прямых филамент из-за ограничений решетки (lattice), что д. скрывать наблюдение второго изогнутого конформационного состояния.
Недавно появились доказательства существования слабо искривленной конформации FtsZ протофиламент, которая не зависела от ГТФ гидролиза. FtsZ филаменты, полимеризующиеся in vitro при почти физиологической тесноте спонтанно собирались в кольца и тороиды, каждый в 100 nm в диаметре [Mingorance et al., 2005; Popp et al., 2009, 2010e] (Fig. 8). E. coli FtsZ, экспрессирующиеся в цитоплазме дрожжей, формируют тороид подобные структуры ~ 500 nm в диаметре, которые несмотря на крупный размер, кажутся родственными кольцам и тороидам, наблюдаемым in vitro в условиях тесноты [Srinivasan et al., 2008]. В обоих случаях структуры состоят из тороидов рыхло соединенных филамент (Fig. 8). Эти тороиды, которые свободны в насыщенных растворах и не связаны с мембраной, по-видимому, пребывают в расслабленной структуре или состоянии минимизированной энергии, и которые не ограничиваются маленьким диаметром. В некоторых случаях E. coli FtsZ тороиды были полностью заполнены FtsZ молекулами. Здесь спиральная структура, по-видимому, становится нерегулярной по диаметру менее 200 nm (Fig. 8). Это указывает на то, что пока возможно ограничиваться ниже 200 nm, регулярные контакты между филаментами, формирующие кольцевую структуру, оказываются разорванными вне этой кривизны. Вообще-то, переход к полной дезинтеграции Z-кольца в конечной стадии сужения согласуется с внезапным исчезновением Z-кольца, наблюдаемым in vivo при световой микроскопии [Peters et al., 2007].
Диаметр одиночных индивидуальных колец, наблюдаемый in vitro в условиях тесноты, обнаруживает некоторую вариабельность, но остается в среднем ~200 nm у E. coli и M. tuberculosis FtsZ с наклоном между субъединицами приблизительно в 2.5° [Popp et al., 2009, 2010e] (Fig. 8). Для E. coli, FtsZ тороиды вырастают из инициального кольца путем конденсации новых филамент исключительно к наружной сторо, достигая наружного диаметра ~400 nm, тогдак как у M. tuberculosis FtsZ тороиды растут как в внутренней, так и внешней стороны, достигая минимального внутреннего диаметра ~80-125 nm (Fig. 8) [Popp et al., 2009, 2010e]. Интересно, что эти значения д. быть близки к среднему изгибу в 4.4° между субъединицами, этого можно ожидать от нуклеотидного содержимого FtsZ полимеров, определённого Romberg and Mitchison, когда соотношение ГТФ:ГДФ было 80:20, исходя из корректности модели Erickson двух состояний [Erickson et al., 1996; Romberg and Mitchison, 2004].
FtsZ полимеры от E. coli и M. tuberculosis маркируют две крайности в семействе FtsZ. E. coli FtsZ собираются в водных растворах в основном в прямые приблизительно 180 nm длиной, линейные одиночные нити филамент [Chen et al., 2005], тогда как M. tuberculosis FtsZ , как было установлено, полимеризуются в филаменты в несколько микрометров длиной [Chen et al., 2007]. У M. tuberculosis они приблизительно в 0.3-0.5 µm шириной, поэтому филаменты длиной в несколько микрометров д. легко формировать непрерывные спирали, состоящие из нескольких видов в бактерии, это согласуется с ~15,000 молекулами FtsZ внутри клетки [Lu et al., 1998]. В самом деле, архитектура M. tuberculosis FtsZ тороидов in vitro, по-видимому, согласуется с филаментами обвивающимися по окружности вокруг тороидов, скорее всего один виток на всю длину каната (Fig. 8). E. coli FtsZ филаменты существенно короче in vitro и можно ожидать, что тороиды будут состоять из перекрывающихся полимеров (Fig. 9). Однако, длина филамент существенно увеличивается in vitro до ~600 nm в присутствии молекулярной толчеи (crowding), скорее всего из-за соединения конец в конец [Popp et al., 2009] (Fig. 9). Прикрепление к мембране д. ещё больше способствовать стыковке, это, как можно ожидать, д. двать филаменты достаточно длинные, чтобы занять ~0.5 µm диаметр E. coli [Erickson, 2009]. Филаменты внутри этих суперструктур выглядят как однонитчатые спиральные филаменты в противоположность линейным протофиламентам, наблюдаемым с водных растворах [Popp et al., 2009]. Это указывает на то, что FtsZ оперируют в двух фундаментально отличающихся конформациях.
Закрепленные на мембране FtsZ протофиламенты необходимы, чтобы генерировать изгибающие силы, которые сужаются до, по крайней мере, 125-200 nm. Как может быть сгенерировано подобное сжимающие усилие? Ключом к ответу является ассоциация FtsZ в супрамолекулярные структуры посредством боковых мостиков между протофиламентами. Структура умеренно искривленного тороида формируется in vitro в присутствии молекулярной тесноты, а поливалентные катионы могут воспроизводить соотв. боковое притяжение [Popp et al., 2009, 2010e]. Здесь филаменты оказываются расположенными в виде жидкоподобной решетки для E. coli FtsZ, со средним расстоянием между филаментами приблизительно 68 Å. Для M. tuberculosis, пространственное расположение FtsZ было сходным в теснотой и катионами индуцированных тороидах, но было более нерегулярным, чем у E. coli обнаруживая дополнительные дефекты упаковки. Согласно этим результатам FtsZ протофиламенты, которые приблизительно в 40 Å в диаметре [Lowe and Amos, 1998], д. быть разделены ~15-20 Å внутри Z-кольца. Мы приходим к выводу, что два физических принципа, молекулярная теснота и конденсация катионов, ведут к образованию Z-кольца. Латеральные взаимодействия, обусловленные осмотическим давлением, генерируемые в результате молекулярной тесноты, должны предоминировать, поскольку это давление возрастает с повышением ионной силы (~350 mM KCl в цитоплазме бактерий [Cayley et al., 1991]), где общий негативный заряд строго защищен с помощью моновалентных катионов. Однако, взаимодействия всё ещё могут быть модулированы за счет флюктуаций противоионов.
В этой гипотезе нет необходимости предполагать какие-либо взаимодействия между FtsZ филаментами. Скорее мы можем предполагать, что как в случае R1-ParM [Popp et al., 2010d], поверхности взаимодействий могут быть достаточно крупными и что могут взаимодействовать подобно заряженным поверхностям. В этой модели Z-ring д. содержать случайно ориентированные FtsZ филаменты. Деликатный баланс (shielded) электростатического отталкивания негативно заряженных FtsZ филамент, вместе с силами притяжения, обусловленными молекулярной теснотой и флюктуациями противоионов, позволяют филаментам скользить одна относительно др. (Fig. 10). При таком режиме, кольцо д. сжиматься, чтобы минимизировать радиус, это не связано с энергетическими затратами от напряжения при чрезмерном изгибании, чтобы минимизировать количество протомеров филамент, которые не удовлетворяются латеральными взаимодействиями. Посредством столь простого механизма, который в основном энергетически нейтрален, мы полагаем, что Z-кольцо постоянно проявляет силу сужения на мембрану и что сужение в конечном итоге происходит, когда ремоделирование с помощью peptidoglycan позволяет стенке уступать этой силе [Moll et al., 2010]. Постоянная сужающая сила согласуется с высоким оборотом FtsZ , наблюдаемым с помощью Forster resonance energy transfer (FRET) [Chen et al., 2005, 2007]. Др. ассоциированные с FtsZ белки могут еще более тонко настраивать операцию [Peters et al., 2007].
Силы, необходимые для сужения мембраны и образования из неё перегородки, подсчитаны равными между 1 и 8 pN [Lan et al., 2007; Drew et al., 2009], получен ряд сходных величин для сил, генерируемых моторными белками в клетках эукариот. Несколько теоретических моделей генерации сил боковых связей между FtsZ филаментами было предложено, которые д. показать необходимость сил для клеточного деления. Одна такая модель описана Horger et al. [ 2008], она предполагает, что филаменты взаимодействуют др. с др. с помощью Lennard-Jones потенциала, который обеспечивает баланс отталкивающих и притягивающих компонент, подобно модели, представленной здесь, которая базируется на доказательствах от недавних экспериментов. Allard and Cytrynbaum предложили модель "hydrolyze and bend" , базирующуюся на предположение, интерфейсы протофиламент являются прямыми при ГТФ и согнутыми на 22° при ГДФ [Allard and Cytrynbaum, 2009]. В этой модели под действием кривизны, вызванной силами сужения, слабые боковые связи разрываются и филаменты скользят мимо одна другой и образуют новые соединения. Все ли филаменты необходимы, чтобы быть прикрепленными к мембране, является спорным вопросом (Fig. 9). В большинстве моделей, все протофиламенты закреплены на мембране с помощью боковых связей в плоскости мембраны, однако Gosh and Sain предложили модель сужения, где изгибание также является основным источником продукции силы, пока латеральные мостики соединяют филаменты перпендикулярно с мембраной в радиальном направлении, при этом только наружное кольцо д. быть закреплено на мембране [Gosh and Sain, 2008] (Fig. 9). Эта модель считается проблематичной из-за необходимости аккомодации латеральных связей с уменьшением радиуса [Erickson, 2009]. FtsZ тороиды, образуемые in vitro чётко показывают, что латеральные связи не составлют проблем, по крайней мере, ниже экспериментально наблюдаемых значений примерно в 100-200 nm. Если, как демонстрируют современные данные, латеральные мостики между соседними FtsZ филаментами слабые, то противоионами обеспечиваемые взаимодействия крупных интерфейсов без предпочтительных специфических позиций стыковки, то образуемые мостики, как ожидается. д. быть независимыми в отношении радиуса. Следовательно, латеральная в противовес радиальной геометрия сужения всё ещё остается нерешенным вопросом, пока скорее всего Z-кольцо состоит из смеси латерально и радиально связанных FtsZ филамент.

Conclusions


Very flexible polymers have been shown to condense in poor solvents into roughly spherical globules. A flexible polymer with a net attractive force will try to maximize filament–filament interactions, or conversely try to minimize filament–solvent interactions, in order to expose the minimal surface area. Many cellular filament systems, however, are relatively stiff and bending incurs an energy penalty. These semiflexible polymers form toroids and linear or helical bundles depending on the persistence length, ionic conditions, and pH.
The persistence length of FtsZ polymers [Huecas et al., 2008] practically coincides with the 50 nm persistence length of DNA [Rivetti et al., 1996]. In contrast, the persistence length of F-actin is in the range of ?10 ?m [Isambert et al., 1995] and we expect double helical bacterial actin-like filaments to be of similar stiffness. The small persistence length of DNA or FtsZ leads to a preference for forming toroids, whereas the long persistence lengths of actin-like filaments favor bundles or net-like structures. The lumen of all cells can be regarded as poor solvent conditions. Additionally, molecular crowding, which imposes an excluded volume effect and osmotic pressure on cellular filament structures, are the main underlying principles leading to complex structure formation.
Counterion effects predominate in low salt conditions (<100 mM), whereas, in bacterial cells, where the KCl concentration can be larger than 300 mM, molecular crowding effects dominate [Tang and Janmey, 1996]. Self-association of cellular filament systems into liquid crystals remains an interesting physical phenomena, however, a precise role in biological function has yet to be established. In conclusion, basic physical principles leading to polymorphic supramolecular filament systems were developed early in evolution and are an essential part of life.
Сайт создан в системе uCoz