タンパク質フィラメント

生物学では、タンパク質フィラメントは、髪の毛、筋肉、鞭毛などに見られるタンパク質モノマーの長い鎖です。^{[1]タンパク質フィラメントは集まって細胞の}細胞骨格 を形成します。細胞に支持、強度、剛性を与えるために、タンパク質フィラメントは束ねられることがよくあります。フィラメントが一緒に詰め込まれると、3つの異なる細胞部分を形成できます。細胞骨格を構成するタンパク質フィラメントの3つの主要なクラスには、アクチンフィラメント、微小管、中間径フィラメントがあります。

細胞骨格の他の部分と比較して、マイクロフィラメントには直径約 7 nm の最も細いフィラメントが含まれています。マイクロフィラメントは細胞骨格の一部で、アクチンと呼ばれるタンパク質で構成されています。2 本のアクチン ストランドが絡み合ってフィラメント構造を形成し、モータータンパク質の動きを可能にします。マイクロフィラメントは、モノマーの G アクチンまたはフィラメントの F アクチンのいずれかで発生します。^[2]マイクロフィラメントは、細胞膜の全体的な構成において重要です。アクチン フィラメントは、らせん状で柔軟性があると考えられています。複数のアクチン モノマーが連鎖して構成されており、柔軟性が加わっています。微絨毛、収縮環、ストレス ファイバー、細胞皮質など、体内のさまざまな場所に存在します。収縮環では、アクチンは細胞分裂を助ける能力があり、細胞皮質では細胞の構造的完全性に役立ちます。      

マイクロフィラメント重合

マイクロフィラメントの重合は 3 つのステップに分かれています。核形成ステップは最初のステップで、プロセスの律速かつ最も遅いステップです。伸長はこのプロセスの次のステップで、マイクロフィラメントのプラス端とマイナス端の両方にアクチン モノマーが急速に追加されます。最終ステップは定常状態です。この状態では、モノマーの追加はモノマーの減算に等しくなり、マイクロフィラメントはそれ以上成長しなくなります。これはアクチンの臨界濃度として知られています。アクチンの重合を制限することが知られている毒素がいくつかあります。サイトカラシンはアクチン ポリマーに結合する毒素であるため、入ってくるアクチン モノマーに結合できなくなります。ポリマーに元々付着していたアクチンはマイクロフィラメントから離脱し、脱重合を引き起こします。ファロイジンはアクチンに結合してフィラメントを固定する毒素です。モノマーはポリマーに追加も離脱も行わないため、分子が安定化します。ラトランキュリンはサイトカラシンに似ていますが、アクチンモノマーに結合してアクチンポリマーへの付加を防ぐ毒素です。これにより、細胞内のアクチンポリマーの脱重合が起こります。^[要出典]

アクチンベースのモータータンパク質 - ミオシン

体内にはアクチンと相互作用するタンパク質が数種類ある。しかし、最も有名なモータータンパク質の 1 つはミオシンである。ミオシンはこれらのアクチンに結合し、アクチンの動きを引き起こす。ミオシンがマイクロフィラメントに沿って動くことで、筋肉の収縮、膜結合、エンドサイトーシス、細胞小器官の輸送が引き起こされる。アクチン マイクロフィラメントは 3 つのバンドと 1 つのディスクで構成されている。A バンドは、筋肉の収縮時にミオシンに結合するアクチンの部分である。I バンドは、ミオシンに結合していないが、筋肉の収縮時に動くアクチンの部分である。H ゾーンは、筋肉が収縮し始めると収縮する 2 つの隣接するアクチン間の空間である。Z ディスクは、ミオフィブリルの構造単位であるサルコメアの各側の端全体を特徴付けるマイクロフィラメントの部分である。^[要出典]

マイクロフィラメントを制限するタンパク質

これらのマイクロフィラメントは、いくつかの要因やタンパク質によって制限される可能性があります。トロポモジュリンは、アクチンフィラメントの端を覆い、構造全体の安定性をもたらすタンパク質です。ネブリンは、アクチンの側面に結合してミオシンの付着を防ぐことができる別のタンパク質です。これにより、アクチンが安定化し、筋肉の収縮が制限されます。タイチンは別のタンパク質ですが、アクチンマイクロフィラメントではなくミオシンに結合します。タイチンは、収縮とミオシン-アクチン構造の安定化に役立ちます。^{[引用が必要]}

微小管は細胞骨格の中で最も大きなフィラメントで、直径は 25 nm です。^[3] 1 本の微小管は 13 本の線状微小フィラメントから構成されます。微小フィラメントとは異なり、微小管はチューブリンと呼ばれるタンパク質で構成されています。チューブリンは「αβ-チューブリン」または「チューブリン二量体」と呼ばれる二量体から構成され、これが重合して微小管を形成します。^{[3]これらの微小管は、構造的にシングレット、ダブレット、トリプレットの 3 つの主なグループに定量化されます。シングレットは、}細胞質に見られることが知られている微小管構造です。ダブレットは、繊毛と鞭毛に見られる構造です。トリプレットは、基底小体と中心小体に見られます。これらの微小管には 2 つの主な集団があります。不安定で寿命が短く、急速に組み立てられ、分解される微小管があります。もう 1 つの集団は、安定した長寿命の微小管です。これらの微小管は、長期間重合したままで、鞭毛、赤血球、神経細胞に見られます。微小管は、細胞小器官や小胞の組織化、繊毛や鞭毛の運動、神経や赤血球の構造、有糸分裂や減数分裂中の染色体の整列/分離において重要な役割を果たすことができます。^{[引用が必要]}

細胞内の方向

細胞が間期にあるとき、微小管はすべて同じ方向に向く傾向があります。負に帯電した端は細胞の核に近くなり、正に帯電した端は細胞体から離れた方向を向きます。細胞内にある基底小体は、微小管がこの特定の方法で方向を向くのを助けます。有糸分裂細胞では、正に帯電した端は細胞から離れた方向を向き、負に帯電した端は微小管形成中心(MTOC) に向かうため、同様の方向が見られます。これらの微小管の正に帯電した端は染色体の動原体に付着し、必要に応じて細胞分裂を可能にします。神経細胞は、これらの他の 2 つの方向とは異なる傾向があります。軸索神経細胞では、微小管は負に帯電した端が細胞体に向かって、正に帯電した端が細胞体から離れた方向に配置されます。ただし、樹状突起では、微小管は異なる方向をとることができます。樹状突起では、微小管の正電荷端は細胞体に向かっているが、負電荷端は細胞体から離れた位置にある可能性が高い。^[要出典]

微小管を破壊する薬剤

コルヒチンは、微小管阻害剤として使用されていることが知られている薬剤の一例です。コルヒチンは、微小管内の二量体にあるαチューブリンと β チューブリンの両方に結合します。低濃度では微小管の安定化を引き起こしますが、高濃度では微小管の脱重合を引き起こす可能性があります。タキソールは、微小管を標的にして乳がんの治療によく使用される別の薬剤です。タキソールは、尿細管の側面に結合し、細胞分裂の阻害を引き起こす可能性があります。^{[引用が必要]}

細胞分裂における役割

細胞分裂に関与する微小管には、主に 3 つの種類があります。星状微小管は、中心体から細胞皮質に向かって伸びるものです。星状微小管は、皮質ランドマーク沈着物を介して細胞膜に接続できます。これらの沈着物は、極性キュー、成長および分化因子、または接着接触によって決定されます。極性微小管は、細胞の中心に向かって伸び、細胞が分裂している赤道と重なります。動原体微小管は伸びて染色体上の動原体に結合し、細胞分裂を助けます。これらの微小管は、正の端で動原体に付着します。NDC80は、この結合点にあるタンパク質で、細胞分裂中にこの相互作用を安定化するのに役立ちます。細胞分裂プロセス中、微小管全体の長さは変化しません。ただし、トレッドミル効果が発生し、これらの染色体が分離する可能性があります。^{[引用が必要]}

中間径フィラメントは、ほとんどの真核細胞に見られる細胞骨格構造の一部です。中間径フィラメントの例としては、ニューロフィラメントが挙げられます。ニューロフィラメントは軸索の構造を支え、細胞骨格の主要部分を占めています。中間径は平均10 nmで、微小管よりは小さいですが、マイクロフィラメントより大きいです。^[4]これらの10 nmのフィラメントは、中間径フィラメントと同じファミリーに属するポリペプチド鎖で構成されています。中間径フィラメントは、微小管やマイクロフィラメントとは異なり、細胞の直接的な動きには関与していません。中間径フィラメントは、クロストークと呼ばれるプロセスで細胞間コミュニケーションに関与することができます。このクロストークは、機械感覚を助ける可能性があります。この機械感覚は、体内での細胞移動中に細胞を保護するのに役立ちます。また、アクチンと微小管を細胞骨格に結びつけ、細胞の移動と分裂を促進する役割も果たします。最後に、これらの中間径フィラメントは、プレクチン架橋を介して連続接着結合を組織化することで血管透過性を高める働きがあります。^[5]

中間径フィラメントの分類

中間径フィラメントは、主にアクチンとチューブリンから構成されるマイクロフィラメントや微小管とは異なり、いくつかのタンパク質から構成されています。これらのタンパク質は、類似した特性に基づいて 6 つの主要なカテゴリに分類されています。タイプ 1 および 2 の中間径フィラメントはケラチンから構成され、主に上皮細胞に見られます。タイプ 3 の中間径フィラメントにはビメンチンが含まれています。これらは、平滑筋細胞、線維芽細胞、白血球など、さまざまな細胞に見られます。タイプ 4 の中間径フィラメントは、ニューロンに見られるニューロフィラメントです。これらは、これらの細胞を支えるさまざまな運動軸索に見られます。タイプ 5 の中間径フィラメントは、多くの真核細胞の核膜に見られる核ラミンから構成されています。これらは、核膜内のこれらの細胞に直交ネットワークを組み立てるのに役立ちます。タイプ 6 の中間径フィラメントは、中枢神経系の幹細胞と相互作用するネスチンに関与しています。^[6]