docביולוגיה של התא - שיעורים 21-22
download 
Report Transcription
ביולוגיה של התא - שיעורים 21-22
שיעור :21וירוסים – פתוגנים 223 24.05.2010 שיעור :21וירוסים – פתוגנים בשיעור זה אנחנו נראה מדוע כשמסתכלים על פתוגנים ,ובמיוחד על וירוסים – שהם פאראזיטים אובליגטוריים – אנו עדיין עוסקים בביולוגיה של התא .שיעור זה מעט שונה מהאחרים כי אנחנו ננסה להתחיל לראות נתוני אמת ממעבדות וזוהי הזדמנות לראות איך נעשה מחקר. הקדמה אם אנחנו מסתכלים על פתוגנים דוגמת נגיפים הקיימים היום ,ניתן לומר שבשל יכולת הניצול של המנגנונים והמאגרים הנמצאים בתאים אנחנו יכולים להגדיר את הנגיפים כמומחים והעתיקים ביותר מבין האורגניזמים החיים. נגיפים שמנצלים את התאים עושים זאת במנגנון שהוא מהותי להבנת הפעילות של הפתוגן .אם אנחנו בוחנים היום פתוגנים של אנימליים בכלל ובני אדם בפרט ,ההבנה של המקומות בהם הפתוגנים נמצאים היא-היא ההבנה שתוביל אותנו לדרכי טיפול וריפוי. טפילות :החיים הטובים כשאנו מדברים על פתוגנים אנחנו עוסקים למעשה בפאראזיטים .בתמונה ניתן לראות טפיל – פרעוש – אולם גם אם מגדילים את רגלו של הפרעוש ניתן לראות טפילים אחרים שמטפילים את הפרעוש ,כמו הקרדית – חרק טפיל של פרעוש .כשמתמקדים בקרדית רואים נקודות שהן מושבות חיידקים שטופלות את הקרדית; בתוך החיידקים היינו יכולים לראות בקטריופאג'ים – נגיפים התוקפים חיידקים .זוהי סדרה של תצורות חיים פאראזיטיות. צורות שונות של טפילים אנושיים נגיפים אם נסתכל על פאראזיטים אנושיים אנחנו רואים קטגוריות שונות לפאראזיטים :משמאל אנו רואים תמונה של נגיף הפוליו; נגיף זה הוא למעשה צבר של חלבונים וחומר גנטי ) RNAבמקרה זה( .ניתן להתרשם מגודלו הקטן מאוד – כ 30-ננומטר קוטרו .הגנום של הפוליו כולל רק כ- 7500חומצות גרעין )זוגות בסיסים( ,ואנחנו יכולים להבין שגנום כה קטן מאפשר מורכבות ביולוגית מאוד מוגבלת וקטנה ,כ 10-טיפוסי חלבונים שונים המקודדים על גדיל ה.RNA- החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב ביולוגיה של התא -הרצאות1 224 אין לנו כאן מאפיינים רבים שלמדנו כהכרחיים לתאים :ממברנות .DNA ,אפילו צריכה קבועה של אנרגיה אינה קיימת בנגיף בודד שאינו נמצא בתא – לנגיף בודד אין אלמנטים המאפשרים מטאבוליזם ,ולכן מחוץ לקונטקסט התאי הם לא נחשבים יצורים חיים. מה בכל זאת קיים? החלבונים של מעטפת הנגיף מאפשרים קישור עם התא ,דבר שיאפשר תהליך מטאבולי .התהליך המטאבולי החשוב הוא התרבות – יצירה של נגיפים חדשים .העברת החומר הגנטי לתא תאפשר יצירה של אלמנטים הכרחיים ליצירה של נגיפים חדשים. וירוסים מורכבים מגנום קטן ביצור קטן ופשוט מאוד ,המורכב ממספר מצומצם של חלבונים. חיידקים )פרוקריוטיים( שימו לב :התמונה של Vibrio Choleraeמראה למעשה Toxoplasma gondiוההיפך. חיידק הכולרה הוא כבר קפיצת מדרגה מהנגיפים – בחיידק ניתן לזהות את כל התכונות שקבענו כתכונות מינימליות לקביעה שהיצורים הם חיים ,שכן החיידק הוא תא – גם אם לא אאוקריוטי – ולכן יש לו ממברנה שמפרידה את תוכנו מהסביבה DNA ,כחומר גנטי ,והוא מסוגל לקיים מטאבוליזם וצורך אנרגיה בכל רגע נתון. המורכבות הזו מתבטאת כבר בגודל של הגנום – כאן כבר קיימים 4מיליון זוגות בסיסים. חד-תאיים )פרוטוזואה( סוג נוסף של פאראזיטים הומניים הם הטוקסופלזמה גונדי, פרוטוזואה – יצור חד תאי אאוקריוטי ,שבו ניתן לזהות את המאפיינים האאוקריוטיים: גרעין, תוספת מורכבות המתפרשת בתוספת חומר גנטי – כ 80-מיליון זוגות בסיסים. רב-תאיים ישנם גם פאראזיטים רב -תאיים – כמו הנמטודות .במקום תא אחד יש אורגניזם רב תאי ,דרוש תיאום בין התאים ולכן קידוד של אינפורמציה נוספת – כאן מדובר בכ 230-מיליון זוגות בסיסים. בצורה זו אנו רואים שיש מגוון רחב של פאראזיטים וצורות חיים .אנחנו רואים שיש רמות שונות של מורכבות ,והנגיפים – בהם נעסוק היום – הם הפשטות המקסימלית. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :21וירוסים – פתוגנים 225 קווי ההגנה • מחסומים פיזיים – שכבת העור שחוסמת כניסת פתוגנים ,מרחבים בגוף שבעלי אפיונים כימיים להגנה – כמו חומציות הקיבה שאמורה לטפל ברוב צורות הפתוגנים שמנסים להתיישב דרך העיכול. יש לנו כמה אתרי חשיפה לפתוגנים ,שם מנסים לקיים מפגש תנאים שלא יאפשרו התיישבות הפתוגנים בגופנו ,על מנת לשמור על רקמות הגוף כסטריליות. • מחסומים ברמה התאית – מנגנון הגנה זה יהיה ,סביר להניח ,משהו כללי – משהו שנרכש באבולוציה כמנגנון הגנה ולכן אמור לתת יתרון הישרדותי .מנגנון שכזה סביר להניח יהיה כללי על מנת שיימצא בכולנו – כי כולנו מורכבים תאים .המנגנון הזה יימצא בתאים מסויימים ולא באחרים – מנגנון זיהוי לפתוגנים על מנת להפעיל מנגנוני חירום .המנגנון משמש קו ראשון של הגנה של תאים חיים ,ולכן יוכל לזהות גורמים שאינם טבעיים בתוך התא החי ,כמו הוא Double-Stranded RNA שמשמש לזיהוי מתקפה של נגיפי .RNA - Double Stranded RNAכשדיברנו על RNAבתאים ,ראינו שההימצאות של דו-גדיל היא מאוד נמוכה .אם תא מזהה דו-גדיל ברמה גבוהה הוא יודע שזה אירוע זר לטבע הרגיל שלו ,ולכן ארוע זה מספיק על מנת להפעיל מנגנון הגנה. • מערכות חיסוניות – מיצורים רב-תאיים פשוטים ועד מורכבים כבני האדם ,קיימת מערכת חיסונית מולדת – innate מוקדמת מבחינה response .immune זוהי מערכת אבולוציונית שהפועלת באופן מהיר ומיידי ,ללא תלות בחשיפה קודמת לפתוגן .אולם ,הדברים שנותנים לה את מאפייני המיידיות שלה הם בעוכריה כי היעילות שלה אינה מירבית והספציפיות שלה נמוכה. בשלבים יותר מאוחרים התפתחה )בחולייתנים בלבד( מערכת חיסונית נרכשת – – adaptive immune responseזוהי תגובה נלמדת והינה ספציפית ויעילה כנגד פתוגנים מסויימים, אך היא איטית יותר ותלויה בחשיפה מוקדמת לפתוגן. בעקבות חשיפה של פתוגן ,אנחנו יכולים להפעיל באופן מהיר את תגובת המערכת החיסונית המולדת וגם הפעלה מורכבת ויסודית )גם אם מאוחרת יותר( של מערכת חיסונית נרכשת. ממה מורכבת תגובה תאית? מה למעשה יכול לגרום לתגובה בתא לנוכח הפתוגן? התא "רוצה" גם להתגונן מפני הפתוגן וגם להודיע לתאים הסובבים אותו אודות קיום הפתוגן .לפיכך יהיו לנו קולטנים מעבירי אותות .קולטנים אלו הם מסוג הקולטנים המצומדים לרצפטור – אלו רצפטורים שמכירים קולטן אשר בעקבות זיהויו יש דימריזציה של הרצפטור ובקשר עם הקולטנים האלה או כחלק מהם יש פעילות אנזימטית שמעבירה את האות. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב ביולוגיה של התא -הרצאות1 226 תא שעבר אירוע הדבקה מפעיל תוכנית חירום .המטרה שלה היא גרימת שינויי בתא על מנת לעצור את המתקפה מחד וגם לשנות את הסביבה התאית ,להודיע לתאים האחרים כי הפתוגן התגלה ולנסות להפחית את ההתפשטות של הפתוגן בגוף .זה יהיה סיגנל בטווח הפאראקריני. המעביר הליגנד את האות הפאראקריני הוא .interferon הוא מביא לדימריזציה של רצפטור שהוא טירוזין-קינאז שמזרחן טירוזינים .יש זירחון הדדי וזירחון עצמי בדימר. הזירחון הזה משמש להכרה וגיוס של אדאפטורים שונים – – STATsהמופעלים על ידי הגיוס והם יכולים לנדוד לגרעין ולשמש כחלק מקומפלקס התיווך לשיעתוק. סיגנל אוטוקריני הוא צורה ספציפית של סיגנל פאראקריני – של תא שמסגנל לעצמו. מדוע הפתוגנים תוקפים את התאים? אנחנו מקיימים בגופנו ,כגופים חיים ,חומרים רבים הדרושים לפאראזיט – למשל נוטריינטים .אנחנו גם מספקים להם סביבה בטמפרטורה קבועה ולחות קבועה וגבוהה – המים הם מרכיב חשוב של הגוף ופתוגנים רבים זקוקים לסביבה זו על מנת להתקיים .יתרה מכל אלו ,מכיוון שאנחנו מקיימים את החיים וצורכים אנרגיה כל הזמן ,אנחנו מספקים סביבה שכל הזמן מחדשת את עצמה ,מחדשת את מקורות ההתיישבות לפתוגן. הגורמים החשובים לפאראזיט: • חומרים חיוניים – נוטריינטים ,מצעי גידול. • סביבה נוחה – טמפרטורה קבועה ,לחות גבוהה. • סביבה מתחדשת. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :21וירוסים – פתוגנים 227 אם אנחנו מסתכלים על גופנו ,ניתן לתארו כאקו-סיסטמה :יש בגופנו 1013תאים ,והוא מכיל בכל רגע נתון 1014חיידקים ,פטריות ותאי פרוטוזואה .44מצד שני ,אנחנו לא תמיד חולים בכל רגע נתון; הסיבה לכך היא שרבים מאותם אורגניזמים הם חלק מהפלורה הטבעית שלנו – שהיא פלורה רגילה ואפילו חיונית לפעילות התקינה של הגוף .כתוצאה מכך ,מיקום החיידקים יכול לקבוע את הפתוגניות שלהם: אותם חיידקים בקונטקסט אחד הם פלורה טבעית ובקטונטקסט אחר הם פתוגניים .45מסיבה זו קשה לנו למתוח את הקו בין פתוגניים ובין יצורים שמקיימים עימנו קומנסיאליזם. הדרישות לפאראזיטיות על מנת להיות פאראזיט האורגניזם צריך: • לדעת להגיע למארח. • למצוא נישה מתאימה מבחינת נוטריינטים בגוף המארח. • להימנע ,להסיט או לשרוד את המערכות החיסוניות המולדת והנרכשת של הגוף. • להשתכפל תוך שימוש במשאביו של המארח לשם כך. • לצאת מהמארח ולעבור למארחים נוספים. מה בדרישות האלו גורם לפתוגניות? אנו רואים שבין הדרישות לפאראזיטיות ,אין דרישה לגרום למחלה; בתהליכים אבולוציונים יש סלקציה של תכונות שהן אלו שמקנות סיכוי גדול יותר של הישרדות – ולכן עולה השאלה מדוע יש סלקציה לטובת גרימת מחלה ,אם אין דרישה לגרימת מחלה? התשובה לשאלה הזו אינה פשוטה,אבל יש דוגמאות שבהן ניתן אולי למצוא הסברים ברורים: • בפצעים של נגיף ההרפס אנו רואים שהם משמשים כנקודת זינוק למעבר למאחסנים הבאים. • חיידק הכולרה מתאחסן במעי ולכן המחלה גורמת לשלשולים ,על מנת שיוכל לצאת מהגוף ולעבור למארחים אחרים. כמו כן ,חובה לזכור כי סימפטומים רבים של מחלה אומנם מתרחשים בסמוך לאירוע המפגש עם הפתוגן אולם הסימפטומים הם למעשה תגובה חיסונית של הגוף – תגובות כמו חום או שלשולים וכדומה הם נסיון של הגוף להתגונן ,למשל החום מנסה לפגוע בחיידק על ידי דה-נאטורציה ושינוי הטמפרטורה הנוחה .אלו תגובות כוללניות ומהירות ,חלק ממערכת החיסונית המולדת ,המשמשת מרווח למידה למערכת החיסונית הנרכשת לפתח נוגדנים ספציפיים לפתוגן. 44למען האמת ,כנראה שזה המספר רק במעיים .אבל זה מה שאומרים בביולוגיה של התא אז נתנהג כאילו זה נכון... 45למשל ,החיידק סטפילוקוקוס אאורוס הוא חיידק בחי בפלורה הטבעית מבלי להזיק ,אבל ברגע שהמערכת החיסונית נחלשת מעט – מגורמים שאינם קשורים לו – הוא מתרבה בקצב מאוד גבוה ומסוגל לגרום למחלות קשות. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב ביולוגיה של התא -הרצאות1 228 נגיפים אנחנו לומדים בבניין זה על מנגנונים תאיים רבים; יש פרוייקטים שמתעסקים בביולוגיה של הסרטן ,ואנו מבינים היום איך סרטן הורג; אנחנו חוקרים מחלות כרוניות כי הן ניכרות יותר כקשות יותר ,ואנחנו חושבים על מחלות זיהומיות שנוצרו מפתוגנים כמשהו מזמנים עברו ,מימים שלפני אנטיביוטיקה ,אך נכון להיום מחלות זיהומיות הורגות יותר מכל מקרי הסרטן יחד. לצערנו יש התאמה בין רמה סוציואקונומית ,רמת תשתיות ונושאים קשורי תרבות לרמת התמותה ממחלות זיהומיות ,אולם חשוב להדגיש שיש לנו גם פתוגנים בנגיפים וחיידקים שהם ייחודיים למדינות מתועשות – דוגמת חיידק הליגיונלה שמועבר דרך מזגני האוויר .כך אנו רואים שגם במדינות מתועשות קיימים החיידקים והמזהמים שלהם. המגוון המורפולוגי נובע מטווח שונות גנטית רחב הדבר הראשון שבולט כשאנו מדברים על נגיפים הוא המגוון הרחב מאוד של צורות הנגיפים שאנו מוצאים .הציורים לעיל נותנים מידה של פרופורציה – ואנו רואים שונות גדולה בגדלים של הנגיפים. מתפרשת בגודל שונות לשונות במורכבות ,ולכן אנחנו מגיעים גם לשונות בגודל הגנום. אם מסתכלים על נגיפים משוכללים ומורכבים ,כמו נגיף האבעבועות ) 270,000 ,poxvirusזוגות בסיסים( לעומת ה- parvovirusשמכיל 5000בסיסים .ההבדל בין בסיסים וזוגות בסיסים אומר גם משהו על צורת הגנום: דו גדיל או חד גדיל. משמעות השונות מתבטאת גם בגנום DNA :חד או דו גדילי או RNAחד או דו גדילי. מכיוון שמטרת הנגיף ,כמטרתו של כל אורגניזם ,היא יצירת עותקים נוספים של עצמו ,עולה צורך לייצר גדילים נגדיים לגדילים של הנגיף על מנת לשכפל אותם .אם החיידק מכניס דו-גדיל של ,RNAהתא מזהה זאת; אולם גם אם יכניס חד-גדיל מוכן לתרגום של ,RNAיהיה צורך בשכפול של החד-גדיל על מנת ליצור חיידקים חדשים; שכפול זה ייצור RNAכפול וכך יפעיל את אות זיהוי ה RNA-הדו-גדילי של המערכת החיסונית.46 46כשדיברנו על אבולה אמרנו שהוא יכול להיות ,plus-strand RNAשהוא יכול ליצור כבר תרגום ,וminus-strand RNA- שצריך להיות בגרעין על מנת להיות משועתק ואז מתורגם .גם גדילי פלוס צריכים להיות משועתקים ,על מנת שישוכפלו ולא יאבדו לאחר התפרקות ה.mRNA- חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :21וירוסים – פתוגנים 229 נגיפים המקודדים על ידי DNAיכולים להיכנס לתאים בתנאי שהם יגיעו למרחב התאי המתאים .מכיוון שכך הם יכולים שלא לקדד לאנזימים ההכרחיים לבנייה עצמית .אם יש וירוס שמחדיר גנום לתא אאוקריוטי בגרעין ,הוא יכול להשתמש באנזימים שקיים בגרעין על מנת לקודד; לעומת זאת בנגיפים שיש להם RNAחובה שיהיו אנזימים שיוכלו לקודד RNAעל תבנית של ) RNAאנזימים שלא קיימים בתאים אאוקריוטיים או פרוקריוטיים( או שיוכלו לקודד DNAעל תבנית של ) RNAכמו הרטרו- וירוסים ,דוגמת ה.(HIV- מבנה וירוס טיפוסי לנגיפים אין פעולות מטאבוליזם; התוכנית המקודדת בגנום שלהם באה לידי ביטוי רק במרחב התאי ,שמכיל אנזימים המאפשרים קיום חיים עבור הנגיף .הנגיף עצמו מכיל רק את הקידוד ואת מנגנון השיגור למרחב התאי. באילוסטרציה מינימלית ,הנגיף הוא חומר גנטי וקאפסיד ) – (capsidמעטפת חלבונית ראשונית שמגנה על החומר הגנטי .ביחד ניתן לקרא ליחידה הזו נוקליאו-קאפסיד ) .(nucleocapsidנגיפים רבים ,אבל בהחלט לא כולם ,יכולים להיות גם עטופים בשכבה נוספת שהיא שכבה ממברנלית ).(lipid envelope • • השכבה הממברנלית הזו באה בנוסף ליחידה המינימלית של הנוקליאוקאפסיד .המעטפת נרכשת בעת היציאה של הנגיפים מהתאים – זהו רמז לכך שנגיפים בעלי מבנה שונה מבצעים הדבקה בצורה שונה. המבנה שנכנס לתאים ומתקיף אותם בהתקפה נגיפית מכונה לעיתים Virionוהוא מתייחס לקומפלקס שהוא גנום ,חלבוני קאפסיד וממברנה )אם קיימת(. חלבונים המקודדים על ידי נגיפים החלבונים של הנגיף ניתנים לחלוקה בין שתי קטגוריות: • חלבונים מבניים ) – (Structuralחלבון מבני הוא חלבון שנמצא בויריון .למשל הוא יהיה חלק מהנוקליאו-קאפסיד או חלבון ממברנלי שנמצא במעטפת הממברנה הנרכשת ומשמש לזיהוי של תא היעד .תפקידם של החלבונים האלה הוא לתווך את ההגעה למערכת התאית של השכפול. • חלבונים לא-מבניים ) – (Non-Structuralחלבונים אלו לא מהווים חלק מהויריון ,אבל הם נמצאים בגנום כי על מנת שהנגיף יבצע את תהליך השכפול צריך לעשות מניפולציות למרחב התאי – לעורר תהליכים מסויימים או להפריע לתהליכים אחרים )למשל להפריע לתהליכים של תגובת המערכת החיסונית המולדת(. למשל ,כבר עם הפלישה נוצרים חלבונים שתפקידם להתנגד למערכת ההגנה של התא .תפקידם של חלבונים אלו באופן כללי הוא לתווך ,על ידי השפעה על תהליכים תאיים ,את תהליך ההדבקה וייעל אותו. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב ביולוגיה של התא -הרצאות1 230 דוגמה :נגיף הHIV- נגיף זה הוא הגורם למחלת האיידס .אנחנו רואים שיש לו חלק חלבוני – נוקליאו-קאפסיד – אבל רואים שהוא גם עטוף ממברנה ).(enveloped virus אם מסתכלים על הגנים שמרכיבים את הגנום של ,HIVאנחנו רואים שחלק מאותם הגנים מקודדים למרכיבים המבניים – כמו חלבוני המטריקס או הקאפסיד של הויריון ,או חלבונים חשובים כמו .reverse transcriptase לעומת זאת יש גנים לא מבניים שנוצרים בצמהלך ההדבקה ומשפיעים על מהלך זה – הנגיף של HIV עשיר מאוד באלמנטים כאלו יחסים לרטרו-וירוסים אחרים ,וזה מה שגורם למורכבות המחלה :החלבונים עושים אופטימיזציה של מהלך ההדבקה ומקשים מאוד על הטיפולים כנגד הנגיף. תהליך ההדבקה כשאנחנו מסתכלים על תהליך ההדבקה של נגיף כלשהו ,ניתן לחלק אותו לכמה שלבים: • כניסה ) – (Entryמפגש בין הנגיף והתא .בשלב זה הנגיף מזהה את התא ושואף להגיע למקורות התאיים שיאפשרו את שכפולו – כמו הציטופלזמה המכילה ריבוזומים ,שתאפשר שיכפול של חלבוני הנגיף. • שיכפול ) – (Replicationהנגיפים בונים את המרכיבים שיאפשרו הרכבה של נגיף. • הרכבה ) – (Assemblyהרכיבים שנבנו על ידי המנגנונים של התא המותקף מתאגדים ומתחברים יחד על מנת להרכיב נוקליאוקאפסידים חדשים של נגיפים חדשים. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :21וירוסים – פתוגנים • 231 יציאה ) – (Egressיציאה מגוף התא המארח ,בין אם על ידי הנצה )נגיפים עטופי-ממברנה למשל( או על ידי פיצוץ התא )נגיפים שאינם עטופים( .התפשטות הלאה לתאים הסובבים. נגיפים שונים נבדלים בכל אחד מהתהליכים הנ"ל. תהליך הכניסה ראינו עוד בשיעור הראשון שהממברנה מפרידה בין תוך התא לחוץ התא; על מנת שהרפליקציה של הנגיף תתרחש הוא צריך להגיע למרחב התוך תאי ,אל המנגנונים המאפשרים שכפול .מכונת ייצור החלבונים נמצאת בציטוזול – על ידי הריבוזומים .לפיכך ,הנגיף צריך להגיע לציטוזול .נגיפים שנבדלים במבנה הינם בעלי שיטות שונות להגיע לציטוזול: • נגיף עטוף בממברנה – איחוי של המעטפת הליפידית של הנגיף עם הממברנה של התא ,דבר שיוביל לשפיכה של הנוקליאוקאפסיד לתוך המרחב הציטוזולי .האיחוי הזה מחייב מפגש בין ממברנות ויכול להתרחש על גבי המממברנה הפלזמטית או ממברנות פנימיות של התא, אם הנגיף נבלע באנדוציטוזה למשל או מאחה את הממברנה שלו עם הממברנה של הוזיקולה או האברון שבלע אותו )למשל אנדוזום( על מנת לצאת החוצה אל הציטוזול. מה יכול להפעיל איחוי עם ממברנת הוזיקולה או האברון ולא עם הממברנה התאית? אם הוזיקולה מתאחה עם האנדוזום ,יש שינוי בערך הגבה; אם על גבי הנגיף יש חלבון שעובר שינוי קונפורמציה עקב שינוי בערך הגבה ,הנגיף יתוזמן לאיחוי רק כשהוא בתוך האנדוזום. • נגיפים חסרי מעטפת ממברנלית – נגיפים אלו אינם יכולים לעבור איחוי לתוך הציטוזול דרך הממברנה; לפיכך יש להם טכניקות שונות. נגיף הפוליו למשל הינו בעל קאפסיד המזוהה על ידי חלבונים ממברנליים שמכניסים אותו פנימה בוזיקולה. מרגע שנכנס הוא עובר שינוי קונפורמציה העוזר לו לשחרר או להזריק את הגנום החוצה למרחב הציטוזולי. נגיף השפעת משתמש בשיטה אחרת היא בה הוירוס נבלע ומגיע לאנדוזום .עקב שינוי ערך הגבה יש שינוי קונפורמציה בחלבונים שמאפשר שבירה של האנדוזום ושיחרור של הנגיף כולו לתוך הציטוזול. לא תמיד כל הנוקליאוקאפסיד נכנס פנימה! החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב ביולוגיה של התא -הרצאות1 232 ריאווירוס )(Reovirus נגיף לא עטוף ,ננסה לבדוק כיצד הוא נכנס לתאים. בסרטון: באדום מופיע הנגיף, בירוק הקלאטרין .ניתן לראות שסביב הנגיף נבנית מעטפת קלאטרין ותוך זמן קצר הוא מפרק כשהוא בתוך התא ,מגייס יכולת תנועה ונכנס למרחב התוך תאי. מנגנון הכניסה של הנגיף הוא כניסה אל האנדוזום ,שינוי קונפורמציה עקב הpH- הגורם לפיצוץ ויציאה של ליבת הנגיף אל הציטוזול. שכפול אנו יודעים שבנגיפים יש צורות שונות של חומר גנטי :חד גדיל או דו-גדיל ,לינארי או עגול RNA ,או .DNAהצורות השונות מחייבות את הוירוסים להביא איתם את האנזימים המאפשרים לטפל בצורות גנום ייחודיות. גודל הגנום קובע את כמות החלבונים שיקודדו על ידי הוירוס; סוג החומר הגנטי קובע את האנזימים הייחודיים שהוא ייצטרך לספק .כמו כן סוג החומר גנטי קובע את היכולת של הוירוס להיות רדום ו/או להביא לזיהום מסוג אקוטי. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :21וירוסים – פתוגנים 233 דוגמה :וירוס האבולה והHIV- כך למשל נגיף האבולה מביא עם כניסתו חלבונים ויראליים שיוצרים messenger (plus-strand) RNA על בסיס תבנית של .viral (minus-strand) RNAהמנגנונים של התא לוקחים את ה mRNA-שמיוצר על ידי אנזימי הוירוס ומתרגמים אותם לחלבונים. כמו כן ראינו דוגמה נוספת של נגף ה ,HIV-שמביא את אנזים ה ,Reverse Transcriptase-אנזים ייחודי שמאפשר שיעתוק DNAעל בסיס .RNA פונקציה ייחודית מחייבת אנזים ייחודי. הדבקה רדומה – Latent Infection כשאנו מדברים על נגיפים וצורת קידוד החומר הגנטי שלהם ,צורות שונותשל חומר גנטי מאפשרות או לא מאפשרו יצירה של .latent infectionזהו מצב של הדבקה רדומה של התא :התא מודבק אבל הוא לא הולך עד הסוף עם האינפקציה – הוא נשאר רדום ומחכה לסימן נוסף על מנת להתחיל בייצור מאסיבי של ויריונים .בנגיפי DNAיש את היכולת הזו, ודוגמה בולטת להם הם נגיפי ההרפס. אבולוציה של נגיפים – מוטציות ,סחיפה גנטית והיברידים סוג הקידוד של החומר הגנטי קובע גם את המנגנון של אבולוציית הנגיפים: • אם אנו עוסקים בנגיפים עם RNA dependant-RNA polymeraseאזי הם בעלי אנזים שמבצעים הרבה מאוד טעויות בשכפול ,והטעויות האלה משמשות כמקור לשונות גנטית ואבולוציה של הנגיף – כי חלק מהטעויות יהיו יעילות כנגד אתגרים ותנאי עקה. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב ביולוגיה של התא -הרצאות1 234 • אם הגנום נמצא בוירוס בפיסות-פיסות ישנה צורה נוספת של התקדמות אבולוציונית על ידי קומבינטוריקה של הפיסות .אם בנגיפים שיש בהם פיסה אחת יש סחיפה גנטית של שינויים ,כשיש מספר פיסות של חומר גנטי יכול להיות – antigenic shiftאם נגיף שגורם לשפעת מקודד בארבע פיסות שונות ,ויש תא שנדבק משני סוגים של נגיפים שונים ,יכול להיות שילוב בין פיסות –RNA של שני נגיפים שונים ליצירת נגיף חדש וייחודי. יכול להיות שנגיף היברידי כזה לא נחשף למערכת החיסונית של בני האדם וכך גורם למחלה קשה בבני אדם – כך למשל השפעת הספרדית הייתה בעלת שינוי אחד אך שינוי זה מנע מהמערכת החיסונית להכיר את הנגיף והנגיף התפשט במהירות גדולה. דוגמה :נגיף השפעת נגיף השפעת הוא נגיף עטוף והמערכת החיסונית מזהה חלבוני מעטפת שנמצאים בממברנה וחשופים על התא )כך למשל ניתן השם .(H1N1השילוב של החלבונים האלה קובע האם המערכת החיסונית תזהה את הנגיף .כשנוצר נגיף חדש הוא לא מוכר על ידי המערכת כי יש לו שינוי בחלבונים או שילוב חלבונים שונה. אנו יודעים שיש רמות שונות לוירולנטיות של השפעת ,החל משפעת עונתית ,שאינה גורמת למחלה קשה, ועד שפעת קטלנית; חלק ממה שקובע האם השפעת קטלנית או לא הוא מיקום האינפקציה בדרכי הנשימה :התיישבות בחלק העליון של הקנה תיצור מחלה קלה שמתיישבת בקלות ,אבל התיישבות במקומות נמוכים יותר מביאה למחלה קשה .הרבה פעמים ההבדל יהיה אפילו מוטציה בודדת בחלבונים המזהים את התאים. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :21וירוסים – פתוגנים 235 הרכבה הרבה נגיפים יודעים ליצור מבנים ייחודים תוך-תאיים ,מעין בנייה של אברונים .האברונים האלה מכונים viral factoriesוהם נוצרים סביב עותקים רבים של הנגיף .העקרון של יצירת מרחב תוך תאי מבודד עוזר לריכוז החלבונים של הנגיף וגם לבריחה ממנגנוני ההגנה של התא. במעבדה עובדים על נגיף של פרות וכבשים שעובר על ידי זבובים או יתושים .הוירוס דומה מאוד לריאו-וירוס ,וניתן לראות בצילום מיקרוסקופיה אלקטרונית שבתא מודבק יש הבדלים רבים :יש איזורי רפליקציה ) ,(viral factoriesמעין עיגולים דחוסים של חומר שהם למעשה ויריון חדש שנוצר .בתא מודבק מאוד ניתן לראות צורה של גרעין viral-factoryבגודל עצום. למטה :שני תאים ,האחד נקי והשני )ימני( מודבק ויש בו .viral factoriesהתמונה השמאלי ביותר היא של תא מודבק מאוד ,ניתן לראות שה viral factory-גדול כמעט כמו הגרעין. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב ביולוגיה של התא -הרצאות1 236 יציאה אם מנגנוני הכניסה קשורים למבנה הנגיף ,אופן היציאה יכול גם להשתמש במבנה של התא .יש שני אופנים ליציאה: • הנצה – מנגנון היציאה של נגיפים עטופים ,הם מניצים ומביאים איתם חלק מהממברנה התאית .הם יכולים להנץ כמו וזיקולה שמשוחררת על ידי התא ,או במקרה של וירוסים המיוצרים בגערין הם יכולים להיכנס אל ה ER-ואל הגולג'י ולצאת עם מעטפת חלבונים וסוכרים שהורכבו באברונים אלו. • ציטוליזה – פיצוץ של התא ,נעשה לרוב על ידי נגיפים לא עטופים. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :22השלד התאי – ציטוסקלטון 237 27.05.2010 שיעור :22השלד התאי – ציטוסקלטון כבר הכרנו אלמנט אחד של השלד – את המיקרוטובולי ,האלמנט העבה ביותר של השלד .נוסף להם יש את המיקרופילמנטים העשויים אקטין ,המרוכזים ליד הממברנה הפלזמטית וגם הפילמנטים האמצעיים ) .(intermediateהללו מפוזרים בכל התא. בתמונה משמאל ניתן לראות צביעה של ה.intermediate Filaments- הם נראים כאילו הם עוברים בין תא לתא ,אבל למעשה הם לא חוצים את הממברנות – בין התאים יש צמתי תקשורת והפילמנטים האלה מקשרים בין הצמתים הללו )עליהן נלמד בשיעור הבא(. במיקרוסקופיה אלקטרונית רואים ברזולוציה גבוהה יותר את הפילמנטים )התמונה הימנית( ,ניתן לראות שהם פונים לכל הכיוונים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב ביולוגיה של התא -הרצאות1 238 הintermedient filaments- מבנה המבנה הוא מאורך וברובו אלפא-הליקלי .שתי מולקולות של החלבון מתחברות יחד למבנה coiled coilשל דימר – מבנה מאוד יציב של הדימר .שני דימרים מתחברים ליצירת טטראמר .שני הדימרים בטטראמר נמצאים בכיווניות הפוכה – הצד האמינו של דימר אחד פונה לצד הקרבוקסי של הדימר השני. שני טטראמרים בונים אוקטמר וככה זה ממשיך ליצירת פולימרים ארוכים עשויים מונומרים רבים הקשורים באופן לא קוולנטי ובמקביל .בסופו של דבר הכל מלופף בצורה דמויית חבל ,או סיב .אם נחזור לתמונה של המיקרוסקופיה האלקטרונית ,אנו מבינים שהחוטים שאנו מבחינים בהם הם סיבים בודדים של הפילמנטים. תכונותיו הפיזיות של החבל הן גמישות וחוזק – ואלו בדיוק התכונות של הפילמנטים ומכאן נובע תפקידם ,בחיזוק המבנה של התא – בעיקר של הממברנה הפלזמטית .הממברנה עשויה על בסיס ליפידים ולכן מבנהה פחות יציב; הפילמנטים עוזרים לייצב את המבנה שלה. סוגי הפילמנטים ישנם כמה סוגים של פילמנטים ,הנבדלים במונומרים שבונים אותם: • קראטינים – בתאי אפיתל .קראטינים מוכרים לנו מהשיער והעור ,שמגנים על התאים החיים ברקמה מתה; המקור שלהם ברקמה המתה הוא מהפילמנטים. • וימנטין ונגזרות וימנטין – נמצאים בתאים שאינם אפיתל)או עצב( ,דומים לקראטין. • ניורופילמנטים – בתאי עצב. • לאמינה גרעינית – פילמנטים הנמצאים בגרעיני התאים .בונים את הרשתית של הממברנה הגרעינית – הללו לא נמצאים בציטוזול ומחזקים ממברנה פלזמטית אלא נמצאים בגערין ומחזקים את ממברנת הגרעין. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :22השלד התאי – ציטוסקלטון 239 באיור הבא ניתן לראות הדגמה של מבנה הפילמנטים בתוך הממברנה הגרעינית – אנחנו רואים שהם מעין תווך )כחול( בין הכרומטין )חום( לבין הממברנה .המבנה שלהם זהה למבנה הכללי של הפילמנטים האינטרמדיאטים. במיטוזה ,כזכור ,בשלב הפרומטאפאזה, יש זירחון של הלאמינה הגרעינית ואז היא מתפרקת .בסוף המיטוזה יש דה-זירחון של הפילמנטים וכך מתאפשרת בנייה מחדש של רשת הלאמינה לבנייה מחדש של ממברנת הגרעין. משמאל ניתן לראות תמונה נוספת של מיקרוסקופ אלקטרוני סורק שמראה את הלאמינה הגרעינית מתוך הגרעין .הם קשורים ברשת דרך חלבונים אחרים שקושרים את הפילמנטים. המיקרופילמנטים – אקטין מבנה באיור רואים סיב של אקטין עם קצה ) (+וקצה )–( ,ןכמו שהיה במקרה של מיקרוטובולי – הדבר יוצר כיווניות .תת היחידות במקרה של המיקרופילמנטים הם האקטין .המונומר ,אקטין ,הוא בעל צורה גלובולארית וכל מונומר נכנס באותה הכיווניות – כמו אבני לגו שיכולות להתחבר לאבנים האחרות רק מכיווניות מסויימת .כך מתקבל סיב כיווניות. שימו שבתוך בעל לב מולקולת האקטין יש מולקולה של .ATP המיקרופילמנטים עשויי האקטין מרוכזים בעיקר ליד הממברנה של התא. לאיזור הזה ליד הממברנה קוראים – Cell Cortexקליפת התא. בציור שבעמוד הבא רואים חתכי סיב אקטין בירוק באיזור בו סיב האקטין נקשר לממברנה – לא רק שהוא מרוכז בממברנה הוא גם קשור אליה בעזרת חלבונים מחברים ) ,attachment proteinsכחולים( וחלבונים ממברנליים ) transmembrane proteinsחומים וירוקים(. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב ביולוגיה של התא -הרצאות1 240 באדום מופיעים חלבונים אחרים – ספקטרין ) – (Spectrinשהוא גם חלבון סיבי שתפקידו לחבר בין נקודות הקישור של האקטין לממברנה .הספקטרין בונה רשת שלמה של נקודות קישור של אקטין לממברנה .הספקטרין מחובר גם הוא לממברנה בחלבונים מחברים )צהובים( וממברנליים )ירוקים כהים(. תפקידים • מיקרו-ווילי וצורות ייחודיות אחרות – אחד מתפקידיו של האקטין הוא להעניק צורה מיוחדת לתאים ,כמו למשל צורת המיקרו-ווילי הנמצאים ע גבי תאי אפיתל המעי .בתאים אחרים אקטין יכול להימתח כמו יתדות וחבלי אוהל שמותחות את היריעה ומעניקות לה צורה. שימו לב שבתאים קיימים כל סוגי הסיבים בו זמנית! פילמנטים אינטרמדיאטים נותנים חיזוק לממברנה והאקטין מקנה לה את צורתה. • תנועה של תאים – באיזורים הקדמיים של התנועה יש אקטין שנשלח קדימה והוא מעורב אקטיבית בתנועה של התא ,כפי שנראה בהמשך. • חלוקה תאית – בשלב הציטוקינזה של החלוקה נוצרת טבעת חונקת שמפרידה בין שני התאים; הטבעת החונקת הזו מורכבת מסיבי אקטין. בכל המקרים האקטין נמצא בתוך הציטוזול ,קשור לממברנה הפלזמטית ,כולל במקרה של הטבעת החונקת! חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :22השלד התאי – ציטוסקלטון 241 חלבונים קושרי-אקטין ישנם חלבונים רבים שקושרים את אקטין ומבקרים את הפעילות שלו .האקטין נמצא במצב טבעי של שיווי משקל בין בנייה ופירוק של הסיבים )בדומה לאי-יציבות הדינמית של מיקרוטובולי( .החלבונים הקושרים של אקטין ) (monomer-sequestering proteinנקשרים אליהם ומונעים את הבנייה וכך דוחפים את שיווי המשקל לכיוון הפירוק. ישנם חלבונים אחרים ) (nucleating proteinשנקשרים לקצה המינוס של הסיבים ומונעים פירוק של הסיבים – וכך הסיבים מתארכים לקצה הפלוס .תפקידם מעט דמה לזה של הצנטרוזום )במיקרופילמנטים אין מרכז גדול כמו צנטרוזום לבנייה של הסיבים(. ישנם חלבוני חיבור של הסיבים ,כמו חלבוני קיבוץ ) (bundling proteinשנקשר מצידם של הסיבים ומאפשר קישור בין סיבים רבים .סוג נוסף של חלבונים שהם חלבונים מצליבים )(cross linking נקשרים גם הם לצד הסיבים אך הם מאפשרים קשירה בין סיבים בניצב ולא במקביל. חלבוני capping proteinsמייצבים את קצה הפלוס ומזרזים את הבנייה מקצה זה .כמו כן הם מונעים פירוק של הסיב .אלו חלבונים שמטים את שיווי המשקל למצב הסיבים .קיימים גם חלבוני מנוע ) motor (proteinsלאקטין ,המאפשרים תנועה על גבי סיבי האקטין. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב 242 ביולוגיה של התא -הרצאות1 מנגנון הבנייה כל מונומר של אקטין מגיע קשור למולקולה של .ATPהוא נקשר לקצה הסיב ולאחר זמן מה יש הידרוליזה של ATPל .ADP-במצב זה הקישור לסיב פחות יציב והמונומר יכול לצאת מהסיב ,וכך מתקבל פירוק של הסיב לאחר הידרוליזה של .ATP באיור נראה כאילו הם נכנסים מצד אחד ,אבל למעשה גם פירוק וגם בנייה יכולים להתרחש משני צידי הסיב. יחד עם זאת יש תמיד בנייה יותר מהירה מהקצה הפלוס. בריכוז מסויים ,critical concentration ,יש מספיק מונומרים סביב הסיב כך שיש פירוק באותה מידה כמו הבנייה ואורך הסיב לא משתנה .מעל הריכוז הקריטי יש בנייה בעודף ,מתחתיו יש פירוק .לפיכך בקרה על הריכוז של המונומרים סביב הסיב הינה חשובה למבנה הסיב ומה הוא עושה בפועל – מתארך, מתקצר או נשאר ב.steady state- בגרף הבא אנחנו יכולים לראות את הפולימריזציה כפונקציה של ריכוז האקטין .בקצה המינוס ,אם הריכוז מספיק גבוה תהיה בנייה; אם הוא נמוך יותר יהיה פירוק .בנקודת החיתוך עם ה 0-תהיה מידת הריכוז הקריטי .בקצה הפלוס אנחנו רואים אותו עקרון אבל ניתן לראות שקצב הבנייה הוא מתועדף מאוד והרבה יותר מהיר ,והריכוז הקריטי לשיווי משקל הוא הרבה יותר נמוך – כלומר צריך ריכוז אקטין הרבה יותר נמוך בשביל לקבל פירוק בקצה הפלוס במקום בנייה. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :22השלד התאי – ציטוסקלטון 243 אם ריכוז המונומרים נמצא בין שתי הנקודות הקריטיות של הקצוות? מחד יהיה פירוק של קצה המינוס ,מאידך תהיה בנייה של הקצה הפלוס .הסיב יישאר בערך באותו האורך ,כתוצאה מכך ,אולם תהיה תנועה נטו של הסיב כלפי קצה הפלוס .תכונה זו למשל מאפשרת את התנועה התאית .תנועת הסיב הזו מכונה .Treadmillingבגלל שאקטין קשור לממברנה הפלזמטית או קרוב אליה ,התנועה של התרדמילינג דוחפת את כל הממברנה הפלזמטית לנוע קדימה. באיור משמאל אנחנו רואים תא בתנועה .ניתן להבחין בשלוחות הנוצרות לכיוון התנועה – אלו מהוות חלק אינטגרלי מהתנועה עצמה. יש שלוחות דקות שמכונות פילופודיום ) (filopodiumויש עבות יותר בשם למליפודיום ) .(lamellipodiumשתי השלוחות מלאות באקטין, אולם בשלוחות הצרות הוא עשוי סיבים מקבילים בעלי אותו כיוון ,אשר דוחפים את הממברנה ומייצבים אותה כאשר הם נעים לכיוון הפלוס. בלמליפודיום יש משהו דומה אולם הסיבים פחות מקבילים ,ועדיין בעלי אותה כיווניות – כלפי הממברנה הפלזמטית. איזורים אחרים ,שאינם נמצאים בשלוחות ,מכונים .contractile bundlesכאן יש התכווצות של סיבי אקטין בסיוע חלבוני מנוע .באיזורים אלו הסיבים נמצאים בכיוונים מנוגדים וכך הם גורמים להתכווצות, כפי שנראה בהמשך כשנדון בחלבוני המנוע. מערכת קורטקס האקטין סיבי האקטין יוצרים רשת הקשורה על ידי חלבונים. קומפלקס בשם )ARP (actin-related protein )בורדו( נקשר לקצה המינוס של סיב מסויים מחד ולצידו של סיב אחר מאידך .קומפלקס ARPמונע בנייה וגם פירוק של קצה המינוס )הוא סוג של .(nucleating proteinבצורה זו נוצר מבנה ענפים וכך ניתן כוח התנגדות לסיבים ,אשר כנגדו הם יכולים לדחוף את הממברנה .כמו כן יש חלבוני capping )כחול( שמעודדים בנייה בקצה הפלוס. רוב הסיבים פונים לממברנה הפלזמטית ולכן הם מאפשרים לא רק בנייה של הסיבים אלא גם דחיפה של הממברנה הפלזמטית וכתוצאה מכך – תנועה של התאים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב ביולוגיה של התא -הרצאות1 244 תנועה של תאים ואקטין בתמונה משמאל רואים שני סוגי תאים – פיברובלאסט ותא עצב – בצביעה לאקטין. לפיברובלאסט יש שלוחות אקטין המניעות אותו לכיוון מטה .פעולת ריכוז האקטין באותו איזור של כיוון התנועה נעשה על ידי מעבר סיגנלים :סיגנלים שקוראים לתא לנוע בכיוון מסויים גורמים לו לרכז אקטין באיזור הקורטקס ההוא ואז נוצרת בנייה שדוחפת את התא לכיוון ההוא. בתא העצב אנחנו רואים רק את האקסון ואת הקצוות שלו )ללא גוף התא( .השחור זה צביעה של אקטין – וניתן לראות שיש ריכוז גדול של אקטין באותו איזור .האקסון אם כן מתארך לכיוון מעלה עקב הבנייה של האקטין. באיור משמאל ניתן לראות אילוסטרציה של החלבון וההתארכות .ניתן להבחין בקשירה של הסיב לאינטגרינים )proteins ,(capping שמחזיקים אותו ומזרזים בנייה על ידי מונומרים, הגורמת להתארכות הסיב וכך התארכות הממברנה. שימו לב ,יש הרבה סיבים בתוך השלוחה של הפילופודיום ,שלא כמו שמודגם באיור. • • פוטוטאקסיס – תנועה לכיוון האור ,כמו תנועה של חד-תאיים פוטוסינטטיים, הציאנובקטריה. כימוטאקסיס – תנועה של תאים לפי סיגנלים כימיים ,כמו זיהוי חיידקים שמפרישים חומרים שונים המזוהים על ידי ניוטרופילים ואז הם בונים סיבי אקטין לכיוון החיידק – וכך רודפים אחריו. מהלך התנועה באיור מופיע ציור של תא על משטח – המשטח יכול להיות צלחת פטרי ,תאים אחרים או חומר חוץ תאי. • התא שולח למליפודיום .בכתום רואים את ריכוז האקטין. • התא ממשיך לבנות יותר ויותר סיבים לכיוון התנועה – נוצרת שלוחה ).(protrusion • לאחר שהשלוחה מתארכת יותר ויותר ,יש יצירה של נקודת קישור ) ,(focal contactעליהן נרחיב בשיעור הבא .בצד האחורי נדרשת התכווצות של התא על מנת שינוע קדימה .בהתכווצות הזו מעורב חלבון מנוע בשם מיוזין. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :22השלד התאי – ציטוסקלטון 245 חלבוני המנוע של המיקרופילמנטים – מיוזין לאקטין יש משפחה אחת בלבד של חלבוני מנוע ,שהם המיוזין ) .(myosinלסוגים השונים של מיוזין יש מבנה של ראש גלובולארי וזנב .הזנב של המיוזין קושר מטען, בדומה לחלבוני המנוע של המיקרוטובולי :וזיקולות ,אברונים וכדומה – כאשר הראש הוא זה שנע על גבי הסיב של האקטין. מיוזין IIדומים במבנה למיוזין Iאולם הם דימרים. כמו כן יש סיבים של מיוזין ,IIשמכילים הרבה מאוד מונומרים של מיוזין בעלי כיווניות סימטרית – בקצה אחד של הסיב הם פונים שמאלה ,בקצה השני ימינה .שימו לב שהתנועה של מיוזין על גבי האקטין היא רק לכיוון הפלוס .בסיב שני הצדדים נעים לכיוון הפלוס למרות שהם מופיעים בכיוונים מנוגדים )בהמשך נראה כיצד זה נעשה ולמה זה גורם(. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב ביולוגיה של התא -הרצאות1 246 מיוזין I מיוזין Iנקשר לוזיקולה ונע על האקטין בכיוון פלוס .באיור הסיב קשור לממברנה הפלזמטית .החלבון סוחב את הוזיקולה כמטען .בצורה כזו מתאפשרת תנועה על גבי אקטין שלא קשורה לבנייה ולפירוק של סיב האקטין. באיור התחתון אנחנו רואים שהמטען יכול להיות הממברנה עצמה; זנב המיוזין קשור לממברנה ,והסיב חופשי בציטוזול .מכיוון שהממברנה היא די קבועה והסיב חופשי ,התנועה של חלבוני המנוע מזיזה למעשה את הסיב לאורך הממברנה אחורה ,הסיב נע לכיוון המינוס שלו )כי המיוזין נע לכיוון הפלוס(. מיוזין II הסיב עשוי ראשי שפונים לכיוון אחד וראשים שפונים לכיוון השני .הראשים מקצה אחד של הסיב נעים לכיוון הפלוס של סיב אקטין מסויים; הראשים מהצד השני נעים לכיוון הפלוס של סיב אחר .כתוצאה אנחנו מקבלים תנועה של הסיבים של אקטין אחד לכיוון השני .בצורה כזו מתקבלות התכווצויות .התכווצויות אלו משמשות למשל למשיכת התא קדימה ,לאחר שהוא יוצר נקודת הקישור ) focal contact/ adhesion .(site דוגמה :תאי שריר – סרקומרים סוג מיוחד של תנועת תאים היא ההתכווצות של תאי שריר, שגם עליה אחראים סיבי האקטין והמיוזין .בצילום מיקרוסקופיה ,ניתן לראות בתא שריר מבנה של סרקומר המורכב איזורים כהים ואיזורים בהירים יותר .זוהי תמונת חתך של מיופיבריל – סיב בתא שריר )המכילים מיופיברילים רבים( .הסרקומרים הם יחידות חוזרות בתוך המיופיבריל. כאמור ,ניתן להבחין בסרקומרים באיזורים כהים ובאיזורים בהירים .האיזור הכהה הוא סיבים של מיוזין ) IIבירוק( והאיזור הבהיר הם סיבים של אקטין )באדום( .הסיבה שזה בהיר יותר היא כי סיבי האקטין מאוד דקים .בתמונה תלת מימדית יותר )משמאל( ניתן לראות מבנה של סיב עבה של מיוזין ,IIאו כמה סיבים יחד, חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :22השלד התאי – ציטוסקלטון 247 וסביבו קשורים קצוות של סיבי האקטין .בקצה השני של סיב האקטין )שאין קשור למיוזין( סיב האקטין קשור לאיזור המכונה .Z-Disc בעת ההתכווצות יש תנועה של ראשי המיוזין ,הגורמת להתכווצות של סיבי האקטין כיחידה שלמה של סרקומר .אורכי הסיביים אינם משתנים ,הם פשוט נעים על גבי המיוזין .כל סרקומר קשור לסרקומר הבא דרך ה Z-Disc-שתוחמים אותו .כאשר כל הסרקומרים מתכווצים יש התכווצות של כל המיופיבריל ומכיוון שהוא עבור לאורכו של כל תא השירי מתקבלת התכווצות של תא השיריר כולו. באיור הבא של התכווצות הסרקומר ניתן לראות את הכיווניות של האקטין – תמיד קצה פלוס קשור לZ-- .Discעקב כך הסיבים נמצאים בכיווניות הפוכה אחד לשני .ראשי המיוזין IIנעים תמיד לכיוון קצה הפלוס ,וכתוצאה מכך התנועה שלהם תקרב את הדיסקיות. התכווצות זו מתרחשת בהתאם לסיגנלים שמתקבלים בתאי השריר וגורמים להתכווצותם .בעת רגיעה יש ניתוק של ראשי המיוזין מהאקטין ,שבעקבותיו יש חזרה למצב המקורי כמו לאחר הניתוק – כי המצב המכווץ הוא מצב של לחץ ויש שאיפה לחזור למצב של פחות לחץ. חלבון נוסף המעורב במערכת הוא הטיטין ) ,titinבצהוב( ,שנקשר בקצה אחד לקצה סיב המיוזין II ובקצה השני ל .Z-Disc-לטיטין יש מבנה סלילי ,ולכן בהתכווצות סליל הטיטין יוצר לחץ כמו קפיץ מכווץ; זה מגביר את השחרור וההרפייה של התא והשריר כאשר יש ניתוק של מיוזין מהאקטין. יש הרבה חלבונים מעורבים בתהליך אבל אלו המרכזיים שיש להכיר. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב ביולוגיה של התא -הרצאות1 248 תהליך תנועה המיוזין על אקטין מבחינה מולקולארית • ראש המיוזין נקשר לסיב האקטין. • עם כניסה של ATPנגרם ניתוק של המיוזין מהאקטין. • עקב הידרוליזה של ה ATP-ל ADP-נגרם שינוי קונפורמציה של הראש ,שנע בזווית קטנה. • לאחר יציאת הזרחן ,מתאפשר קישור מחדש של המיוזין לאקטין – אבל עכשיו עקב שינוי הקונפורמציה הוא נקשר למונומר אקטין שונה מזה שהיה קשור אליו בהתחלה. • כעת יש הוצאה של ה ,ADP-ואז שוב נגרם שינוי קונפורמציה – חזרה לזווית התחלתית. • התנועה הזו – של החזרה לאחור – גורמת לדחיפה של המיוזין על גבי האקטין. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 ,
