Informatie

Hoe wordt de zijpolariteit van het myosinefilament in myofibril behouden?


Als myosinemoleculen correct zijn georiënteerd ten opzichte van hun positie in de myosinefilamenten, is het sarcomeer niet functioneel. Maar hoe wordt de oriëntatie van de myosinemoleculen bepaald? Waarom is er een symmetrie in de rangschikking van myosinemoleculen in het myosinefilament? En zijn er ziekten die verband houden met de onjuiste opstelling van myosinemoleculen?


Locomotie en beweging Belangrijke extra vragen Zeer kort antwoordtype

Vraag 1.
Wat is een pees?
Antwoord geven:
Het dichte bindweefsel verbindt bot en skeletspier.

Vraag 2.
Wat zijn antagonistische spieren?
Antwoord geven:
De. paar spieren die bij een gewricht tegengestelde bewegingen produceren.

Vraag 3.
Wat is tetanus?
Antwoord geven:
De voortdurende toestand van spiercontractie wordt tetanus genoemd.

Vraag 4.
Wat is een drempelprikkel?
Antwoord geven:
De stimulus van minimale kracht die nodig is om spiercontractie teweeg te brengen, wordt de drempelstimulus genoemd.

Vraag 5.
Wat is een spiertrekking?
Antwoord geven:
De enkele samentrekking van spieren bij het ontvangen van de stimulus wordt spiertrekking genoemd. (Contractie wordt gevolgd door ontspanning).

Vraag 6.
Wat is sarcomeer?
Antwoord geven:
De functionele eenheid van myofibril trekt samen en veroorzaakt de verkorting van spiervezels.

Vraag 7.
Hoeveel botten zijn aanwezig in het menselijk skelet?
Antwoord geven:
Het menselijk skelet bevat 206 botten.

Vraag 8.
Wat zijn synoviale gewrichten?
Antwoord geven:
Dit zijn vrij beweegbare gewrichten door de aanwezigheid van gewrichtsvloeistof in de gewrichtsholte.

Vraag 9.
Wat is voortbeweging?
Antwoord geven:
De lichamelijke beweging van dieren van de ene plaats naar de andere wordt voortbeweging genoemd.

Vraag 10.
Wat is rigormortis?
Antwoord geven:
Verstijving van spieren na overlijden.

Vraag 11.
Noem de eiwitten die helpen bij spiercontractie.
Antwoord geven:
Myosine en actine.

Vraag 12.
Wat is de functie van gewrichtsvloeistof?
Antwoord geven:
Gewrichtsvloeistof werkt als een smeermiddel.

Vraag 13.
Wat is een scharniergewricht?
Antwoord geven:
Het gewricht maakt de draai- of rotatiebewegingen mogelijk, bijvoorbeeld tussen atlas en aswervel.

Vraag 14.
Welk van de beweegbare gewrichten vormt het heupgewricht?
Antwoord geven:
Kogelgewricht.

Vraag 15.
Welke spier trekt samen om je handpalm naar boven te laten wijzen?
Antwoord geven:
supinator.

Vraag 16.
Hoeveel botten zijn er in de menselijke schedel?
Antwoord geven:
29

Vraag 17.
Welk type beweegbaar gewricht is het kniegewricht?
Antwoord geven:
Scharnier.

Vraag 18.
Noem de band van het skeletgewricht die bewegingen in slechts één vlak toestaat.
Antwoord geven:
Scharnier.

Vraag 19.
Maak onderscheid tussen A-band en I-band.
Antwoord geven:

  • A-band is een donkere band met myosinefilamenten.
  • I-band is een lichte band met dunne filamenten.

Vraag 20.
Wat is het totale aantal botten in ons lichaam?
Antwoord geven:
206.

Vraag 21.
Noem de vijf verschillende categorieën wervels in je ruggengraat.
Antwoord geven:

Vraag 20.
Waar in de botten worden bloedcellen geproduceerd?
Antwoord geven:
Het beenmerg van lange botten.

Vraag 23.
Geef een voorbeeld van een kogelgewricht.
Antwoord geven:
Schoudergewricht.

Locomotie en beweging Belangrijke extra vragen Type kort antwoord

Vraag 1.
Noem de mechanische functie van het skelet.
Antwoord geven:

  1. Het biedt een rigide kader van het lichaam en een duidelijke vorm aan organen.
  2. Het ondersteunt het gewicht van het lichaam.
  3. Het beschermt de inwendige organen.
  4. Zijn lange botten fungeren als een hefboom.
  5. Skeletspieren met flexibele bindweefselbanden, pezen genaamd, in combinatie met endoskelet en gewrichten zorgen voor voortbeweging en bewegingen naar verschillende lichaamsdelen.

Vraag 2.
Noem enkele biologische functies van het skelet.
Antwoord geven:

  1. Biedt aanhechtingsoppervlak aan spieren.
  2. Dient als opslagplaats voor calcium- en fosfaatmineralen.
  3. Handel in erytropoëse.
  4. Oorbeentjes helpen bij de voortplanting van geluidsgolven.
  5. Roodbeenmerg dat aanwezig is in de mergholte van lange botten zoals dijbeen, opperarmbeen en in tussenruimten van sponsachtige botten van wervels, borstbeen, schouderblad enz. helpt bij de vorming van RBC's, WBC's en bloedplaatjes. Dit proces staat bekend als hemopoëse.

Vraag 3.
Noem verschillende manieren van voortbewegen en bewegen in hydra.
Antwoord geven:

  1. Samentrekking en uitzetting
  2. Buigen en zwaaien
  3. Looping
  4. salto maken.
  5. Drijvend
  6. zweefvliegen
  7. Zwemmen
  8. Wandelen.

Vraag 4.
Wat zijn de verschillende moleculen die in spieren aanwezig zijn?
Antwoord geven:

  1. Contractiele eiwitten nl. actine, myosine en tropomyosine.
  2. Enzymen en andere eiwitten zoals troponine.
  3. Koolhydraten als substraat voor energie.
  4. Energie draagt ​​nl. ATP, ADP, AMP en CP.
  5. Ionen nl. Na+, K+, Mg++, Ca+, CI+.

Vraag 5.
Onderscheid maken tussen isotone en isometrische contractie
Antwoord geven:

Isotone samentrekking Isometrische samentrekking
1. Er is een verandering in de vorm van spieren. 1. Er is geen verandering in de vorm van spieren
2. Spieren houden spanning vast. 2. Spieren behouden lengte.
3. Spieren trekken samen en de last wordt opgeheven 3. Spieren trekken samen tegen een last die niet kan worden opgetild.

Vraag 6.
Een rode spiervezel werkt langdurig, terwijl een witte spiervezel vermoeid raakt, waarom?
Antwoord geven:
Rode spiervezels bevatten zuurstofhoudend pigment myoglobine en een groot aantal mitochondriën, zodat ze O . kunnen hebben2 aanvoer voor aerobe ademhaling en afgifte van energie voor een langere periode.

Witte spiervezels hebben geen myoglobinepigment. Ze worden geconfronteerd met een tekort aan O2 en veel hangt af van anaërobe ademhaling, dus ze raken snel vermoeid.

Vraag 7.
Wat zijn de belangrijkste soorten gewrichten in het menselijk lichaam?
Antwoord geven:
De soorten gewrichten die aanwezig zijn in het lichaam van de mens zijn:
1. Vaste of fibreuze gewrichten: Er is helemaal geen beweging in articulerende gewrichten, vanwege de aanwezigheid van taai, niet-rekbaar, wit vezelig weefsel, bijvoorbeeld schedelbotten.

2. Licht beweegbare of kraakbeenachtige gewrichten: Bij articulerende botten is een beperkte beweging mogelijk. Een dichte schijf van wit kraakbeen verbindt de scharnierende oppervlakken, bijvoorbeeld wervels en openbare symphysis.


Verschillende soorten gewrichten

3. Vrij beweegbare of synoviale gewrichten: Vrije beweging is mogelijk door de aanwezigheid van gewrichtsvloeistof in de gewrichtsholte, tussen de scharnierende botten, bijvoorbeeld scharniergewricht, kogelgewricht.

Vraag 8.
Wat zijn de voordelen van het bewegen van lichaamsdelen?
Antwoord geven:
Het uurwerk heeft de volgende voordelen:

  1. Met verandering in lichaamshouding en beweging van ledematen, wordt het evenwicht van het lichaam gehandhaafd.
  2. Beweging van ledematen veroorzaakt voortbeweging.
  3. Voedsel wordt opgevangen door beweging van tentakels, ledematen, kaken, tong enz. bij verschillende dieren.
  4. Veranderingen in de omgeving kunnen worden waargenomen door de beweging van de oogbol, oorschelp enz.
  5. Bloedcirculatie is mogelijk door hartbeweging.
  6. Beweging van het middenrif veroorzaakt inademing en uitademing (ademhaling).

Vraag 9.
Wat zijn de voordelen van motoriek?
Antwoord geven:
De lichaamsbewegingen of voortbeweging heeft de volgende voordelen:

  1. Het stelt het lichaam in staat om het volledig van de ene plaats naar de andere te verplaatsen.
  2. Het beschermt het organisme tegen predatie.
  3. Het helpt de dieren bij het zoeken naar hun voedsel en andere voedingsbehoeften.
  4. Het helpt het dier een partner te zoeken om zich voort te planten.

Vraag 10.
Teken een gelabeld diagram van het gewricht tussen de bekkengordel en het dijbeen. Schrijf ook het type van dit gewricht op.
Antwoord geven:
Type gewricht: Het gewricht tussen bekken- en dijbeenbotten is een synoviaal gewricht met kogelgewricht.

Synoviaal kogelgewricht tussen bekken en dijbeen

Vraag 11.
Waarom zijn beweging en voortbeweging nodig bij dieren?
Antwoord geven:
Beweging en voortbeweging zijn bij dieren noodzakelijk om te overleven. Het stelt hen in staat om voedsel te kopen, onderdak te zoeken, partners te vinden, zichzelf te beschermen tegen roofdieren en vele andere levensactiviteiten uit te voeren.

Vraag 12.
Verduidelijk de soorten bewegingen die bij de dieren worden gevonden.
Antwoord geven:
Bewegingen tussen dieren variëren sterk. Beweging omvat drie basismechanismen.
Dit zijn:

Amoeboïde beweging is typerend voor Amoeba. Amoeba beweegt met behulp van pseudopodia. Amoeboïde beweging helpt ook bij het vangen van voedsel en het veranderen van plaats.

Dezelfde bewegingsmethode wordt ook gebruikt door de leukocyten, zoals fagocyten en macrofagen van het menselijke lymfestelsel voor het opslokken van antigeen en migratie van circulatoire vloeistof. In protozoa wordt ciliaire beweging gezien. Spierbeweging is het basismechanisme dat wordt gebruikt bij de meeste gewervelde dieren, inclusief de mens. De meeste meercellige dieren bezitten spiervezels voor de beweging van verschillende organen en het bereiken van voortbeweging.

Vraag 13.
Wat is spier? Schrijf de namen van verschillende soorten spieren?
Antwoord geven:
De voortbeweging bij de mens hangt af van de bewegingen van spiervezels (spiercellen). Spieren zijn opgebouwd uit contractiele vezels die op hun beurt gevormd zijn uit myofibrillen. Bij mensen vormen spieren bijna 40 tot 50 procent van het totale lichaamsgewicht.

Spieren worden grofweg ingedeeld in drie categorieën.

  1. Skeletspieren: Deze zijn door pezen aan de botten bevestigd en helpen bij de beweging van het deel van het skelet. Deze spieren staan ​​onder controle van de bewuste geest en kunnen naar de muur worden verplaatst.
    Skeletspieren worden vrijwillige spieren genoemd.
  2. Hartspieren: deze zijn ook gestreept en komen uitsluitend voor op het hart.
  3. Gladde spieren: dit zijn onwillekeurige en niet-gestreepte spieren en worden geïnnerveerd door het autonome zenuwstelsel.

Vraag 14.
Hoe trekt de skeletspier samen?
Antwoord geven:
Tijdens contractie glijden de actine- en myosinefilamenten langs elkaar om de lengte van de sarcomeren te verkleinen. De actinefilamenten bewegen naar binnen naar het centrum van het sarcomeer. De koppen van de myosinefilamenten werken als '8216haken'8217, hechten zich aan de F-actine en vormen kruisbruggen, veranderen vervolgens hun relatieve configuratie en trekken aan de actinefilamenten.

Als resultaat 3 worden de Z-lijnen die de sarcomeren begrenzen dichter bij elkaar getrokken, maar de lengte van de A-banden blijft ongewijzigd. De I-banden worden korter.

Het netto resultaat is echter de verkorting van het sarcomeer. Het actinefilament glijdt uit de A-band, wat resulteert in de verlenging van het sarcomeer.

Vraag 15.
Wat is artritis? Hoe wordt het veroorzaakt?
Antwoord geven:
Het is een aandoening van de botten waarbij fibreuze weefsels met botten worden vastgehecht en verbeend raken, waardoor de gewrichten onbeweeglijk worden.

Het wordt veroorzaakt door de ontsteking van de gewrichten. Het is van verschillende typen, bijvoorbeeld reumatoïde artritis, osteoartritis en jichtartritis.

Vraag 16.
Schrijf de namen op van de factoren die verantwoordelijk zijn voor osteoporose.
Antwoord geven:
Onevenwichtigheden van hormonen zoals thyrocalcitonine, bijschildklier- en geslachtshormonen, tekorten aan calcium en vitamine D zijn de belangrijkste veroorzakers.

Vraag 17.
Hoe helpen de gewrichten bij de beweging? Leg uit.
Antwoord geven:
Een synoviaal of beweegbaar gewricht is een gewricht dat de beweging van het verzamelen van botten mogelijk maakt, zodat ze uitgebreid op elkaar kunnen bewegen. In gewrichten is er een ruimte die een synoviale holte wordt genoemd. Deze holte blijft gevuld met een vloeistof die gewrichtsvloeistof wordt genoemd.

De beweging van een orgaan vindt plaats door het trekken van botten. Beweging vindt plaats langs de gewrichten die fungeren als het steunpunt van de lever. In feite fungeren de gewrichten als een hefboom. Door de aanwezigheid van een aantal gewrichten is beweging van de verschillende lichaamsdelen en het hele lichaam mogelijk.

Vraag 18.
Hoe beïnvloedt calcium het proces van spiercontractie?
Antwoord geven:
Spiervezels zijn prikkelbaar. Normaal gesproken initieert een zenuwimpuls die aankomt bij de neuromusculaire junctie een contractiele respons. Een neurotransmitter die vrijkomt bij de neuromusculaire junctie komt het sarcomeer binnen via het membraankanaal. De opening van het kanaal resulteert ook in de instroom van Na+ in het sarcomeer en genereert een actiepotentiaal in de spiervezel.

Het sarcoplasmatisch reticulum maakt het opgeslagen Ca++ vrij, dat bindt met de specifieke plaatsen die aanwezig zijn op de troponinecomponent van het dunne filament. Als gevolg hiervan worden de actieve plaatsen die aanwezig zijn op de F-actine-moleculen blootgesteld. Deze plaatsen zijn specifiek voor de myosinekop, die Mg++-afhankelijk ATP als activiteit vertoont.

Tijdens relaxatie van de spier wordt de Ca++ terug gepompt in het sarcoplasmatisch reticulum. Hierdoor komt de troponinecomponent vrij. De kruisbrug breekt en het dunne filament neemt zijn normale positie in. De spier ontspant.

Vraag 19.
Schrijf het verschil op tussen beweegbare en onroerende verbindingen.
Antwoord geven:

Beweegbare gewrichten Onbeweeglijke gewrichten
1. De scharnierende oppervlakken worden in nauw contact gehouden door een fibreus kapsel en een gladde synoviale vloeistof ontstaat in de ruimte tussen de scharnierende oppervlakken van het bot. 1. De scharnierende botten bij dit gewricht worden stevig bij elkaar gehouden door dichte banden van taai, onrekbaar wit vezelig weefsel.
2. Het maakt een aanzienlijke beweging van de scharnierende botten mogelijk. 2. Het staat geen enkele beweging van de scharnierende botten toe.

Vraag 20.
Vul de lege plekken in:
Antwoord geven:

  1. Troponine is een onderdeel van Myosine-filament.
  2. De kop van de myosine heeft AT passieve activiteit.
  3. Humerus Radius en Ulna botten zijn te vinden in de onderarm.
  4. Het acetabulum is aanwezig in de bekkengordel.
  5. Het kogelgewricht is een beweegbare gordel.

Vraag 21.
Match kolom I met kolom II

Kolom I Kolom- II
(a) Glad spierweefsel (i) Myoglobine
(b) Tropomyosine (ii) Hefboom van de derde klasse
(c) Rode spier (iii) Dun filament
(d) Schedel (iv) Hechtingen
(e) Onderarm (v) Onvrijwillig

Kolom I Kolom- II
(a) Glad spierweefsel (v) Onvrijwillig
(b) Tropomyosine (iii) Dun filament
(c) Rode spier (i) Myoglobine
(d) Schedel (iv) Hechtingen
(e) Onderarm (ii) Hefboom van de derde klasse

Vraag 22.
Wat is een joint? Schrijf het type met een voorbeeld.
Antwoord geven:
Gewrichten zijn de plaats van articulatie tussen twee of meer botten of tussen een bot en kraakbeen. Door de aanwezigheid van een aantal gewrichten is de beweging van de verschillende lichaamsdelen en het hele lichaam mogelijk.

Er zijn drie soorten gewrichten:

  1. Vaste of onbeweeglijke gewrichten: Er is geen ruimte tussen de botten. Ze zijn zeer stevig bevestigd met behulp van wit vezelig bindweefsel.
  2. Licht beweeglijk of kraakbeenachtig: het is een articulatie tussen de botten die weinig beweging mogelijk maakt.
  3. Beweegbare gewrichten of synoviaal: het is een gewricht dat de beweging van scharnierende botten mogelijk maakt, zodat ze uitgebreid op elkaar kunnen bewegen. In dergelijke gewrichten is een synoviale ijdelheid aanwezig.

Vraag 23.
Wat is de rol van de gordel in het skelet?
Antwoord geven:
Gordelbeenderen zorgen voor een verbinding tussen het axiale skelet en ledematen. De twee gordels worden borst- en bekkengordels genoemd. Elke gordel bestaat uit twee helften.

Locomotie en beweging Belangrijke extra vragen Type lang antwoord

Vraag 1.
(a) Wat zijn de chemische veranderingen die plaatsvinden tijdens spiercontractie. Beschrijf in een lijstvorm.
Antwoord geven:
De belangrijkste chemische gebeurtenissen die plaatsvinden tijdens spiercontractie beschreven door Albert Szent Gyorgi zijn:
1. Acetylcholine komt vrij uit blaasjes op de neuromusculaire junctie. Het stimuleert de spier.

2. Hydrolyse van ATP in aanwezigheid van Ca++ en Mg++ Energie verbruikt bij spiercontractie.

3. ADP wordt weer opgeladen door fosfaat te nemen uit creatinefosfaat (CP).

4. Tijdens ontspanning wordt creatine gefosforyleerd, waarbij energie wordt geleverd door anaërobe omzetting van spierglycogeen in melkzuur.
Creatine + ATP— Creëren-fosfaat + ADP

5. Energie die vrijkomt door hydrolyse van ATP veroorzaakt rotatie van myosinekoppen en brengt de actinefilamenten dichterbij, actomyosinecomplex wordt gevormd, uiteindelijk wordt het sarcomeer korter.

6. Ca++ wordt actief getransporteerd naar het sarcoplasmatisch reticulum, geen Ca++ meer beschikbaar voor ATP-afbraak, geen verdere energie beschikbaar voor verdere samentrekking van het sarcomeer.

7. Een deel van de energie wordt benut door het breken van dwarsbruggen en de spier ontspant.

(b) Wat zijn de belangrijkste groepen wervels in de wervelkolom van de mens?
Antwoord geven:
Er zijn 5 groepen wervels, namelijk de cervicale, thoracale, lumbale, sacrale en coccygeale wervel.
(De wervelformule is C7, T12, L5, C3-5 = 32 – 34).

Vraag 2.
(a) Waarvoor dient de beweging van uitwendige lichaamsdelen ten opzichte van de lichaamsas bij dieren?
Antwoord geven:

  1. De beweging van ledematen, aanhangsels, hoofd en romp dient om de lichaamshouding te veranderen om het evenwicht tegen de zwaartekracht in te behouden.
  2. Bewegingen van de ledematen zijn voorwaarden voor het uitvoeren van voortbeweging.
  3. Prehension van voedsel omvat beweging van tong, kaken, snuit, tentakels, ledematen en aanhangsels bij verschillende dieren.
  4. Beweging van oogbollen en oorschelp helpen om informatie uit de externe omgeving te verzamelen.

(b) Wat zijn fibreuze gewrichten en kraakbeenachtige gewrichten en hun biologische functie?
Antwoord geven:

  1. Vezelig gewricht: de scharnierende botten worden stevig bij elkaar gehouden door de dichte banden van taaie, niet-rekbare witte vezelige weefsels. Ze bieden kracht en ondersteuning voor het lichaam of beschermen delicate structuren die geen enkele vorm van vervorming kunnen weerstaan.
  2. Kraakbeenachtige gewrichten: In kraakbeenachtige gewrichten verbindt een dichte schijf van wit vezelig kraakbeen de tegenoverliggende oppervlakken van de scharnierende botten met elkaar. Hierdoor is een beperkte beweging van de gewrichten mogelijk.

(c) Leg antagonistische spieren uit.
Antwoord geven:
Antagonistische spieren: Antagonistische spieren zijn spieren die samentrekken om tegengestelde bewegingen in hetzelfde gewricht te produceren. Wanneer een spier samentrekt om een ​​beweging te produceren, moet zijn antagonist zich ontspannen om die beweging te laten plaatsvinden, bijvoorbeeld de biceps is een FLEXER voor het ellebooggewricht en de tricep is zijn antagonist en een EXTENSOR voor dat gewricht.

Bij flexie aan de elleboog trekken de biceps samen en ontspannen de triceps, tijdens extensie aan hetzelfde gewricht trekt de tricep zich samen en ontspant de biceps.

(d) Maak onderscheid tussen spiertrekkingen en tetanus of leg spiertrekkingen en tetanus uit.
Antwoord geven:
Een enkele geïsoleerde samentrekking veroorzaakt door een enkele zenuwimpuls of elektrische schok wordt een spiertrekking genoemd. Direct na de korte spiertrekking ontspannen de spiervezels.

Tetanus is een voortdurende staat van concentratie veroorzaakt door veel herhaalde stimuli. Bij tetanus wordt een veel hogere spanning ontwikkeld dan bij een geïsoleerde spiertrekking. Bijna al onze dagelijkse activiteiten worden uitgevoerd door tetanische samentrekkingen van spieren.

Vraag 3.
Hoe dikke en dunne filamenten zijn gerangschikt in een spiervezel?

relatie tussen actine- en myosinefilamenten in uitgerekte en samengetrokken toestanden
Antwoord geven:
Elke dwarsgestreepte spier bevat dunne actine- en dikke myosinefilamenten. Deze filamenten zijn longitudinaal gerangschikt in respectievelijk lichte I-banden en donkere A-banden. De actine- en myosinefilamenten blijven met elkaar verknoopt in de myofibril.Sarcomeren zijn de rijen functionele eenheden in elke myofibril, die zich elk uitstrekken vanaf de donkere Z-lijn van de volgende I-band. Elke sarcomeer bestaat dus uit een band in het midden met 2 halve I-band aan beide zijden.

Van elke Z-lijn vermengen de actinefilamenten door de helft van de I-band zich met de uiteinden van myosinefilamenten in de A-band. De myofibril is bij elke I-band omgeven door de tubuli en cisternae van het sarcoplasmatisch reticulum en op elke kruising van de A- en I-banden door een TI-tubulus die in verbinding staat met de buitenkant van de cel, zoals weergegeven in de figuur. De relatie tussen actine (dun filament) en myosine (dik filament).


Welke stappen zijn betrokken bij de myosine powerstroke?

Elk myosine-motoreiwit bezit ATPase-activiteit en functioneert op een cyclische manier die ATP-binding en hydrolyse koppelt aan een conformationele verandering in het eiwit. Dit proces staat bekend als de &lsquopowerstroke-cyclus&rsquo (besproken in [1] [2] [3] ) en wordt in de onderstaande stappen beschreven met myosine II als voorbeeld. t

Het & ldquopower stroke & rdquo-mechanisme voor myosinebeweging langs actinefilamenten:

De richting waarin het actinefilament wordt bewogen, wordt bepaald door de structurele oriëntatie van myosine ten opzichte van het filament. Een volledige ronde van ATP-hydrolyse produceert een enkele "stap" of beweging van myosine langs het actinefilament. Dit proces wordt gereguleerd door veranderingen in de concentratie van intracellulair vrij calcium (besproken in [4]). De betrokken stappen worden hieronder beschreven:

Stap 1: Aan het einde van de vorige bewegingsronde en het begin van de volgende cyclus, mist de myosinekop een gebonden ATP en is deze bevestigd aan het actinefilament in een zeer kortstondige conformatie die bekend staat als de &lsquorigorconformatie&rsquo.

Stap 2: ATP-binding aan het myosinekopdomein induceert een kleine conformationele verschuiving in de actine-bindingsplaats die de affiniteit voor actine vermindert en ervoor zorgt dat de myosinekop het actinefilament afgeeft.

Stap 3: ATP-binding veroorzaakt ook een grote conformationele verschuiving in de &lsquolever-arm&rsquo van myosine die de myosinekop naar een positie verder langs het filament buigt. ATP wordt vervolgens gehydrolyseerd, waardoor het anorganische fosfaat en ADP aan myosine worden gebonden.

Stap 4: De myosinekop maakt zwak contact met het actinefilament en er treedt een lichte conformatieverandering op myosine op die de afgifte van het anorganische fosfaat bevordert.

Stap 5: De afgifte van anorganisch fosfaat versterkt de bindingsinteractie tussen myosine en actine en triggert vervolgens de &lsquopower stroke&rsquo. De krachtslag is de belangrijkste krachtgenererende stap die wordt gebruikt door myosine-motoreiwitten. Er worden krachten gegenereerd op het actinefilament wanneer het myosine-eiwit terugkeert naar zijn oorspronkelijke conformatie.

Stap 6: Naarmate myosine zijn oorspronkelijke conformatie terugkrijgt, wordt de ADP vrijgegeven, maar de myosinekop blijft stevig aan het filament gebonden op een nieuwe positie van waar het begon, waardoor de cyclus terug naar het begin wordt gebracht.


Materialen en methodes

Constructie van een GFP::myosine zware keten expressievector

De zware keten van myosine werd gecodeerd door een embryonaal kippen-myosine-cDNA dat epitoop-gemerkt was zoals eerder beschreven (Kinose et al., 1996, Molina et al., 1987). De fusie van de zware keten van GFP::myosine werd geconstrueerd in de GFP-expressievector pS65T-C1 (CLONTECH Laboratories, Inc., Palo Alto). Het 5'-uiteinde van het GFP-coderingsgebied via een unieke PmlI restrictieplaats werd afgeleid van de pS65T-C1 vector. Het 3'-uiteinde van het GFP-coderende gebied was afgeleid van een thermisch stabiele, snel vouwende GFP-variant, GFP5 (Siemering et al., 1996). Dit segment werd geamplificeerd door PCR van de vector pcGFP5 en gemodificeerd om een ​​zes basen linkersequentie met een unieke KpnI-plaats voor fusie met de voor myosine coderende sequentie met behulp van de 5'-PCR-primer CAA GGA CGA CGG GAA CTA CAA GAC en de 3'-primer CAT GGG TAC CTT GTA TAG TTC ATC CAT GCC. Het 436 bp PCR-product werd geknipt met Pmlik en Kpnik en gekloond samen met een KpnL-BamHI-insert met de sequentie van de zware keten van myosine van volledige lengte in Pmlik en BamHI-cut pS65T-C1. De resulterende vector van 10,6 bp, pGFP5-MHC (myosine zware keten), werd gebruikt als basis voor alle transfecties en mutagenese. De FHC-mutaties werden geïntroduceerd in het myosine-coderende gebied door PCR-mutagenese. Deze segmenten werden gekloneerd in unieke restrictieplaatsen van de basisexpressievector en vervolgens bevestigd door sequentiebepaling.

Bereiding en transfectie van embryonale cardiomyocyten

Primaire kweken van kippencardiomyocyten werden bereid uit stadium 26-30 witte leghorn kippenembryo's (Hamburger en Hamilton, 1992). De harten werden uitgesneden uit 1-2 dozijn embryo's, het hartzakje en de atria werden verwijderd en ventriculaire cardiomyocyten werden bereid met behulp van een korte trypsinebehandeling gevolgd door collagenasedigestie zoals eerder beschreven (Moncman en Wang, 1995). De bovenste laag van de celpellet was verrijkt met cardiomyocyten en werd opnieuw gesuspendeerd in 5% FBS/DMEM, geteld en uitgeplaat bij 1 x 104 cardiomyocyten/cm2 op glazen dekglaasjes of 35 mm weefselkweekschalen met glazen bodem die voorbehandeld waren met 10 g/ml muis EHS-cellaminine (Colognato et al., 1999). Cellen worden bewaard in 5% FBS, DMEM zonder glutamine bij 37°C en 5% CO2 en liet men 24 uur herstellen voor transfectie. Voor fluorescerende observatie werden cardiomyocyten verschoven naar 5% FBS in Hepes-gebufferd DMEM/F12-medium zonder fenolrood (Life Sciences, Gaitherburg, MD).

Expressievector-DNA dat in transfectietesten werd gebruikt, werd gezuiverd op CsCl-gradiënten (Moncman et al., 1993) vóór transfectie met Fugene 6-reagens (Boehringer Mannheim, Duitsland). Het transfectiemengsel bevatte 2 g vector-DNA en 4 l Fugene per schaal van 35 mm. Cellen werden 18 uur met dit mengsel geïncubeerd en vervolgens overgebracht naar vers medium.

Immunofluorescentiemicroscopie en antilichamen

Cellen werden 48-120 uur na transfectie voor immunofluorescentie verwerkt, in wezen zoals eerder beschreven (Kinose et al., 1996). De cellen werden geïncubeerd met primaire antilichamen bij 2 g/μl gedurende 1 uur bij kamertemperatuur of overnacht bij 4°C. Met rhodamine gemerkte secundaire antilichamen werden 1:600 ​​verdund in 1% BSA, 0,05% Tween in PBS. Dekglaasjes werden uitgebreid gewassen met PBS voordat het oppervlak werd afgedicht op een glasplaatje met FITC-bewakingsmontagemedium (Molecular Probes, Eugene, OR). Monoklonale antilichamen (mAb) 12C5.3 en 10F12.3 reageren specifiek met myosine van de skeletspier van kippen (Winkelmann et al., 1995 Winkelmann et al., 1993). mAb F18 reageert met gestreepte spiermyosine zware ketens (Miller et al., 1989). mAb RT11 reageert met het PEVK-herhalingsgebied van titine (Moncman en Wang, 1996) en mAb N114 reageert met de hartspecifieke vorm van nebuline (Moncman en Wang, 1995). De cardiomyocyten waren 72 uur na transfectie subconfluent toen ze werden gefixeerd en gekleurd om te scoren.

Microscopie

Digitale beelden werden verzameld op een Olympus IX70 omgekeerde fluorescentiemicroscoop (Olympus America Inc., Melville, NY) met een MicroMax gekoelde CCD-camera (Roper Scientific, Princeton, NJ) met behulp van IpLab-beeldanalysesoftware (Scanalytics Inc., Fairfax, VA). Live cell imaging en time-lapse experimenten werden gedaan met een PDMI-2 micro-incubator en perfusiepomp (Harvard Apparatus Inc., Holliston, MA). De cellen werden uitgeplaat op met laminine beklede 12 mm glazen dekglaasjes in 35 mm kweekschalen. Differentiële interferentiecontrast (DIC) beelden van samentrekkende hartspiercellen werden opgenomen met een 100 × 1,3 NA Plan Apo-doelstelling en een Hamamatsu C2400 CCD-camera met een Argus 20-beeldprocessor (Hamamatsu USA Inc., Bridgewater, NJ). Gedigitaliseerde videosequenties werden verzameld met 30 frames/seconde en geanalyseerd met IpLab-beeldanalysesoftware met behulp van een script voor detectie en tracking van z-lijnen.

Adenovirusvectoren voor expressie van GFP-myosine

De volledige coderende regio's van de WT- en mutante GFP-myosine-cDNA's werden op unieke flankering uit de pGFP5-MHC-vectoren gesneden neeik en BamHI-restrictieplaatsen en gekloond tussen een verbeterde CMV-promoter en een SV40-polyadenyleringssignaalsequentie in een gemodificeerde AdEasy-shuttlevector, pCMVShuttle (He et al., 1998). Recombinant adenovirus-DNA werd bereid door homologe recombinatie van shuttlevectoren met de pAdEasy1-vector in E coli stam BJ5183 in wezen zoals eerder beschreven (Chow et al., 2002 He et al., 1998). Kolonies werden geselecteerd op kanamycineresistentie en plasmide-DNA werd gekarakteriseerd door restrictiedigestie. Het recombinante vector-DNA werd gesubkloneerd in E coli DH10B-cellen en het pAdGFP-MHC-plasmide van 38 kb werden gezuiverd door middel van een CsCl-dichtheidsgradiënt. Menselijke 293-cellen werden getransfecteerd met gelineariseerd pAdGFP-MHC-DNA zoals eerder beschreven (Chow et al., 2002). Het recombinante adenovirus werd geoogst zodra virusplaques zichtbaar waren en ongeveer 50% van de cellen was afgerond en los van het oppervlak. Virusvoorraden werden geamplificeerd en virustiter werd bepaald door infectie van confluent 293. Virustiters van 1010-1011 plaquevormende eenheden (PFU)/ml werden routinematig bereikt.

Adenovirusinfectie van C2C12-myotubes en bereiding van GFP-myosine

Onderhoud van de myogene cellijn van muizen, C2C12 (CRL 1772 American Type Culture Collection, Rockville, MD), is elders in detail beschreven (Chow et al., 2002 Kinose et al., 1996). Voor isolatie van GFP-myosine werden myoblasten uitgeplaat op weefselkweekschalen van 100 mm die waren voorbehandeld met 10 g/ml muizenlaminine. De cellen werden gezaaid met een initiële dichtheid van 7,5 x 104 cellen/cm2. Cellen bij 60-70% confluentie werden geïnduceerd om te differentiëren door ze over te schakelen naar fusiemedium. De cellen werden ∼ 48 uur later geïnfecteerd met AdGFP-MHC bij een multipliciteit van infectie (MOI) van 1000-3000 in vers medium, en de incubatie werd gedurende nog eens 24-36 uur voortgezet. Het medium werd na infectie dagelijks ververst. Myosine werd geïsoleerd uit 10-20 100 mm schalen van geïnfecteerde C2C12-myotubes zoals eerder beschreven (Kinose et al., 1996). Verdere zuivering door ionenuitwisselingschromatografie op een Mono Q HR5/5-kolom (Pharmacia, Piscataway, NJ) werd uitgevoerd in 40 mM natriumpyrofosfaat pH 7,5, 1 mM DTT en myosine geëlueerd met een lineaire 0-0,5 M NaCl-gradiënt.

Motiliteitstesten en data-analyse


BDM (2,3-butaandionmonoxim), een remmer van myosine-actine-interactie, onderdrukt myofibrillogenese in skeletspiercellen in kweek

Tijdens de beginfase van myofibrillogenese in zich ontwikkelende spiercellen, liggen de meeste dunne filamenten parallel aan, en vertonen ze de juiste polariteit en ruimtelijke positie met dikke filamenten, zoals bij volwassen myofibrillen. Omdat bekend is dat myosine in vitro als een versneller van actinepolymerisatie functioneert, is gepostuleerd dat interactie tussen myosine en actine belangrijk is in de beginfase van myofibrillogenese. Om de rol van actine-myosine-interactie in myofibrilvorming tijdens de ontwikkeling verder te verduidelijken, werd BDM (2,3-butaandion 2-monoxime), een remmer van myosine-ATPase, toegepast op primaire kweken van skeletspieren om myosine-activiteit tijdens myofibrillogenese te remmen, en myofibrillenvorming werd onderzocht. Toen 10 mM BDM net na fusie aan de myotubes werd toegevoegd en de kweken nog eens 4 dagen werden gehandhaafd, werden kruisgestreepte myofibrillen nauwelijks waargenomen door fluorescentiemicroscopie bij onderzoek door kleuring met antilichamen tegen actine, myosine, troponine en alfa-actinine, terwijl in de controlemyotubes die niet waren blootgesteld aan BDM, typische sarcomere structuren werden gedetecteerd. Elektronenmicroscopie onthulde een ongeorganiseerde opstelling van myofilamenten en onvolledige sarcomere structuren in de met BDM behandelde myotubes. Aldus werd de vorming van dwarsgestreepte myofibrillen opmerkelijk onderdrukt in de met BDM behandelde myotubes. Toen de myotubes gekweekt in BDM-bevattende media werden overgebracht naar controlemedia, werden in 2-3 dagen sarcomere structuren gevormd, wat suggereert dat het remmende effect van BDM op myotubes omkeerbaar is. Deze resultaten suggereren dat actine-myosine-interactie een cruciale rol speelt in het vroege proces van myofibrillogenese.


Discussie

In het sarcomeer worden steeds meer eiwitten geïdentificeerd die niet passen in een meer traditioneel beeld van het sarcomeer als een statische structuur met grote regelmaat (Sanger en Sanger, 2001). Sommige van deze nieuwe eiwitten combineren een structurele rol met signaalfuncties, zoals de differentieel gesplitste gigantische G-eiwitregulator obscurin, die zich lokaliseert op de sarcomere Z-schijf in zich vroeg ontwikkelende harten, maar later wordt gevonden op de M-band (Young et al. , 2001).

MURF2 behoort tot de MURF-familie van spierspecifieke RING/B-box-zinkvinger-eiwitten (Centner et al., 2001) voor het eerst geïdentificeerd door Spencer et al. (Spencer et al., 2000) in een zoektocht naar liganden van het serum responsfactor (SRF). Een tweede MURF-lid, MURF1, werd geïdentificeerd als een ligand van titine dichtbij de M-band en ongeveer 12 nm N-terminaal van het kinasedomein. Daarom werd gespeculeerd dat MURF's regulatoren zouden kunnen zijn van het titinkinasedomein (Centner et al., 2001). In volwassen hartspier werd MURF1 zowel op de Z-schijf gevonden en werd de M-band MURF3 toegewezen aan de Z-schijf. Onlangs werd voorgesteld dat MURF1 een rol speelt bij de assemblage van dikke filamenten (McElhinny et al., 2002). Een MURF1-knock-outmuis vertoont echter geen defecten in primaire myofibrillogenese (Bodine et al., 2001), maar eerder een resistentie tegen atrofie in overeenstemming met de opregulering van MURF1 onder deze omstandigheden. Deze waarnemingen suggereren dat de functies van MURF1 in myofibrillenassemblage gedeeltelijk overbodig of overbodig zijn. Om MURF-functies te begrijpen, is duidelijk een gedetailleerde analyse van de rol in de assemblage van myofibrillen vereist. De eerdere onderzoeken naar MURF1 en MURF3 waren gericht op cardiale myocyten, waar primaire myofibrillen niet kunnen worden bestudeerd vanwege de voorgevormde myofibrillen. In deze studie presenteren we daarom de eerste gedetailleerde temporele analyse van een MURF-eiwit, MURF2, tijdens myogene differentiatie in skeletspieren.

MURF2 werd geïsoleerd op affiniteitskorrels van een A-band titinefragment (Iakovenko en Gautel, 2000) dat de bindingsplaats voor MURF1 bevat, mogelijk vanwege zijn vermogen om heterodimeren te vormen met MURF1 en MURF3 (Centner et al., 2001) Spencer et al. ., 2000). We demonstreren hier echter voor de eerste keer dat MURF2 ook intrinsieke titine-bindende eigenschappen vertoont die kunnen bijdragen aan de cellulaire lokalisatie nabij de M-band van rijpe cardiale sarcomeren. Terwijl MURF1 tot expressie lijkt te blijven in alle dwarsgestreepte spieren in alle stadia van differentiatie, vinden we dat MURF2 naar beneden wordt gereguleerd in volwassen skeletachtige myotubes en wordt uitgesloten van volwassen skeletsarcomeren. Deze resultaten komen goed overeen met de Northern-blot-analyse die suggereerde dat MURF2 op zijn best zwak tot expressie wordt gebracht in volwassen hart- en skeletweefsels (Centner et al., 2001), en dat MURF1 sterk tot expressie wordt gebracht in de foetale hartspier (Dai en Liew, 2001 ). Onze gegevens samen met die van Spencer et al. (Spencer et al., 2000) laten zien dat zowel MURF3- als MURF2-eiwitten microtubuli-geassocieerde eiwitten zijn, maar dat expressie en lokalisatie verschillend blijven, wat aangeeft dat MURF2 en MURF3 verschillende taken zouden kunnen vervullen tijdens differentiatie. Terwijl MURF3 werd gedetecteerd in prolifererende myoblasten en in volwassen skelet- en hartspier (Spencer et al., 2000), vertoont MURF2 temporele dynamiek in zijn expressie in skeletspiercellen met de hoogste niveaus vroeg na het begin van differentiatie (Fig. 2A, B) .

Tijdens differentiatie volgt de MURF2-distributie de morfologische reorganisatie die het cytoskelet van de microtubuli heeft ondergaan (Fischman, 1970Gundersen et al., 1989Okazaki en Holtzer, 1965). In vroege stadia van differentiatie kleurt het MURF2-antilichaam verschillende microtubuli over de hele lengte van de ontluikende myotube, terwijl in latere stadia gesegmenteerde staafachtige en puntige structuren werden waargenomen. Deze verschillende morfologieën weerspiegelen de reorganisatie van het microtubuli-netwerk (Cartwright en Goldstein, 1982 Gundersen et al., 1989 Warren, 1974), en/of specifieke intracellulaire herlokalisatie van MURF2. Deze associatie is ook duidelijk in cellen die zijn behandeld met nocodazol, waar MURF2 een diffuse distributie aanneemt, terwijl titine op SFLS niet wordt aangetast (gegevens niet getoond).

De nauwste associatie tussen MURF2 en sarcomere eiwitten wordt waargenomen voor sarcomere myosine, ruim vóór de integratie van myosine in ontluikende myofibrillen. Hoewel sarcomere myosine als een van de eerste myofibrillaire eiwitten verschijnt, wordt de gestreepte A-bandrangschikking pas in een zeer laat stadium waargenomen (Person et al., 2000 Rudy et al., 2001 Van der Ven et al., 1999). MURF2 is het eerste MURF-eiwit waarvan bekend is dat het morfologische myosine-associatie vertoont. In overeenstemming hiermee hebben we ook MURF2 gedetecteerd in preparaten van sarcomere myosine (figuur 2E). Volgens onze immunofluorescentiegegevens vinden MURF2- en myosine-associatie plaats aan het begin van differentiatie, wanneer het microtubuli-netwerk nog steeds op grote schaal wordt bewaard. Interessant is dat de samenstelling van myosinefilamenten onafhankelijk is van actinefilamenten (Guo et al., 1986Holtzer et al., 1997LoRusso et al., 1997Rhee et al., 1994Sanger et al., 1986Schultheiss et al., 1990Wang en Wright, 1988), maar vereist het cytoskelet van de microtubuli voor de vorming en de organisatie van de dikke filamenten in A-banden (Antin et al., 1981 Toyama et al., 1982).

Daarentegen assembleren actine en Z-disk titine al vroeg en initiëren ze de vorming van een Z-disk-titine-M-band scaffold waarin myosine uiteindelijk wordt geïntegreerd. Onze waarnemingen suggereren dat de Z-schijf / titine / M-band-steiger slechts tijdelijk samenvalt met MURF2-bevattende microtubuli tijdens sarcomeervorming. Echter, zowel myosine als A-band titine colocaliseren met MURF2 in niet-gestreepte en ontluikende dwarsgestreepte myofibrillen, parallel en nauw verwant aan dwarsgestreepte myofibrillen. Veel waarnemingen toonden aan dat de organisatie van de N-terminale titinedomeinen voorafgaat aan die van de C-terminale regio's, wat de sequentiële en structurele volgorde van het ontrafelen van titinemoleculen onthult (Ehler et al., 1999Fürst et al., 1989bKomiyama et al., 1993Mayans et al., 1993Mayans et al. al., 1998Schultheiss et al., 1990Soeno et al., 1999Van der Loop et al., 1996Van der Ven et al., 1999). De temporele volgorde van de ruimtelijke relatie van MURF2 met betrekking tot Z-schijf, I-band en A-band titine komt goed overeen met een betrokkenheid bij het rechttrekken en uitrekken van het gigantische titinemolecuul tijdens sarcomeervorming. Co-uitlijning van MURF2 en Z-disk titine vindt plaats aan het begin van differentiatie, zoals aangegeven door de integriteit van de microtubuli-netwerkkleuring onthuld met MURF2-antilichaam (Fig. 5D). Aangezien overlap van MURF2 en I-band titine alleen wordt waargenomen op onregelmatige dwarsgestreepte sarcomeren (Fig. 5B), lijkt MURF2 slechts kort in lijn te zijn met I-band titine. Zoals verwacht vanwege de biochemische associatie met titine, lokaliseert MURF2 met A-band titine. Aangezien duidelijke strepen van A-band titine-epitopen worden gevormd in een laat stadium van differentiatie, zou men kunnen veronderstellen dat MURF2 interageert met het opgevouwen titinemolecuul wanneer hun A-bandgedeelte zich begint uit te strekken vanaf het Z-schijfgedeelte.

De vroege en aanhoudende associatie van MURF2 met zowel sarcomere myosine als microtubuli, en de parallelle uitlijning van microtubuli en hun geassocieerde eiwitten met ontluikende dwarsgestreepte myofibrillen suggereren dat microtubuli inderdaad betrokken zijn bij het verplaatsen van myosinefilamenten naar de plaatsen van uiteindelijke sarcomeerassemblage. MURF's lijken te werken als een tijdelijke adapter tussen sarcomere eiwitten, met name myosine en titine, en het microtubuli-netwerk. Aan het begin van differentiatie interageert het MURF2 / myosine-complex met microtubuli, waardoor de verspreiding van myosine door de myotube langs het microtubuli-netwerk mogelijk wordt. Tijdens differentiatie brengt MURF2 dus myosinefilamenten in de buurt van rijpende titinefilamenten. MURF2-homo- of hetero-multimeren zouden dan bindingsplaatsen op myosine en titine kunnen coördineren. MURF1, dat het sterkst interageert met A-band titine (McElhinny et al., 2002), kan de link naar het titinefilament verschaffen, hoewel we hier laten zien dat titinebinding geen exclusief eigendom is van MURF1. Dit kan verklaren waarom een ​​knock-out van MURF1 geen gevolgen heeft voor de vorming van primaire sarcomeren (Bodine et al., 2001). Deze voorgestelde rol van MURF's biedt een verklaring hoe A-band titine en myosine uiteindelijk in een strak register worden gebracht, synoptisch samengevat in de schets in Fig. 9. De processen van actief transport van myosine, en het uitrekken en uitlijnen van ontluikende myofibrillen, moeten kracht vereisen en dus de activiteit van moleculaire motoren. Het zal interessant zijn om te zien of deze op microtubuli zijn gebaseerd en of dergelijke motoren associëren met MURF's.

MURF2 in relatie tot titine, myosine en de filamenteuze systemen van actine en microtubuli tijdens sarcomeervorming. (A) In de beginfase van de myofibril-assemblage is MURF2 (rode ovalen) microtubuli geassocieerd. Myosine (donkergroene staafjes) colokaliseert vroeg met MURF-versierde microtubuli (lichtgroen). (B) Titin (rode ketens) lokaliseert in dot-achtige aggregaten op actine SFLS (blauw) met een tussenruimte van ongeveer 1 m. Zwarte schakels, α-actinine-crosslinks. Deze structuren komen overeen met MURF-versierde microtubuli. (C) MURF2 en myosine colocaliseren strikt in ontluikende dwarsgestreepte myofibrillen, wanneer het dwarsgestreepte patroon van myosine zich begint te vormen en titine Z-Z-kleuring toeneemt tot het volwassen patroon van ongeveer 2 m. In dit stadium wordt tijdelijke colokalisatie met A-band titine waargenomen. MURF-MURF heteromultimeren kunnen in dit stadium verschillende sarcomere componenten koppelen en resulteren in de exacte uitlijning van titine en myosine. (D) In ​​volwassen myofibrillen zijn myosine en actine gerangschikt in sterk geordende kruisgestreepte patronen met geordende polariteit (actinepuntige uiteinden gemarkeerd door pijlen), en het titinemolecuul wordt verlengd, waarbij het N-terminale deel in de Z-schijf blijft en de C-terminus geïntegreerd in de M-band. Afhankelijk van de differentiatietoestand en/of het spiertype kan MURF2 aanwezig zijn in de M-band of de kern. Bar, 1 m.

MURF2 in relatie tot titine, myosine en de filamenteuze systemen van actine en microtubuli tijdens sarcomeervorming. (A) In de beginfase van de myofibril-assemblage is MURF2 (rode ovalen) microtubuli geassocieerd. Myosine (donkergroene staafjes) colokaliseert vroeg met MURF-versierde microtubuli (lichtgroen). (B) Titin (rode ketens) lokaliseert in dot-achtige aggregaten op actine SFLS (blauw) met een tussenruimte van ongeveer 1 m. Zwarte schakels, α-actinine-crosslinks. Deze structuren komen overeen met MURF-versierde microtubuli. (C) MURF2 en myosine colocaliseren strikt in ontluikende dwarsgestreepte myofibrillen, wanneer het dwarsgestreepte patroon van myosine zich begint te vormen en titine Z-Z-kleuring toeneemt tot het volwassen patroon van ongeveer 2 m. In dit stadium wordt tijdelijke colokalisatie met A-band titine waargenomen. MURF-MURF heteromultimeren kunnen in dit stadium verschillende sarcomere componenten koppelen en resulteren in de exacte uitlijning van titine en myosine. (D) In ​​volwassen myofibrillen zijn myosine en actine gerangschikt in sterk geordende kruisgestreepte patronen met geordende polariteit (actinepuntige uiteinden gemarkeerd door pijlen), en het titinemolecuul wordt verlengd, waarbij het N-terminale gedeelte in de Z-schijf blijft en de C-terminus geïntegreerd in de M-band. Afhankelijk van de differentiatietoestand en/of het spiertype kan MURF2 aanwezig zijn in de M-band of de kern. Staaf, 1 m.

We ontdekten dat MURF2 tot expressie wordt gebracht in meerdere isovormen, waarvan sommige weefselspecifiek zijn. MURF2 p60B wordt gegenereerd door gebruik van een alternatief leeskader, de eerste beschrijving van dit nieuwe splitsingsmechanisme (Klemke et al., 2001) in een spiereiwit. Afgezien van het creëren van het potentieel voor ontelbare permutaties in complexe formatie tijdens de assemblage van sarcomeren, kunnen de differentieel tot expressie gebrachte MURF's andere, spiertype-specifieke functies hebben. De ablatie van MURF3 door antisense RNA onderdrukt op dramatische wijze myogene differentiatie op transcriptioneel niveau (Spencer et al., 2000), behalve dat het de vorming van myofibrillen schaadt. Dit kan wijzen op een rol in de differentiatie van de controlespier, afgezien van die van een tijdelijke structurele adapter tijdens de vorming van myofibrillen. Een rol voor MURF3 bij de transcriptie van spiergenen zou kunnen worden afgeleid uit de vermeende interactie met SRF (Spencer et al., 2000). MURF1, ook bekend als SMRZ (Dai en Liew, 2001), bleek te lokaliseren naar de kern wanneer het werd getransfecteerd in C2C12-myoblasten, en ook te verplaatsen in cardiale myocyten (McElhinny et al., 2002). MURF1 kan ook via het sterk geconserveerde RING-domein interageren met het ubiquitine-achtige SUMO-2/SMT3b (Dai en Liew, 2001), waardoor MURF's worden gekoppeld aan mogelijke rollen in nucleair transport, transcriptieregulatie en signaaltransductie (Müller et al., 2001) . Onze gegevens leveren het eerste bewijs dat endogeen MURF2 wordt getransloceerd naar de kern en de nucleaire lamina als reactie op stimulatie van serum-uitgehongerde hartmyocyten. MURF2 kan dus pendelen tussen drie cellulaire compartimenten: microtubuli, M-banden en de kern. MURF2 is echter slechts kort detecteerbaar in de kern van neonatale rattencardiomyocyten na het verschuiven van serum-uitgehongerde cellen van lage naar hoge serumcondities, wat wijst op een betrokkenheid bij nucleaire signalering in een smal tijdvenster en gerelateerd aan de stress van serumonttrekking. Hoewel we MURF2 niet konden waarnemen in skeletachtige myotube-kernen, onderzoeken we momenteel de lokalisatie in skeletspierweefsels. Of MURF's fungeren als transcriptionele co-activatoren of co-repressoren in de kern, naast een meer structurele betrokkenheid bij de assemblage van sarcomeren, zal nu moeten worden opgehelderd. Onze waarnemingen suggereren dat het sarcomeer niet alleen input ontvangt van vele signaaltransductieroutes, maar ook informatie kan doorgeven aan de transcriptionele machinerie en dus spierspecifieke genexpressie zou kunnen reguleren, zoals voor het eerst werd voorgesteld door Iakovenko en Gautel (Iakovenko en Gautel, 2000). MURF's komen naar voren als nieuwe componenten van deze overspraak en de verschillende signalen die resulteren in stress-geïnduceerde MURF-translocatie moeten nu worden geïdentificeerd.


MATERIALEN EN METHODES

Celcultuur en transfectie.

Proefdieren werden verzorgd zoals beschreven in de Gids voor de verzorging en het gebruik van proefdieren (Diercommissies van de Hokkaido University en het NARO Institute of Livestock and Grassland Science), die de commissie accepteerde. Primaire skeletspiercellen van kippen werden bereid zoals eerder beschreven (37), met kleine modificaties. In het kort werden skeletspiercellen geïsoleerd uit dag 11 embryonale borstspieren van kippen en gekweekt op met Matrigel gecoate (BD Bioscience) Labtech-kamerglaasjes (Nalge Nunc International) voor immunofluorescentiekleuring, of op met collageen gecoate glazen bodemschalen (Matsunami Glass Ind.) voor FRAP-experimenten. Het groeimedium [10% kippenembryo-extract en 10% paardenserum in minimaal essentieel medium (allemaal van Life Technologies)] werd verschoven naar differentiatiemedium (1,5% kippenembryo-extract en 5% paardenserum in minimaal essentieel medium) om spierdifferentiatie te induceren op de volgende dag van transfectie. Groei- en differentiatiemedia werden aangevuld met 100 E/ml penicilline en 0,1 mg/ml streptomycine (Life Technologies). Transfectie werd uitgevoerd met behulp van Lipofectamine LTX- en Plus-reagentia op de dag na celplating (Life Technologies).

Om de polymerisatie van microtubuli te blokkeren, werd nocodazol (Sigma) aan het kweekmedium toegevoegd in een eindconcentratie van 2 M (34). De actomyosine-interactie werd geremd door de cellen te behandelen met N-benzyl-P-tolueensulfonamide (BTS Tokyo Chemical Industry) in een eindconcentratie van 30 M (26) en eiwitsynthese werd voorkomen door de cellen te behandelen met cycloheximide (CX Wako Pure Chemical Industries) in een eindconcentratie van 10 μM (14). Chemische middelen werden 1 uur (nocodazol, BTS en CX) of 10 uur (CX) voor aanvang van de experimenten aan het medium toegevoegd en, in het geval van de FRAP-assays, gedurende de experimenten in het medium gehouden. Dimethylsulfoxide (DMSO) werd als dragercontroles aan het medium toegevoegd.

CDNA-constructen.

Myh3-cDNA van muis van volledige lengte werd gekloneerd door middel van een op polymerasekettingreactie gebaseerde methode, zoals eerder beschreven (39). In het kort, cDNA dat overeenkomt met muis Myh3 (45-5868 in NM_001099635) in de pcDNA3.1/N-FLAG-vector werd gesubkloneerd in een peGFP-vector (Clontech) of een gehumaniseerde monomere Kikume groen-rood 1-vector (KikGR1 Medical and Biological laboratoria). De cDNA's die overeenkomen met Mybpc1 van muis (228-3611 in NM_001252372) en Myom3 van muis (111-4430 in NM_001085509) werden gekloond uit cDNA van de eerste streng, dat was bereid uit mRNA van muismyotube op dag 8 van kweek, en vervolgens gesubkloneerd in een pmCherry-vector (Clontech). Polymerasekettingreactieprimers voor Mybpc1 en Myom3 waren als volgt: Mybpc1, 5′-tttgaattct ATGCCAGAACCCACTAAG-3′ en 5′-tttggtacc CTACGACTGTTGCTGCCCC-3′ en Myom3, 5′-tttgaattct ATGACTCTGCCCCACAGCCC-3′ en 5′-CCC . Alle gegenereerde fluorescerende eiwitten werden getagd op de NH2-terminus van de doeleiwitten, en alle constructen werden geverifieerd door sequencing met een 3730 DNA Analyzer (Applied Biosystems).

FRAP-assays en fotoconversie-experimenten.

Op 7 dagen na differentiatie werden skeletspiercellen die waren getransfecteerd met een expressievector die codeert voor een eGFP + Myh3-fusie-eiwit, onderworpen aan FRAP-analyse met een TCS-SP5 Confocal Laser Scanning Microscope (Leica). Dubbel getransfecteerde skeletspiercellen die de eGFP + Myh3-expressievector dragen en een vector die codeert voor ofwel een mCherry + Myom3- of mCherry + Mybpc1-fusie-eiwit werden ook gebruikt voor FRAP-assays. De interessegebieden werden gedurende 30 seconden gebleekt en de FRAP-gegevens werden met tussenpozen van 1 uur opgenomen met behulp van Leica Confocal Software. De relatieve fluorescentie-intensiteit werd berekend als de verhouding van de fluorescentie-intensiteit van het gebleekte gebied tot de fluorescentie-intensiteit van het ongebleekte gebied op elk tijdstip. Voor de berekeningen werd een curve-fitting methode gebruikt om de mobiele fractie (Mf) en de halfwaardetijd (t1/2) uit de FRAP-curve, zoals eerder gerapporteerd (55). Image-J1.46r (National Institutes of Health) werd gebruikt om de gegevens aan te passen aan de volgende vergelijking: FI = Mf [1 − e (1 − bt) ] + C, waarbij FI de relatieve fluorescentie-intensiteit van het gebleekte gebied op tijd is t, Mf is van het exponentiële proces met snelheidsconstante B, en C is de relatieve fluorescentie-intensiteit van het gebleekte gebied op het moment t0.

KikGR1 is groen fluorescerend eiwit dat onomkeerbaar kan worden omgezet in een rode kleur na bestraling met ultraviolet (UV) licht (53). KikGR1 + Myh3-fusie-eiwit werd gebruikt voor een groen-naar-rood fotoconversie-analyse met een TCS-SP5 confocale microscoop. De interessegebieden werden gefotoactiveerd na UV-bestraling en beelden werden opgenomen met intervallen van 1 uur. De relatieve intensiteit van de groene fluorescentie werd berekend als de verhouding van de intensiteit van de groene fluorescentie op elk tijdstip ten opzichte van die van de pre-fotoconversie van de groene fluorescentie-intensiteit. Om deze intensiteiten te corrigeren, werd de relatieve groene fluorescentie-intensiteit vóór fotoconversie gedefinieerd als 1, en de relatieve groene fluorescentie-intensiteit net na fotoconversie werd gedefinieerd als 0. De relatieve rode fluorescentie-intensiteit werd op dezelfde manier berekend als de verhouding van de rode fluorescentie-intensiteit bij elke tijdstip ten opzichte van dat van de rode fluorescentie-intensiteit onmiddellijk na fotoconversie. Om deze intensiteiten te corrigeren, werd de relatieve rode fluorescentie-intensiteit net na fotoconversie gedefinieerd als 1, en de relatieve rode fluorescentie-intensiteit net na fotoconversie in het niet-fotoconverteerde gebied werd gedefinieerd als 0. De Mf en t1/2 voor fotoconversie werden berekend zoals hierboven beschreven. Alle FRAP- en fotoconversie-analyses werden uitgevoerd met behulp van een incubator op het podium van een microscoop (Tokai Hit) om de temperatuur, vochtigheid en CO2 concentratie.

Immunofluorescentie kleuring.

Het kleuringsprotocol is in detail beschreven door Ojima et al. (40). De antilichamen die in de immunofluorescentie-assays werden gebruikt, waren als volgt: primair anti-sarcomerisch α-actinine-antilichaam van de muis (1:1.000 verdunningskloon EA53 Sigma), primair muis-anti-Myh-antilichaam (1:100 verdunningskloon F59 Developmental Studies Hybridoma Bank, University of Iowa) (33), primair muis-anti-Myom-antilichaam (1:50 verdunningskloon B4 Developmental Studies Hybridoma Bank, University of Iowa) (16), en Alexa-555-geconjugeerde secundaire antilichamen (Life Technologies). Monsters werden opgeslagen met montagemedia (Vector Laboratories) en vervolgens geanalyseerd met behulp van een LSM 700 confocale laserscanmicroscoop (Carl Zeiss), uitgerust met een Plan-Apochromat × 63 (numerieke opening 1.4) lens. Afbeeldingen werden gemanipuleerd met behulp van Zen 2012-beeldvormingssoftware (Carl Zeiss,).

Bereiding van cytosolische myosine.

De cytosolische fractie werd geïsoleerd zoals beschreven door Isaacs en Fulton (23), met kleine modificaties. In het kort werd de cytosolische fractie van gekweekte skeletspiercellen als volgt verzameld. Eerst, dag 6-7 gekweekte kippenspiercellen werden ondergedompeld in lysisbuffer [10 mM Tris·HCl (pH 7,5), 0,15 M CsCl, 1 mM EDTA-Cs en 0,5% (vol/vol) Triton X-100] die proteaseremmers (28 μM E64 , 1,5 uM aprotinine, 50 uM leupeptine, 40 uM bestatine, 0,7 uM calpastatin en 2 mM fenylmethaansulfonylfluoride) gedurende 30 minuten bij 4 ° C. Het lysaat werd gecentrifugeerd bij 1.500 G gedurende 10 minuten om celresten te verwijderen. De supernatantfractie werd verder gecentrifugeerd bij 100.000 G voor 1 u. De eiwitconcentratie van het gecentrifugeerde supernatant werd gekwantificeerd met een Bradford-eiwittestkit (Bio-Rad Laboratories). Monsters werden onderworpen aan natriumdodecylsulfaat-polyacrylamidegelelektroforese (SDS-PAGE) en vervolgens gekleurd met SyproRuby (Bio-Rad Laboratories). Gels werden gescand met behulp van een Ettan DIGE Imager (GE Healthcare UK).

Immunoblot-analyse.

Monsters werden onderworpen aan SDS-PAGE, zoals hierboven beschreven, gevolgd door immunoblotanalyse. Nadat de gels waren overgebracht naar Immobilon-P-overdrachtsmembranen (Millipore), werden de membranen geblokkeerd met 5% magere magere melk (Nacalai Tesque) en geïncubeerd met anti-myosine-antilichaam (1:1.000 verdunningskloon MF20 Developmental Studies Hybridoma Bank, University of Iowa ) (48), anti-GFP-antilichaam (1:2.000 verdunningskloon GF090R Nacalai Tesque), anti-GAPDH-antilichaam (1:2.000 verdunningskloon 3H12, Medical and Biological Laboratories) of anti-rode fluorescentie-eiwit-antilichaamcocktail (1:1.000 verdunning) mengsel van klonen 1G9 en 3B5 Medical and Biological Laboratories). Vervolgens werden de membranen geïncubeerd met peroxidase-geconjugeerde secundaire antilichamen (1:10 verdunning Nichirei), en de immunoreactieve banden werden zichtbaar gemaakt met behulp van het Pierce-versterkte chemiluminescentie-Plus Western Blotting-substraat (Thermo Fisher Scientific). Bandintensiteiten werden gemeten met Image-J1.46r (National Institutes of Health).


ISC Biology Question Paper 2011 Opgelost voor Klasse 12

Deel I
(Probeer alle vragen)

Vraag 1.
(a) Noem één significant verschil tussen elk van de volgende: [5]
(i) Groei en ontwikkeling
(ii) Spiertrekkingen en tetanus
(iii) Kernhout en Spinthout
(iv) Leghemoglobine en hemoglobine
(v) Collaterale vaatbundel en concentrische vaatbundel.

(b) Geef redenen voor het volgende: [5]
(i) Adrenaline wordt noodhormoon genoemd.
(ii) Ondanks de beschikbaarheid van voldoende water, verwelken bladeren van bepaalde planten overdag en herstellen ze zich 's avonds.
(iii) Hybride zaden moeten elk jaar worden gekweekt.
(iv) De vleugel van een vleermuis zou homoloog zijn aan de vleugel van een vogel en analoog aan de vleugel van een insect.
(v) Symptomen van een tekort aan bepaalde voedingsstoffen verschijnen het eerst in de oude bladeren.

(c) Geef wetenschappelijke termen voor elk van de volgende: [5]
(i) De ontwikkeling van meer dan één embryo in een zaadje.
(ii) Het proces van oud worden.
(iii) Methode voor het induceren van vroege bloei in planten door voorbehandeling van hun zaden bij lagere temperaturen.
(iv) Bepaling van de leeftijd van een boom door het aantal jaarringen te tellen.
(v) Het type groei waarbij het volume van het lichaam toeneemt zonder de toename van het aantal lichaamscellen.
(vi) Een aandoening waarbij de spieren verslechteren en de persoon invalide wordt.

(d) Noem de belangrijkste functie van elk van de volgende: [3]
(i) Fovea centralis
(ii) Lymfocyten
(iii) Bundel van His
(iv) Calyptra
(v) Bulliforme cellen
(vi) Rustcentrum

(e) Geef de bekendste bijdrage van de volgende wetenschappers: [2]
(i) Ernst Haeckel
(ii) Carl Landsteiner
(iii) Robert Kochu

(f) Vouw het volgende uit:
(i) Hensen [2]
(ii) G-6PD
(ii) DPD
(iii) MRI
(iv) SAN
Antwoord geven:
(een) (ik)

Groei Ontwikkeling
Groei is de onomkeerbare toename van het drooggewicht, de massa of het volume van een cel, orgaan of organisme. Ontwikkeling is de opeenvolging van gebeurtenissen die plaatsvinden in de levensgeschiedenis van een cel, orgaan of organisme, waaronder groei, differentiatie, rijping en veroudering.

spiertrekkingen Tetanus
Een spiertrekking is de enkele geïsoleerde samentrekking van de spierkracht door een enkele zenuwimpuls of door een enkele elektrische schok van voldoende kracht, gevolgd door onmiddellijke ontspanning. Tetanus is de voortdurende samentrekking van een spiervezel die wordt gestimuleerd door vele zenuwimpulsen of elektrische schokken. Contractie blijft bestaan ​​totdat de stimulatie doorgaat.

kernhout Spinthout
Kernhout (duramen) is het binnenste donkergekleurde, niet-functionele secundaire xyleem. Spinthout (alburnum) is het buitenste, lichtgekleurde, functionele secundaire xyleem in de meeste oude tweezaadlobbige bomen.

Leghemoglobine Hemoglobine
Leghemoglobine is het roze pigment dat aanwezig is in de cellen van wortelknollen van vlinderbloemigen en werkt als een zuurstofvanger om het stikstofbindende enzym stikstofase van de bacteriën te beschermen. Hemoglobine is het bloedpigment dat bedoeld is voor het transport van zuurstof en reguleert andere zaken als kooldioxide, stikstofmonoxide, etc.

Collaterale vaatbundel Concentrische vaatbundel
Collaterale vaatbundels zijn die samengevoegde bundels (bevatten zowel xyleem als floëem) waarin zowel floëem als xyleem op dezelfde straal liggen, met floëem aan de buitenkant en xyleem naar de binnenkant. Concentrische vaatbundels hebben het ene type vaatweefsel (xyleem of floëem) vormt een vaste kern terwijl het andere het volledig aan alle kanten omringt.

(B)
(i) Adrenaline wordt noodhormoon genoemd omdat het het dier voorbereidt op elke noodsituatie door vlucht- of vechtreacties, d.w.z. door weg te rennen (vlucht) naar veiligheid, of door een harde strijd aan te gaan met de vijand (vechtreactie). Het verhoogt de hartslag, bloeddruk, bloedsuikerspiegel, bloedtoevoer naar spieren en hersenen enz.

(ii) Bladeren van bepaalde planten verwelken gedurende de dag omdat de snelheid van transpiratie veel hoger is dan de snelheid van wateropname door de wortels. Net als 's avonds neemt de transpiratiesnelheid af, 's avonds herwinnen de planten hun turgescentie en herstellen ze.

(iii) De planten die uit de hybride zaden zijn opgekweekt, vertonen segregatie van kenmerken en behouden geen hybride karakter, waardoor het nodig is om elk jaar hybride zaden te produceren.

(iv) De vleugel van een vleermuis is homoloog aan de vleugel van de vogels omdat beide hetzelfde basisplan van organisatie hebben en gemodificeerde voorpoten zijn met verschillende vormen, aangepast aan verschillende habitats, terwijl het analoog is aan de vleugel van een insect. De basisstructuur van de vleugel van een insect is anders dan die van een vleermuis. Hun functie is echter vergelijkbaar. De deficiëntiesymptomen van bepaalde voedingsstoffen verschijnen het eerst in de oude bladeren omdat ze mobiel zijn en in grote detecteerbare hoeveelheden nodig zijn voor de synthese van organische moleculen. Polyembryonie

(C)
(i) Polyembryonie
(ii) Veroudering (veroudering)
(iii) Vernalisatie
(iv) Dendrochronologie
(v) Auxetische groei
(vi) Duchenne's spierdystrofie (t)MD)

(NS)
(i) Het heeft alleen kegelcellen en is de plaats van het meest onderscheidende zicht.
(ii) Een type witte bloedcellen, bedoeld voor het elimineren van het antigeen (microben en hun toxines) door antilichamen vrij te geven. Dit zijn B- en T-lymfocyten.
(iii) Het is een bundel hartspieren die de hartimpuls die van de Ay-knoop wordt ontvangen, snel doorgeeft aan alle delen van de ventrikels, waardoor ze samentrekken.
(iv) Calyptra is een kegelvormige structuur die de wortelpunten bedekt en zich ontwikkelt als gevolg van cclideling door het meristeem dat calyptrogen wordt genoemd in eenzaadlobbige wortels.
(v) Bulliform-cellen zijn grote dunwandige uitstekende epidermale cellen die aanwezig zijn op de bovenste epidermis van bladeren van veel grassen. Ze verliezen water en worden slap en helpen bij het oprollen van bladeren om het blootgestelde oppervlak te verminderen in geval van watertekort.
(vi) Rustcentrum is aanwezig in het centrum van wortel-apex en functioneert als reservemeristeem. Hier zijn er maar heel weinig divisies. Ze kunnen stress overleven en cellen voorzien van een regenererend meristeem en helpen bij het herstel van wortels na bestraling.

(e)
(1) Ernst Haeckel stelde een biogenetische wet voor die stelt dat ‘Ontogeny herhaalt fylogenie’.
(ii) Karl Landsteiner ontdekte ABO-bloedgroepen bij mensen.
(iii) Robert Koch (1843-1910) Duitse arts heeft veel bijgedragen op het gebied van microbiologie en infectieziekten. Hij was de eerste die de tuberculosebacterie ontdekte. Hij stelde de postulaten van Koch voor die stellen dat aan bepaalde vereisten moet worden voldaan als het ziekteverwekkende karakter van een organisme moet worden bewezen.
(iv) Hensen ontdekte de ziekte lepra en stelde de glijdende theorie van spiercontractie voor.

(F)
(i) Glucose-'8211 6-fosfaatdehydrogenase.
(ii) Diffusiedruktekort
(iii) Magnetische resonantiebeeldvorming
(iv) Sino-atriale knoop

Deel II
Sectie – A
(Probeer drie vragen)

Vraag 2.
(a) Wat zijn wachtcellen? Leg uit wat hun rol is bij het reguleren van transpiratie. [4]
(b) Leg de tunica corpus-theorie van de oorsprong van de shoot apex uit. [3]
(c) Geef één functie en één deficiëntiesymptoom van elk van de volgende planten: [3]
(i) Magnesium
(ii) Calcium
(iii) Molybdeen
Antwoord geven:
(a) De wachtcellen zijn twee kleine, gespecialiseerde groene epidermale cellen die huidmondjes omringen. Ze zijn niervormig in tweezaadlobbige planten en haltervormig in granen / eenzaadlobbige planten. De uitzetting en samentrekking van dunwandige zijkanten/uiteinden van bewakingscellen reguleren de openings- en sluitingsbewegingen.

Mechanisme van stomatale beweging: huidmondjes functioneren als turgor-bediende kleppen omdat hun openings- en sluitingsbeweging wordt bepaald door turgorveranderingen van de wachtcellen. Telkens wanneer de wachtcellen opzwellen als gevolg van verhoogde turgor, wordt er een porie tussen hen gecreëerd. Met het verlies van turgor worden de stomatale poriën gesloten. Huidmondjes zijn over het algemeen overdag open en sluiten 's nachts op enkele uitzonderingen na. De belangrijkste factoren die de sotmatale opening bepalen, zijn licht, hoge pH of verminderde CO2 en beschikbaarheid van water. De tegenovergestelde factoren bepalen de sluiting van huidmondjes, namelijk duisternis, lage pR of hoge CO2 en uitdroging.

(b) Volgens de tunica-corpustheorie van Schmidt (1924) bestaat de top van de scheut uit twee delen, een buitenste mantel zoals tunica en een binnenste celmassa die bekend staat als corpus (figuur). Cellen van tunica zijn klein. Ze ondergaan anticlinale delingen en nemen daarom deel aan oppervlaktegroei. Cellen afgeleid van tunica geven aanleiding tot epidermis van zowel stengel als bladeren. Als tunica meer dan één laag dik is, differentieert de buitenste laag in epidermis, terwijl de binnenste lagen bijdragen aan de vorming van bladinterieur en cortiaal weefsel.

Cellen van corpus zijn relatief groter. Ze verdelen zich in verschillende vlakken. Cellen afgeleid van corpus vormen procambium en gemalen meristeem. Procambium is traag om te differentiëren. Aanvankelijk zijn de cellen smal, langwerpig en dicht cytoplasmatisch. Ze komen voor in parallelle bestanden. Procambium geeft aanleiding tot primair floëem, primair xyleem en intrafasciculair cambium tussen de twee (in het geval van tweezaadlobbigen en gymnospermen). Grondmeristeem differentieert in merg in het midden en pericycle, endodermis, cortex en hypodermis respectievelijk naar de buitenzijde.

Element Functie Deficiëntie Symptoom
(i) Magnesium Chlorofylvorming Interveneuze chlorose met anthocyaninepigmentatie
(ii) Calcium Meristematische activiteit d.w.z., celdelingen verbonden met chromosoomvorming Groeiachterstand, degeneratie van meristeem
(iii) Molybdeen Stikstofmetabolisme Gevlekte chlorose met marginale necrose, de bovenste helft van de lamina valt naar beneden (whiptail-ziekte)

Vraag 3.
(a) Beschrijf de ontwikkeling van vrouwelijke gametofyt in angiospermen.
(b) Leg de massastroomhypothese van voedseltransport uit.
(c) Maak onderscheid tussen cyclische en niet-cyclische fotofosforylering
Antwoord geven:
(a) Eén hypodermale nucellaire cel van het micropylaire gebied differentieert als de sporogene cel. Het vormt een diploïde megaspore-moedercel of megasporocyt. De megaspore-moedercel ondergaat meiose (Megasporogenese) en vormt een rij van vier haploïde megasporen. Alleen de chalazal megaspore blijft functioneel terwijl de andere drie degenereren. De functionele megaspore wordt groter en geeft aanleiding tot vrouwelijke gametofyt, ook wel embryozak genoemd. Het ligt in het micropylaire gebied van de nucellus.

Micropylar uiteinde Chalazal uiteinde Functionele megaspore deelt zich in drie mitotische delen om 8-kernige of 7-cellige embryozak (= vrouwelijke gametofyt) te vormen. De ontwikkeling van vrouwelijke gametofyt uit megaspore wordt Megagametogenese genoemd. De ontwikkeling van embryozak in angiospermen is over het algemeen Monosporic i. e., embryozak ontwikkelt zich uit een eenkernige megaspore.

Embryozak is een ovale meercellige structuur. Het is bedekt met een dun membraan dat is afgeleid van de bovenliggende megaspore-wand. De typische of Polygonum-type embryozak (Fig.) bevat 8 kernen, maar 7 cellen - 3 micropylar, 3 chalazal en één centrale. De drie micropylaire cellen zijn gezamenlijk bekend als ei-apparaat. Ze zijn peervormig in omtrek en zijn driehoekig gerangschikt. Eén cel is groter en wordt ei of oosfeer genoemd. De overige twee cellen worden synergiden of helpcellen genoemd. Elk van hen draagt ​​een draadvormig apparaat in het micropylaire gebied. Het ei of de oosfeer vertegenwoordigt de enkele vrouwelijke gameet van de embryozak. De synergiden helpen bij het verkrijgen van voeding uit de buitenste kerncellen, begeleiden het pad van de pollenbuis door hun afscheiding en fungeren als schokdempers tijdens de penetratie van de pollenbuis in de embryozak.

De drie chalazalcellen van de embryozak worden antipodale cellen genoemd.

De centrale cel is de grootste cel van de embryozak. Het heeft een sterk gevacuoleerd cytoplasma en bevat twee polaire kernen met grote nucleoli. De polaire kernen versmelten vaak tot een enkele diploïde secundaire of fusiekern. Alle cellen van de embryozak zijn dus haploïde behalve de centrale cel die diploïde wordt door de fusie van twee polaire kernen.

(b) Massastroom- of drukstroomhypothese. Het werd naar voren gebracht door Munch (1927,1930). Volgens deze hypothese verplaatsen organische stoffen zich van het gebied van hoge osmotische druk naar het gebied van lage osmotische druk in een massastroom als gevolg van de ontwikkeling van een gradiënt van turgordruk. Dit kan worden aangetoond door twee onderling verbonden osmometers te nemen, één met een hoge concentratie opgeloste stoffen. De twee osmometers van het apparaat worden in water geplaatst (Fig.). Er komt meer water in de osmometer met een hoge concentratie opgeloste stoffen in vergelijking met de andere. Het zal daarom een ​​hoge turgordruk krijgen die de oplossing door een massastroom in de tweede osmometer dwingt. Als de opgeloste stoffen worden aangevuld in de donorosmometer en geïmmobiliseerd in de ontvangende osmometer, kan de massastroom voor onbepaalde tijd worden gehandhaafd.

Zeefbuissysteem is volledig aangepast aan de massastroom van opgeloste stoffen. Hier zijn de vacuolen volledig permeabel vanwege de afwezigheid van tonoplast. In de mesofylcellen (door fotosynthese) en bewaarcellen (door mobilisatie van reservevoedsel) is een continu hoge osmotische concentratie aanwezig. De daarin aanwezige organische stoffen worden (door middel van transfercellen) in de zeefbuizen geleid. In de zeefbuizen van de bron ontwikkelt zich dan ook een hoge osmotische concentratie. De zeefbuizen nemen water uit het omringende xyleem op en ontwikkelen een hoge turgordruk (fig.). Het veroorzaakt de stroom van organische oplossing naar het gebied met lage turgordruk. Een lage turgor wordt gehandhaafd in het zinkgebied door oplosbare organische stoffen om te zetten in onoplosbare vorm. Water gaat terug in xyleem.

(c) Verschillen tussen cyclische en niet-cyclische fotofosforylering

  1. Het wordt onafhankelijk uitgevoerd door fotosysteem I.
  2. Een externe elektronenbron is niet vereist.
  3. Het is niet verbonden met fotolyse van water. Daarom wordt er geen zuurstof ontwikkeld.
  4. Het synthetiseert alleen ATP.
  5. Het systeem neemt niet deel aan fotosynthese, behalve bij bepaalde bacteriën.
  6. Het komt meestal voor in stromale of intergranale thylakoïden.
  7. ATP-synthese wordt niet beïnvloed door DCMU.
  8. Het is alleen nuttig bij fotosynthese bij sommige bacteriën.
  1. Het wordt uitgevoerd door de samenwerking van zowel fotosystemen II als I.
  2. Het proces vereist een externe elektronendonor.
  3. Het is verbonden met fotolyse van water en het vrijkomen van zuurstof.
  4. Niet-cyclische fotofosforylering is niet alleen verbonden met ATP-synthese, maar ook met de productie van NADPH.
  5. Het systeem is verbonden met C02-fixatie.
  6. Het komt voor in de granale thylakoïden.
  7. DCMU remt niet-cyclische fotofosforylering.
  8. Het neemt deel aan de fotosynthese in alle planten, inclusief blauwgroene algen.

Vraag 4.
(a) Leg in detail uit hoe koolhydraten worden verteerd, terwijl het voedsel door het spijsverteringskanaal gaat. [4]
(b) Beschrijf stap voor stap wat er gebeurt in de verschillende fasen van de hartcyclus bij mensen. [3]
(c) Schrijf de effecten van cytokinines op planten op. [3]
Antwoord geven:
(a) Vertering van koolhydraten:
Koolhydraten zijn van drie soorten: polysachariden, disachariden en monosachariden. Polysachariden en disachariden worden tijdens het verteringsproces afgebroken tot monosachariden. Zetmeel en cellulose zijn polysachariden die aanwezig zijn in granen, aardappelen, knollen en fruit. Sucrose (in rietsuiker), maltose (in kiemende granen) en lactose (in melk) zijn disachariden. Enzymen die inwerken op koolhydraten worden carbohydrasen genoemd.

1. Vertering van koolhydraten in de mondholte Actie van speeksel. In de mondholte wordt het voedsel vermengd met speeksel. Het speeksel bevat een enzym dat speekselamylase wordt genoemd (ook wel ptyaline genoemd) dat zetmeel omzet in maltose, isomaltose en kleine dextrines die 'limit' dextrines worden genoemd.

Het maagsap in de maag bevat geen koolhydraatverterend enzym.

2. Vertering van koolhydraten in de dunne darm

  • Actie van pancreassap. Het pancreassap bevat een zetmeelverterend enzym, pancreasamylase genaamd, dat zetmeel omzet in maltose, isomaltose en 'limit' dextrines.
  • Actie van darmsap. Darmsap bevat maltase, isomaltase, sucrase, lactase en ‘Limit’ dextrinase die als volgt werken:

Vertering van Cellulose. De cellulose wordt niet door de mens verteerd, maar wordt wel verteerd door de micro-organismen (bacteriën en protozoën) in het spijsverteringskanaal van herbivore zoogdieren. Deze micro-organismen fermenteren cellulose tot vetzuren met een korte keten, zoals azijnzuur en propionzuur. Deze zuren worden vervolgens opgenomen en gebruikt door het dier. Cellulose vormt ruwvoer en helpt bij het verteringsproces bij de mens.

(b) Hartcyclus
De hartcyclus bestaat uit één hartslag of één cyclus van samentrekking en ontspanning van de hartspier. Tijdens een hartslag is er contractie en relaxatie van atria en ventrikels. De contractiefase wordt de systole genoemd, terwijl de relaxatiefase de diastole wordt genoemd. Wanneer zowel de atria als de ventrikels zich in de diastolische of ontspannen fase bevinden, wordt dit een gewrichtsdiastole genoemd. Tijdens deze fase stroomt het bloed van de superieure en inferieure venae cavae in de boezems en van de boezems naar de respectievelijke ventrikels via auriculo-ventriculaire kleppen. Maar er is geen bloedstroom van de ventrikels naar de aorta en de longstam omdat de halvemaanvormige kleppen gesloten blijven.

De opeenvolgende stadia van de hartcyclus worden hieronder kort beschreven.

  1. Atriale systole. Het atria-contract als gevolg van een samentrekkingsgolf gestimuleerd door de SA-knoop. Het bloed wordt in de ventrikels geperst als de bicuspide en tricuspidalisklep open zijn.
  2. Begin van ventriculaire systole. De samentrekking van de ventrikels wordt gestimuleerd door de AV-knoop. De bicuspide en tricuspidalisklep sluiten onmiddellijk en produceren een deel van de eerste harttoon.
  3. Periode van stijgende druk. De druk in de ventrikels stijgt. De halvemaanvormige kleppen blijven gesloten. Het bloed stroomt niet in of uit de kamers.
  4. Volledige ventriculaire systole. Wanneer de ventrikels hun samentrekking voltooien, stroomt het bloed in de longstam en de aorta terwijl de halvemaanvormige kleppen opengaan.
  5. Begin van ventriculaire diastole. De ventrikels ontspannen en de halvemaanvormige kleppen zijn gesloten. Dit veroorzaakt de tweede harttoon.
  6. Periode van dalende druk. De druk in de ventrikels blijft afnemen. De bicuspide en tricuspidalisklep blijven nog steeds gesloten. Bloed stroomt vanuit de aderen naar de ontspannen boezems.
  7. Volledige ventriculaire diastole. De tricuspidalis- en bicuspidalisklep gaan open wanneer de druk in de ventrikels daalt en het bloed van de atria naar de ventrikels stroomt. Contractie van het hart veroorzaakt deze bloedstroom niet. Het is te wijten aan het feit dat de druk in de ontspannen ventrikels lager is dan die in de boezems en aders.
  1. Celverdeling. Cytokininen zijn essentieel voor cytokinese, hoewel chromosoomverdubbeling kan optreden als ze afwezig zijn. In aanwezigheid van auxine zorgen cytokininen zelfs in permanente cellen voor deling. Celdeling in callus (ongeorganiseerde, ongedifferentieerde onregelmatige massa van delende cellen in weefselkweek) blijkt beide hormonen nodig te hebben.
  2. Cel verlenging. Net als auxine en gibberellines veroorzaken cytokinines ook celverlenging.
  3. Morfogenese. Zowel auxine als cytokinines zijn essentieel voor morfogenese of differentiatie van weefsels en organen. Knoppen ontwikkelen zich wanneer cytokinines in overmaat zijn, terwijl wortels worden gevormd wanneer hun verhoudingen worden omgekeerd (Skoog en Miller, 1957).
  4. Differentiatie. Cytokinines induceren plastidendifferentiatie, lignificatie en differentiatie van interfasciculair cambium.
  5. Senescentie (Richmond-Lang-effect). Cytokininen vertragen de veroudering van bladeren en andere organen.
  6. Apicale dominantie. Aanwezigheid van cytokinine in een gebied veroorzaakt preferentiële verplaatsing van nutriënten ernaartoe. Wanneer toegepast op zijknoppen, helpen ze bij hun groei ondanks de aanwezigheid van apicale knop. Ze werken dus antagonistisch tegen auxine, wat apicale dominantie bevordert.
  7. Zaadrust. Net als gibberellines overwinnen ze de kiemrust van verschillende soorten, waaronder de behoefte aan rood licht van sla- en tabakszaden.
  8. Weerstand. Cytokinines verhogen de weerstand tegen hoge of lage temperaturen en ziekten.
  9. Floëem vervoer. Ze helpen bij het transport van floëem.
  10. Ophoping van zouten. Cytokininen induceren ophoping van zouten in de cellen.
  11. Bloeiend. Cytokinines kunnen in bepaalde gevallen de fotoperiodieke behoefte aan bloei vervangen.
  12. Seksuele expressie. Net als auxines en ethyleen bevorderen cytokinines de vrouwelijkheid in bloemen.
  13. Parthenocarpie. Crane (1965) heeft inductie van parthenocarpie door cytokinine gerapporteerd.

Vraag 5.
(a) Schrijf over de chemische veranderingen die optreden tijdens samentrekking van skeletspieren. [4]
(b) Teken een netjes gelabeld diagram van de L.S. van een nier. [4]
(c) Wat is chlorideverschuiving? , [2]
Antwoord geven:
(a) Mechanisme van spiercontractie: de samentrekking van skeletspieren omvat ultrastructurele en biochemische gebeurtenissen.

1. Ultrastructurele/fysieke gebeurtenissen (biofysica van spiercontractie).
Myosine en actine zijn een speciaal type eiwitten. Myosine vormt de dikke filamenten en het actine vormt de dunne filamenten van de myofibrillen van de spiervezels. De myosine en actine helpen bij het samentrekken of verkorten van spieren door de vorming van kruisbruggen. De kruisbruggen zijn de delen van de myosinefilamenten die worden overlapt door actinefilamenten.

H.E. Huxley en A.F. Huxley stelden in 1954 een theorie voor om het proces van spiercontractie te verklaren. Deze theorie staat bekend als de glijdende filamenttheorie, die nu algemeen wordt aanvaard. Deze theorie stelt dat de actine (dunne) filamenten over de myosine (dikke) filamenten glijden om dieper door te dringen in de A-banden in de samentrekkende spiervezel. De dunne filamenten ontmoeten elkaar in het midden van het sarcomeer. Als zodanig blijft de breedte van de A-band constant. De I-banden worden echter korter en verdwijnen uiteindelijk. Dit verkort het sarcomeer.

Omdat alle sarcomeren van de myofibril tegelijkertijd korter worden, wordt de spiervezel korter. Tijdens relaxatie glijden de actiefilamenten uit de A-band, waardoor het sarcomeer langer wordt en deze kruisbruggen verdwijnen. Dit duidt op de aanwezigheid van actieve plaatsen op de actinefilamenten waarin de kruisbruggen tijdelijk vasthaken om de filamenten over een korte afstand te trekken en ze vervolgens los te laten.Het betekent dat contractie en ontspanning van spieren worden veroorzaakt door respectievelijk de herhaalde vorming en breuk van kruisbruggen.

De eiwitten, troponine en tropomyosine, die nauw verbonden zijn met actine, zijn ook belangrijk bij het reguleren van de aanhechting van actine aan de kruisbruggen.

2. Biochemische gebeurtenissen (biochemie van spiercontractie). Albert Szent Gyorgyi en anderen werkten de biochemische gebeurtenissen uit die verband houden met de spiercontractie. Deze biochemische gebeurtenissen worden hieronder samengevat.

  1. De zenuwimpuls stimuleert een spiervezel bij de neuromusculaire junctie of motorische eindplaat, waardoor acetylcholine wordt geproduceerd.
  2. Acetylcholine zorgt voor de afgifte van calciumionen uit het sarcoplasmatisch reticulum van de spier in het inwendige van spiervezels die worden gebonden met specifieke plaatsen op troponine van hun filament.
  3. Myosine bindt nu met actine om actomyosine te vormen in aanwezigheid van ATP en calciumionen.
  4. Energie voor spiercontractie wordt geleverd door hydrolyse van ATP door myosine ATP-ase-enzym. Deze hydrolyse produceert ADP, anorganisch fosfaat en energie (gebruikt bij spiercontractie). Fosfocreatine doneert zijn hoge energie en fosfaat aan ADP, waardoor ATP wordt geproduceerd.

Fosfocreatine dient gedurende enkele seconden als energiebron zodat metabolische processen in de spiercellen grotere hoeveelheden ATP gaan produceren. Fosfocreatine wordt opnieuw gevormd in ontspannende spieren door gebruik te maken van ATP geproduceerd door koolhydraatoxidatie.

5. Aan het einde van spiercontractie vindt de omzetting van ADP in ATP plaats. De spier is rijk aan glycogeen dat door een reeks reacties (glycolyse) wordt afgebroken tot melkzuur en energie vrijmaakt. Een deel van deze energie wordt gebruikt voor de reformatie van fosfocreatine en ook voor de omzetting van 4/5e van melkzuur terug in glycogeen. De 1/5e van melkzuur wordt geoxideerd tot water en kooldioxide. Deze reacties die plaatsvinden in de spieren en de lever, worden voorgesteld door Cori en Cori, vandaar bekend als de cyclus van Cori.

(c) Een kleine hoeveelheid bicarbonaationen wordt getransporteerd in de erytrocyten (RBC's), terwijl de meeste van hen in het bloedplasma diffunderen om erdoor te worden vervoerd.

Uitgang van bicarbonaationen, uit RBC's, verandert de ionische balans tussen het plasma en de erytrocyten aanzienlijk. Om deze ionische balans te herstellen, diffunderen de chloride-ionen vanuit het plasma naar de erytrocyten. Deze beweging van chloride-ionen wordt chlorideverschuiving ( = Hamburgerfenomeen) genoemd. Dit proces handhaaft een zuur-base-evenwicht van pH 7,4 voor de bloed- en elektrische balans tussen erytrocyten en plasma.

Vraag 6.
(a) Leg uit hoe het menselijk oor helpt bij het horen. [4]
(b) Beschrijf kort de gebeurtenissen die optreden tijdens de proliferatieve fase van de menstruatiecyclus. [3]
(c) Noem de plaats van secretie en functie van het volgende: [3]
(i) Glucocorticoïden
(ii) Calcitonine
(iii) Glucagon
Antwoord geven:
(a) Gehoormechanisme: de oorschelp verzamelt en stuurt de geluidsgolven die door de lucht naar de uitwendige gehoorgang gaan. Ze creëren trillingen in het trommelvlies (trommelvlies). Deze trillingen worden via de keten van gehoorbeentjes doorgegeven aan de perilymfe, d.w.z. de hamer brengt de boodschap over naar het aangrenzende aambeeld. Het aambeeld geeft op zijn beurt de trillingen door aan de stijgbeugel. Stapesbeen dat past in een vliezige opening, het ovale venster, op de binnenwand van het middenoor. In dit proces ondergaat de trillingskracht dus een aanzienlijke versterking, aangezien de keten van gehoorbeentjes als een hefboom werkt en het gebied van het trommelvlies veel groter is dan dat van de voetplaat van de stijgbeugel, waardoor de kracht per oppervlakte-eenheid toeneemt.

De beweging van de stijgbeugel naar de vestibuli veroorzaakt een drukgolf in de perilymfe. Deze golf gaat van de vestibule naar de schaal-vestibuli en reist er doorheen naar de top van het slakkenhuis. Op dit punt is scala vestibuli continu met scala tympani. De drukgolf gaat over in scala tympani en doorkruist opnieuw de hele lengte van het slakkenhuis. Op deze manier worden trillingen ingesteld in de perilymfe en daardoor in het basilair membraan. Het basilair membraan beweegt op en neer en vervormt de haarcellen van het orgaan van de corti. Deze verstoringen genereren zenuwimpulsen die door de gehoorzenuw naar het juiste deel van de hersenen gaan waar het gehoorgevoel wordt gevoeld (herkend).

Fig- Schematische weergave van de geleiding van geluidstrillingen in het oor.

(b) Proliferatieve fase: na de menstruatie begint de proliferatieve fase met de groei en proliferatie van weefsels op de wand van de baarmoeder, eileiders en vagina.
1. Veranderingen in de baarmoeder: Bij het begin van de proliferatieve fase is het endometrium (het slijmvlies van de baarmoeder) het dunst (ongeveer 0,5-1 mm dik) omdat alle oppervlakkige lagen loskomen tijdens de menstruatiebloeding. Naarmate de proliferatieve fase vordert, groeien endometriumklieren in lengte, epitheelcellen van het endometrium prolifereren, groei van het endometriumstroma vindt plaats en de bloedvaten groeien. Vlak voor de eisprong wordt het endometrium ongeveer 3-5 mm dik. De samentrekkingen van het myometrium worden krachtiger en de afscheiding van de klieren van de baarmoederhals wordt erg dun op het moment van de eisprong om de toegang van spermatozoa te vergemakkelijken. De veranderingen in de baarmoeder zijn te wijten aan de stijgende concentratie van oestrogeen.

2. Veranderingen in de eierstok: de eierstokcyclus verloopt zij aan zij. Tijdens de proliferatieve fase rijpt een onvolgroeide follikel tot een Graafse follikel. Omdat de proliferatieve fase gepaard gaat met een groeiende follikel in de eierstok, wordt deze fase ook folliculaire fase genoemd. De proliferatieve fase duurt 10 tot 12 dagen en aan het einde wordt de eicel uitgestoten (ovulatie) uit de Graafse follikel van de eierstok.

Hormoon Site van afscheiding Functie
(i) Glucocorticoïden Bijnierschors Synthese van koolhydraten uit niet-koolhydraten, bijvoorbeeld cortisol, afbraak van eiwitten en vetten.
(ii) Calcitonine bC-cellen in de schildklier Regel het calcium- en fosfaatgehalte in het lichaam.
(iii) Glucagon A-cellen in eilandjes van Langerhans in pancreas Zet opgeslagen glycogeen om in glucose om het bloedniveau op peil te houden.

Sectie – B
(Beantwoord twee eventuele vragen)

Vraag 7.
(a) Verklaar de evolutie van de lange nek van giraffen volgens Darwin en Lamarck. [4]
(b) Leg kort uit: [4]
(i) Omgevingsweerstand
(ii) Albinisme
(iii) Introductie van planten
(iv) Paleontologie

(c) Schrijf twee toepassingen van elk van de volgende: [2]
(i) Emblica officinalis
(ii) Adhatoda vesica
Antwoord geven:
(a) Lamarck legde uit dat de voorouders van giraffen een kleine nek en voorpoten droegen en op paarden leken. Maar omdat ze op plaatsen woonden zonder oppervlaktevegetatie, moesten ze hun nek en voorpoten strekken om de bladeren van hoge planten voor voedsel te nemen, wat resulteerde in de lichte verlenging van deze delen. Wat ze in de ene generatie verwierven, werd doorgegeven aan de volgende generatie, met als resultaat dat er een ras van dieren met lange hals en lange voorpoten werd ontwikkeld. De lange nek van een giraf, zoals die tegenwoordig wordt aangetroffen, kan op basis van het darwinisme als volgt worden verklaard:

De giraffen hadden oorspronkelijk een gemengde populatie met korte en lange nekken. Toen de bladeren op de lagere takken van bomen schaars werden, werden de giraffen gedwongen om de bladeren op hogere takken van bomen te bereiken. De dieren met een relatief langere nek waren zeker fitter omdat ze de bladeren op hogere takken konden bereiken en daardoor betere overlevingskansen hadden. Degenen met een relatief kortere nek konden de hogere bladeren niet bereiken en sterven daarom uit. Dus dieren met een langere nek werden door de natuur geselecteerd. Ze voedden zich comfortabel en brachten meer nakomelingen voort. Zo zijn in de loop van de tijd en generatie na generatie de huidige langhalsgiraffen ontstaan ​​door natuurlijke selectie.

(b) (i) Omgevingsresistentie: de som van remmende omgevingsfactoren, zowel biotisch als abiotisch zoals droogte, hoge temperatuur, tekort aan voedsel, onderdak, predatie, pathogenen, ziekten enz. die de populatiegrootte reguleren en geen onbeperkte bevolkingsgroei wordt omgevingsweerstand genoemd. Vanwege de resistentie van de omgeving kunnen de populaties niet het volledige biotische potentieel bereiken.

(ii) Albinisme. De personen die lijden aan albinisme worden albino genoemd. Ze missen melaninepigment in hun huid, haar, iris van het oog enz. Dergelijke personen zijn vatbaar voor felle zonnestralen en ontwikkelen oogaandoeningen en huidziekten. Albinisme is het gevolg van overerving van autosomale genmutatie. Daarom mist het individu het enzym tyrosinase dat essentieel is voor de synthese van melanine. Het gen voor albinisme is een recessief gen (a) dat alleen tot expressie kan worden gebracht in homozygote (aa) toestand. Een persoon met zijn dominante allel (A) zal normaal zijn. Het is bekend dat de aandoening zoogdieren, vissen, vogels, reptielen en amfibieën treft. Albinisme is een genetische aandoening, terwijl de meest voorkomende term voor een door albinisme aangetast organisme 'albino' is. De meeste organismen met albinisme zien er wit of erg bleek uit.

(iii) Plantintroductie: Plantintroductie betekent het introduceren van een plant met gewenste eigenschappen (bijv. krachtige groei, hoge opbrengst, ziekteresistentie, enz.) Van een regio of een land waar het van nature groeit naar een regio of land waar het niet eerder voorkwam .

De aanpassing van een individu aan een veranderde omgeving, of de aanpassing van een soort of een populatie aan een veranderde omgeving over een aantal generaties wordt acclimatisatie (of acclimatisatie) genoemd.

De introductie van planten heeft overal een belangrijke rol gespeeld in de ontwikkeling van de landbouw. de wereld. Enkele van de belangrijkste commerciële gewassen die tegenwoordig op grote schaal in India worden verbouwd, zijn introducties uit andere landen. Zo werd Gossypium hirsutum, Cinchona voor het eerst geïntroduceerd in de Nilgris uit Peru in 1860. Aardappel (Solanum tuberosum), chili (Capsicum annuum), tabak (Nicotiana tobaccum), guave (Psidium guajava), custardappel (Annona squamosa), cashewnoot (Anacardium occidentale) en Papaya (‘Carica papaya) zijn enkele van de andere voorbeelden van gewassen die met succes in India zijn geïntroduceerd.

Plantintroductie kan op drie verschillende manieren nuttig zijn:
(a) het geïntroduceerde materiaal kan direct worden gebruikt door het te vergroten.
(b) gewenste stammen kunnen worden gekozen uit het geïntroduceerde materiaal.
(c) het geïntroduceerde materiaal kan worden gebruikt als ouder voor hybridisatie met aangepaste lokale variëteiten.
(iv) Paleontologie: het is de studie van het vorige leven op basis van fossielen. De fossielen zijn versteende (in steen versteende) overblijfselen of indrukken van oude organismen die op natuurlijke wijze in de afzettingsgesteenten of andere media zoals barnsteen, asfalt, vulkanische as, ijs, veenmoerassen, zand en modder zijn bewaard. Paleontologie levert het meest directe en betrouwbare bewijs voor evolutie, omdat het zich bezighoudt met de werkelijke organismen die in het verleden leefden.

(C)
(i) Emblica officinalis (Euphorbiaceae): Vruchten rijk aan vitamine C, gewoonlijk gebeitst en gebruikt als medicijn.
(ii) Adhatoda vesica (Acanthaceae) Gebruikt als slijmoplossend middel bij hoest, astma.

Vraag 8.
(a) Geef vier toepassingen van weefselkweek bij gewasverbetering. [4]
(b) Wat versta je onder de term bevolkingsgroei? Geef drie manieren om de bevolkingsgroei te ontmoedigen. [4]
(c) Definieer: [2]
(i) Coacervaten
(ii) Genenbank
Antwoord geven:
(a) Toepassingen van weefselkweek (micropropagatie):

  • Het helpt bij een snelle vermenigvuldiging van planten.
  • Een groot aantal plantjes wordt in korte tijd en uit een kleine ruimte verkregen.
  • Planten worden het hele jaar door verkregen onder gecontroleerde omstandigheden, onafhankelijk van de seizoenen.
  • Steriele planten of planten die hun karakter niet kunnen behouden door seksuele reproductie, worden door deze methode vermenigvuldigd.
  • Het is een gemakkelijke, veilige en economische methode voor plantenvermeerdering.
  • Bij sierteelt geven weefselkweekplanten een betere groei, meer bloemen en minder uitval.
  • Genetisch vergelijkbare planten (soma-klonen) worden door deze methode gevormd. Daarom worden gewenste karakters (genotype) en gewenst geslacht van superieure variëteit gedurende vele generaties constant gehouden.
  • De zeldzame planten en bedreigde soorten worden door deze methode vermenigvuldigd en dergelijke planten worden behouden.

(b) Bevolkingsgroei verwijst naar de toename van het totale aantal organismen dat een bepaald gebied bezet.

De verschillende methoden om bevolkingsgroei te ontmoedigen zijn:
(a) Onderwijs: mensen, met name degenen in de reproductieve leeftijdsgroep, moeten worden voorgelicht over het voordeel van een klein gezin en de daaruit voortvloeiende voordelen voor de natie. Mensen moeten worden voorgelicht over de gevolgen van overbevolking door de overheidsinstanties. Massamedia zoals radio, televisie, kranten, tijdschriften, posters en onderwijsinstellingen kunnen een belangrijke rol spelen in deze campagne. Het zal zeker helpen om de bevolkingsgroei tegen te gaan.

(b) Huwelijksleeftijd: het verhogen van de huwelijksleeftijd zal de reproductieve spanwijdte verminderen en kan helpen bij het verminderen van de bevolkingsgroei. Momenteel is de huwbare leeftijd 18 jaar voor vrouwen en 21 jaar voor mannen. Sociale verandering en het toenemende streven naar onderwijs en carrière bij vrouwen, moedigen hen aan om het huwelijk uit te stellen en de voortplanting uit te stellen.

(c) Gezinsplanning: de gezinsplanning omvat veel anticonceptiemaatregelen. De volgende methoden voor gezinsplanning moeten worden toegepast:

  • Gebruik van orale anticonceptiepillen door vrouwen.
  • Gebruik van vaginale diafragma's.
  • Gebruik van intra-uteriene anticonceptiemiddelen (IUCD) zoals koper-T en lus.
  • Chirurgische anticonceptietechnieken zoals tubectomie bij vrouwen en vasectomie bij mannen.
  • Medische zwangerschapsafbreking.
  • Natuurlijke gezinsplanning door alleen geslachtsgemeenschap te hebben tijdens een veilige periode of het terugtrekken van de penis vóór de ejaculatie.

(c) (i) Een coacervaat was een cluster van de membraangebonden macromoleculen van prebiotische soep in de oceaan. De macromoleculen aggregeerden en vormden kleine colloïdale massa's in de vorm van onoplosbare druppeltjes die uiteindelijk neersloegen en een groter en dichter colloïdaal systeem vormden, de coacervaten genaamd. De coacervaten hadden verschillende macromoleculen in verschillende combinaties en in specifieke verhoudingen. Coacervaten worden beschouwd als de eerste levende moleculen die tot leven hebben geleid. Oparin heeft de coacervaten beschouwd als de enige levende moleculen die het leven op aarde hebben doen ontstaan.

(ii) Genenbanken: dit zijn de instituten die voorraden van levensvatbare zaden (zaadbanken), levend groeiende planten (boomgaarden), weefselkweek en bevroren kiemplasma met het hele scala van genetische variabiliteit bijhouden.

Vraag 9.
(a) Leg de rol van de Rh-factor bij bloedincompatibiliteit uit. [4]
(b) Noem de belangrijkste morfologische veranderingen die zich hebben voorgedaan in de voorouders van de moderne mens. [3]
(c) Beschrijf kort de functies van de volgende: [3]
(i) CT-scan
(ii) Externe prothese
(iii) Pacemaker
Antwoord geven:
(a) Rh-bloedgroepincompatibiliteit: Rh-factor is een antigeen dat wordt aangetroffen op het oppervlak van rode bloedcellen. Het werd voor het eerst ontdekt op de RBC's van Rhesus-aap, daarom wordt het genoemd als Rh-factor. Normaal gesproken is er geen antilichaam voor dit antigeen. Ongeveer 85 tot 99 procent van de bevolking bezit dit antigeen. De personen met dit antigeen worden Rh +ve genoemd en degenen zonder het zijn Rh -ve. Rh-factor wordt uitgedrukt door een dominant gen R, dus Rh+ve-personen bezitten ofwel RR- of Rr-genotype, terwijl Rh-ve-personen rr bezitten.

Fig. Rh Factoc-incompatibiliteit. Rh-positieve foetus bij Rh-negatieve moeder. A. Eerste zwangerschap. B. Moederlichaam na eerste zwangerschap. Meer productie van AntiRh-factoren. C. Tweede zwangerschap. RBC's van de foetus worden vernietigd door Anti Rh-factoren van de moeder.

Als tijdens de vererving beide ouders Rh-ve zijn, zullen hun nakomelingen ook Rh-ve zijn. Een Rhvve-moeder met een Rh+ve echtgenoot kan een Rh+ve kind dragen. In dit geval kan de door het bloed van het kind geproduceerde Rh-factor in de stroom van de moeder terechtkomen (op het moment van de bevalling) en de productie van antistoffen tegen Rh in haar bloed veroorzaken, maar dit heeft geen nadelige gevolgen. Als dezelfde moeder voor de tweede keer opnieuw een Rh + ve-kind verwekt, kan het resultaat desastreus zijn. Het is omdat het Rh+ve-bloed van de foetus reageert met anti-Rh-antilichamen die al in haar bloed aanwezig zijn, wat uiteindelijk resulteert in een aandoening die erythroblastosis foetalis wordt genoemd.

Bij bloedtransfusie kan Rh-ve-bloed veilig worden toegediend aan een Rh+ve-persoon. Wanneer Rh+ve-bloed wordt getransfundeerd in een Rh-ve-persoon, ontwikkelt de ontvanger anti-Rh-antilichamen in zijn bloed. Meestal treden er na één transfusie geen complicaties op, maar als er meer Rh+ve-bloed wordt getransfundeerd, zullen de gevormde antistoffen de rode bloedcellen van het Rh+ve-bloed vernietigen. Om dit te voorkomen, wordt vóór dergelijke bloedtransfusies de Rh-factor bepaald.

(b) De volgende belangrijkste morfologische veranderingen vonden plaats in de voorouders van de moderne mens.

  • Vernauwing en verhoging van de neus.
  • Vorming van de kin.
  • Vermindering van wenkbrauwrimpels.
  • Afvlakking van het gezicht.
  • Vermindering van lichaamshaar.
  • Ontwikkeling van krommingen in de wervelkolom voor een rechtopstaande houding.
  • Vorming van darmachtige bekkengordel met brede ilia (pi. van ilium) ter ondersteuning van ingewanden.
  • Verhoging in hoogte.
  • Het bereiken van een rechtopstaande houding en tweevoetige voortbeweging.
  • Vergroting en afronding van de schedel.
  • Toename van hersengrootte en intelligentie.
  • Verbreding van het voorhoofd en met verticale elevatie.

(C)
(i) Computed Scanning (ook wel computertomografie '8211 (CT) genoemd): de techniek is uitgevonden door Sir Godfrey Hounsfield, die in 1979 de Nobelprijs kreeg voor deze belangrijke prestatie. De afgelopen jaren hebben vorderingen in de CT-technologie geleid tot tot snelle scantijden en verbeterde beeldkwaliteit.Als gevolg hiervan is de reikwijdte van CT enorm verbreed, zodat het nu op bijna elke anatomische plaats wordt toegepast.

Bij CT-scanning wordt een computer gebruikt voor het reconstrueren van het beeld dat met röntgenstralen is gemaakt, in plaats van dat het rechtstreeks op de fotografische film wordt vastgelegd. De CT-scantechniek wordt gebruikt voor de diagnose van de ziekten van hersenen, ruggenmerg, borstkas, buik en ook voor de detectie van goedaardige en kwaadaardige tumoren. Het helpt dus om de haalbaarheid van een operatiebehandeling te bepalen en ook om de resultaten van de behandeling te beoordelen.

(ii) Prothese: Prothese is de implantatie van een kunstmatige vervanging voor elk lichaamsdeel in het lichaam. Het stelt de lichamelijk gehandicapte in staat een comfortabel en productief leven te leiden.

Interne prothese-apparaten omvatten intraoculaire lens, kunstgebitten. Prothese-apparaten omvatten ook neusimplantaten voor cosmetische herschikking, elektronische hoortoestellen in het oor, kunstmatige arm of been.

(iii) Pacemaker: het is een elektronisch hartondersteunend apparaat dat ritmische elektrische impulsen produceert die de regulatie van de hartslag overnemen bij patiënten met bepaalde soorten hartaandoeningen.

Wanneer het elektrische geleidingssysteem wordt onderbroken, zoals het geval is bij een aantal ziekten, waaronder congestief hartfalen, en als gevolg van een hartoperatie, wordt de aandoening hartblok genoemd. Een kunstmatige pacemaker kan tijdelijk worden gebruikt totdat de normale geleiding terugkeert of permanent om de blokkade te overwinnen.

De eerste pacemakers waren van het type dat asynchroon of vast werd genoemd en ze genereerden regelmatige ontladingen die de natuurlijke pacemaker teniet deden. De frequentie van asynchrone pacemakers kan in de fabriek worden ingesteld of door de arts worden gewijzigd, maar als ze eenmaal zijn ingesteld, blijven ze met regelmatige tussenpozen een elektrische puls genereren. De meeste zijn ingesteld op 70 tot 75 slagen per minuut. .

Recentere apparaten zijn synchroon of vereisen pacemakers die hartcontracties alleen veroorzaken wanneer de normale hartslag wordt onderbroken. De meeste pacemakers van dit type zijn ontworpen om een ​​puls te genereren wanneer de natuurlijke hartslag onder 68 tot 72 slagen per minuut daalt. Deze instrumenten hebben een detectie-elektrode die de atriale impuls detecteert.

Vraag 10.
(a) Leg de rol van een erfelijkheidsadviseur uit. [4]
(b) Schrijf de veroorzaker en de belangrijkste symptomen van de volgende ziekten: [4]
(i) Poliomyelitis
(ii) Tyfus
(iii) Tuberculose
(iv) Cholera
(c) Noem twee overeenkomsten tussen de chromosomen van mens en aap. . [2]
Antwoord geven:
(a) Het gebied van de gezondheidszorg dat door de deskundige genetici wordt geadviseerd over genetische problemen, wordt genetische counseling genoemd. Het is geen technologie maar maakt gebruik van biochemische, statistische en fysiologische technieken om de kans op het optreden van de daadwerkelijke ziekte te bepalen. Het speelt dus een belangrijke rol in het welzijn van een gezonde samenleving.

Erfelijkheidsadvies is aan te raden voor personen die:

  • een aangeboren afwijking hebben als gevolg van een genetische aandoening.
  • plannen om kinderen te krijgen na de leeftijd van 35 jaar.
  • spontane abortussen hebben gehad.
  • een naast familielid heeft met een genetische aandoening/handicap.
  • ouders zijn van een kind met een aangeboren afwijking of genetische aandoening.
  • etnische aandoeningen hebben zoals sikkelcelanemie enz. Genetische counseling is nuttig voor stellen die denken dat er een risico bestaat op het krijgen van een kind met een aangeboren ziekte. De geneticus identificeert vervolgens de aandoening en adviseert dienovereenkomstig. Hierdoor kunnen koppels de kinderen selecteren die vrij zijn van geslachtsgebonden afwijkingen bij de kinderen. Genetisch adviseur helpt dus bij de prenatale diagnose.

Erfelijkheidsadvisering door de deskundigen is nuttig voor de wensouders over de kans op het verwekken van kinderen met erfelijke aandoeningen. Door de groeiende kennis van overerving zijn we er nu achter gekomen dat tal van handicaps een genetische oorsprong hebben. Sommige van deze genetische aandoeningen kunnen niet gemakkelijk worden voorspeld, maar andere wel. Dit heeft ons in staat gesteld het optreden van bepaalde genetische aandoeningen zoals hemofilie, cystische fibrose, sommige soorten spierdystrofie enz. te voorspellen als we goede informatie hebben over de geschiedenis van de aandoening in de verwante families. Door middel van erfelijkheidsadvisering wordt de voorgeschiedenis van een erfelijke aandoening van de verwante families onderzocht en op basis van dit onderzoek worden de ouders geadviseerd over de kans dat die bepaalde aandoening bij hun kinderen optreedt.

Ziekte Veroorzaker Symptomen
(i) Poliomyelitis Antivirus of poliovirus Infectie van het CZS, vrijwillige spieren werken niet en de aangedane ledemaat of ledematen raken verlamd, waardoor de patiënt gehandicapt wordt, nekstijfheid.
(ii) Tyfus Salmonella typhi Aanhoudende koorts, langzame pols, gevoeligheid van de buik, droge gecoate tong, zeepachtige ontlasting
(iii) Tuberculose Mycobacterium tuberculosis Koorts, algemene zwakte, verlies van eetlust, aanhoudend hoesten met geelachtig met bloed bevlekt speeksel/sputum, pijn op de borst, gewichtsverlies
(iv) Cholera Vibrio cholerae De ontlasting heeft rijst, wateruitstraling, braken, acute diarree, cholera vooraf leidt tot uitdroging en verlies van mineralen

(c) (i) Het somatische aantal chromosomen in de cellen van het menselijk lichaam is 46 en dat van mensapen is 48 chromosomen. Aangenomen wordt dat de mens afstamt van een 48-chromosoomstam door een centrische fusie, maar het DNA-gehalte is hetzelfde.
(ii) Vergelijking van chromosomen van mens en aap laat zien dat het bandpatroon van individuele menselijke chromosomen erg lijkt op en in sommige gevallen identiek is aan het bandpatroon van ogenschijnlijk homologe chromosomen bij mensapen. Het bandenpatroon van chromosoom nummers 3 en 6 van mens en chimpansee vertoont opmerkelijke overeenkomsten in de banden, wat wijst op een gemeenschappelijke oorsprong.

Het aantal en de grove morfologie van chromosomen in verschillende mensenrassen is hetzelfde. Dit toont aan dat morfologische verschillen in de menselijke rassen zeer belangrijk zijn vanuit evolutionair oogpunt.


Bestelling van myosine II-filamenten aangedreven door mechanische krachten: experimenten en theorie

Myosine II-filamenten vormen geordende superstructuren in zowel dwarsgestreepte spier- als niet-spiercellen. In dwarsgestreepte spieren vormen myosine II (dikke) filamenten, actine (dunne) filamenten en elastische titinefilamenten de stereotiepe contractiele eenheden van spieren die sarcomeren worden genoemd. Lineaire ketens van sarcomeren, myofibrillen genaamd, zijn lateraal uitgelijnd in register om dwarsgestreepte spiercellen te vormen. De experimenteel waargenomen afhankelijkheid van de geregistreerde organisatie van myofibrillen op extracellulaire matrixelasticiteit is voorgesteld voort te komen uit de interacties van sarcomere contractiele elementen (beschouwd als krachtdipolen) door de matrix. Niet-spiercellen vormen kleine bipolaire filamenten die zijn opgebouwd uit minder dan 30 myosine II-moleculen. Deze filamenten zijn geassocieerd in registervormende superstructuren ('stapels') orthogonaal op actinefilamentbundels. De vorming van myosine II-filamentstapels vereist de myosine II ATPase-activiteit en functie van de actinefilamentverknopende, polymeriserende en depolymeriserende eiwitten. We stellen voor dat de myosine II-filamenten ingebed in het elastische, interveniërende actinenetwerk (IVN) functioneren als krachtdipolen die aantrekkelijk interageren via de IVN. Dit is in analogie met het theoretische beeld dat is ontwikkeld voor myofibrillen, waar het elastische medium nu het actine-cytoskelet zelf is. Myosinestapelvorming in niet-spiercellen biedt een nieuw mechanisme voor de zelforganisatie van het actine-cytoskelet op het niveau van de gehele cel.

Dit artikel is onderdeel van het themanummer ‘Zelforganisatie in de celbiologie’.

1. Inleiding

Myosins omvatten een superfamilie van moleculaire motoren die interageren met actinefilamenten en de energie van ATP-hydrolyse gebruiken om langs deze filamenten te bewegen, waardoor actieve mechanische krachten worden geproduceerd [1,2]. Het deel van het myosine-zware-ketenmolecuul dat interageert met actinefilamenten, bekend als de myosinekop, is geconserveerd onder alle leden van de myosine-superfamilie, bestaande uit meer dan 30 klassen [2]. Andere delen van het myosinemolecuul, de nek en de staart, kunnen aanzienlijk verschillen in verschillende myosineklassen. In vergelijking met andere myosineklassen heeft de myosine II-subfamilie het unieke kenmerk dat de verlengde staarten met elkaar kunnen interageren om functionele, bipolaire filamenten te vormen. Interactie van de bipolaire myosine II-filamenten met arrays van tegengesteld georiënteerde actinefilamenten trekt deze arrays naar elkaar toe en produceert contracties die typisch zijn voor zowel spier- als niet-spiercellen [3,4].

Deze recensie is gewijd aan de organisatie van myosine II-filamenten in spier- en in het bijzonder niet-spiercellen. We bespreken experimentele gegevens die de organisatie van myosine II-filamenten in superstructuren van tientallen tot honderden filamenten ophelderen. Deze superstructuren of arrays genereren niet alleen celcontractiliteit, maar bepalen ook de globale organisatie van actinefilamenten op het niveau van de hele cel. Actine- en myosine II-filamenten vormen samen met talrijke hulpeiwitten karakteristieke actomyosinestructuren zoals sarcomeren in dwarsgestreepte spiercellen en verschillende soorten actinebundels en -netwerken in niet-spiercellen. Deze verschillende soorten organisatie van het actomyosine-cytoskelet bepalen de contractiliteit, adhesie, voortbeweging en morfogenese van de cel. We stellen verder een verenigende theorie voor die de vorming verklaart van de myosine-superstructuren die talrijke, lateraal uitgelijnde myosinefilamenten omvatten en bespreken. Deze theorie beschouwt myosine II-filamenten als krachtdipolen ingebed in een elastisch medium en voorspelt geregistreerde organisatie van deze filamenten door aantrekkende krachten tussen deze dipolen.

2. Myosine II-filamenten en hun rangschikking in dwarsgestreepte spieren

Elk myosine II-molecuul is een hexameer dat bestaat uit twee zware ketens en twee paar verschillende lichte ketens. Elke zware ketting bestaat uit een N-terminaal hoofd (motor) domein en een lang α-helix staaf/staart domein verbonden door een nek (hefboomarm) domein (figuur 1een). Een tweekoppig myosine II-molecuul wordt geassembleerd door de vorming van een opgerolde spoel tussen de a-helix-staartdomeinen van twee zware ketens die een myosine II-staaf vormen. Bij de meeste myosine II-zware-ketentypes is de korte sequentie aan de C-terminus niet-helix en vormt een zogenaamd C-terminaal staartstuk [5-7]. Twee verschillende lichte ketens associëren met de nekgebieden van elke zware keten (figuur 1een) [3,4]. Deze myosine II-hexameren assembleren tot verschillende soorten superstructuren in verschillende celtypen. De meest complexe en sterk geordende myosine II-organisatie wordt gevonden in dwarsgestreepte (skelet- en hart) spieren [4,8] (figuur 1B).

Figuur 1. (een) Een cartoon die de generieke organisatie van myosine II-moleculen weergeeft. Myosine II is een hexameer eiwit dat bestaat uit twee zware ketens en twee paar lichte ketens: de essentiële lichte ketens (ELC) en de regulerende lichte ketens (RLC). Elke zware keten van myosine II is samengesteld uit een N-terminaal motordomein dat ATP- en actine-bindingsplaatsen bevat, een nekdomein (hefboomarm) dat ELC en RLC bindt, a-helix-staafdomein en C-terminale staart. De twee zware ketens van myosine II dimeriseren via interacties tussen de staafdomeinen en vormen samen een a-helix opgerolde spoel. (B) Vormen van vorming van myosine II-dimeren. Twee myosinemoleculen kunnen antiparallel (links) of parallel (rechts) interageren. De interactie wordt gemedieerd door de staafjes en staarten van individuele myosinemoleculen en hangt af van de ladingsverdeling langs de staafjes. De verschuivingen tussen individuele myosine II-moleculen in de dimeren kunnen alleen bepaalde discrete waarden hebben. (C) Drie algemene typen myosine II-filamenten. Links: Myosine II-filamenten van dwarsgestreepte spieren bestaan ​​uit enkele honderden myosine II-moleculen en bijbehorende eiwitten (zie tekst). De myosinekoppen bevinden zich symmetrisch aan de zijkanten van bipolaire filamenten en laten een kale zone in het midden achter. De lengte van menselijke dwarsgestreepte spierfilamenten is ongeveer 1600 nm. Midden: Myosine II-filamenten in niet-spiercellen hebben een uniforme lengte van 300 nm en bestaan ​​uit ongeveer 30 hexamere myosine-moleculen (voor de isovormen van de zware keten A en B) of ongeveer 15 moleculen (voor de isovorm C). Rechts: Myosine II-moleculen van gladde spieren vormen gewoonlijk lange zijdelingse polaire (gezichtspolaire) filamenten zonder de kale zone. (Online versie in kleur.)

Spierweefsel is zeer contractiel en produceert een breed scala aan actieve krachten om het skelet van alle bilaterale dieren te bewegen. De basiscontractiele eenheid van dwarsgestreepte lichaamsspieren staat bekend als het sarcomeer [4,8,9]. Elke stereotiepe sarcomeer wordt begrensd door twee Z-schijven, die de van weerhaken voorziene (plus) uiteinden verankeren van twee reeksen sterk georganiseerde polaire actine (dunne) filamenten, die in tegengestelde richtingen zijn gericht (figuur 2). Deze organisatie zorgt ervoor dat de lineaire actine (dunne) filamenten met hun puntige (min) uiteinden naar het midden van het sarcomeer gericht zijn, waar de bipolaire myosine (dikke) filamenten zich bevinden. Elke Z-schijf bevat veel accessoire-eiwitten: het belangrijkste is actine-filament-crosslinker α-actinine, α-actinine-bindende ZASP-familie-eiwitten (ZASP staat voor 'Z-band alternatief gesplitst PDZ-motief-bevattend eiwit'), actinefilament capping cap-Z eiwit [8,14], evenals forminen [15-17]. Deze eiwitten crosslinken, cappen of bevorderen de polymerisatie van actinefilamenten. De Z-schijf verankert ook het N-uiteinde van het grootste menselijke eiwit genaamd titine, dat zich met zijn C-uiteinde helemaal uitstrekt tot aan de M-lijn in het midden van het sarcomeer (zie hieronder) en zo de actine stabiel verbindt met de myosinefilamenten (figuur 2) [18]. In zijn volledig uitgestrekte staat is titine meer dan 1,5 µm lang, wat het idee voedde dat het een moleculaire liniaal is die de stereotiepe lengte van sarcomeren bepaalt [19]. De sarcomeren in ontspannen menselijke skeletspieren zijn tussen 3,0 en 3,4 µm lang, afhankelijk van het spiersubtype [20,21]. In zoogdiercardiomyocyten zijn de sarcomeren korter (1,6-2,3 µm lang) [10,22,23]. In volwassen spieren beslaan titinemoleculen de helft van het sarcomeer, zodat 6 titinemoleculen elk myosinefilament verbinden met Z-schijven aan elke kant [24].

Figuur 2. Gestreepte spiermorfologie. (een) Boven: Een cartoon met skeletspiervezels die aan beide uiteinden aan pezen zijn vastgemaakt. Let op de rechtheid van de spiervezels die wijst op spanning in het spier-pees systeem. Midden: inzoomen met de lineaire organisatie van gestreepte myofibrillen. Let op de laterale uitlijning van de myofibrillen, wat resulteert in dwarsstrepen van spiervezels. Onder: Verdere zoom-in die de organisatie van een individueel sarcomeer in dwarsgestreepte spieren weergeeft. Let op de stereotiepe lengte van sarcomeren (3,0-3,4 µm), die over het algemeen een orde van grootte kleiner is dan de totale lengte van de spiervezels. In cardiomyocyten is de sarcomeerlengte iets kleiner dan in skeletspieren (1,6-2,3 µm) [10]. Dit schema is gewijzigd van Lemke & Schnorrer [11]. (B,C) Immunokleuring van myofibrillen in een gekweekte rattencardiomyocyt (B, MHC in rood, myomesine in geel) en in a Drosophila beenspier (C, actine in rood, Z-disc-geassocieerd eiwit kettin [12] in groen) met sterk geregistreerde myofibrillen, wat resulteert in dwarsgestreepte spierpatronen. (NS) Niet alles Drosophila spiertypes zijn dwarsgestreept. Hoewel de individuele myofibrillen van de Drosophila vliegspieren (actine in rood, kettin in groen) zijn zeer regelmatig, ze zijn niet geregistreerd met hun naburige myofibrillen. Zie Spletter & Schnorrer [13] voor een kort overzicht van verschillende spiertypes. Schaalbalken komen overeen met 10 µm. Deel B is met dank aan Dr. Yfat Yahalom-Ronen (Weizmann Institute of Science), C en NS werden overgenomen door Christiane Barz (Max Planck Instituut voor Biochemie).

Dikke filamenten van dwarsgestreepte spieren zijn zeer grote, langwerpige moleculaire complexen van ongeveer 1600 nm lang en 30 nm in diameter (bij gewervelde dieren), die ongeveer 300 myosine II-isovormhexameren [25] bevatten samen met een aantal hulpeiwitten [10]. De spiermyosine II-hexameren zijn georganiseerd in een bipolaire gloeidraad, met de koppen aan beide uiteinden en een kale zone in het midden van de gloeidraad (figuur 1C). De exacte structuur van een dik filament verschilt enigszins voor verschillende soorten, maar de algemene principes die meer dan 40 jaar geleden werden voorgesteld [26] zijn nog steeds geldig voor alle soorten gestreepte dikke filamenten van spieren [4]. Recente cryo-elektronentomografiestudies onthulden de details van de organisatie van dikke filamenten in insectenvliegspieren met een bijna atomaire resolutie [27]. De filamenten worden gevormd door interacties van de staafdomeinen van de individuele myosine zware keten moleculen. De centrale kale zone is opgebouwd uit antiparallelle myosinestaven, die de basis vormen voor een perfect bipolaire gloeidraad. De zijdelings uitstekende myosine-motorkoppen zijn georganiseerd in een spiraalvormig rooster [4,28]. Er werd vastgesteld dat alleen bepaalde verschuivingen tussen myosinestaven die antiparallel of parallel op elkaar inwerken zijn toegestaan ​​(figuur 1B) [26], wat verklaard kan worden door een ongelijke verdeling van positieve en negatieve ladingen over de lengte van de staaf [29,30]. Men denkt dat deze toegestane configuraties de organisatie van het gehele filament bepalen [4,26].

In volwassen sarcomeren van gewervelde dieren is een prominent myosine-accessoire-eiwit myosine-bindend eiwit C (MyBP-C of C-proteïne) [31]. De C-terminale domeinen van MyBP-C lopen langs het myosinefilamentoppervlak, terwijl de N-terminus zich uitstrekt naar naburige actinefilamenten [32] en er wordt voorgesteld om de actomyosine-interacties tijdens spiercontracties te moduleren [33]. Bij insecten en andere ongewervelde dieren hebben de dikke filamenten een kern gemaakt van het eiwit paramyosine, dat homoloog is aan het staafgedeelte van het myosine II-molecuul [27]. Verschillende versies van paramyosine zijn aanwezig in functioneel verschillende insectenspiertypen [34,35]. Een ander kenmerk van myofibrillen in de gespecialiseerde door rek geactiveerde indirecte vluchtspieren van insecten is dat individuele fibrillen niet op één lijn liggen met de buren (het organisatietype wordt 'fibrillaire' spier genoemd, figuur 2C,NS) [35]. Het moleculaire mechanisme of bepaalde eiwitten die verantwoordelijk zijn voor het gebrek aan uitlijning van de individuele myofibrillen in de vliegspieren van insecten, moet echter nog worden geïdentificeerd.

Op grotere schaal zijn alle myosinefilamenten in elk sarcomeer georganiseerd in een geordende reeks uitgelijnd op een structuur die bekend staat als de M-lijn die het midden van de kale zones van de individuele filamenten verbindt (figuur 2een) [8,9,36]. De M-lijn bestaat uit verschillende eiwitcomponenten, waaronder de elastische eiwitten van de myomesinefamilie, waaronder M-eiwit, een grote rol [36,37]. Een ander groot sarcomerisch eiwit dat wordt gevonden op de Z-schijf en de M-lijn van volwassen gewervelde spieren is obscurine. Het heeft significante overeenkomsten met de titine-eiwitfamilie [38]. Bij insecten is obscurine echter grotendeels aanwezig op de M-lijn, waar het nodig is voor de symmetrische montage en uitlijning van de dikke filamenten tijdens de ontwikkeling van de vliegspier [39].

Aan het uiterste uiteinde bevinden zich de zeer lange en goed uitgelijnde dikke filamenten die worden aangetroffen in de vangspier van bepaalde weekdieren (bijv. Mytilus), waarin de dikke filamenten tot 25 µm lang zijn en gestapeld tot 75 µm in diameter [40]. Aangenomen wordt dat deze specifieke organisatie wordt veroorzaakt door bijzonder hoge paramyosineconcentraties die aanwezig zijn in de kern van het dikke filament [41]. Deze zeer lange dikke filamenten in de vangspier van weekdieren bevatten een lang gebied van actomyosine-overlap en maken zo een zeer hoge krachtproductie mogelijk, drie tot vier keer groter dan die van andere spieren [42].

Actinefilamenten in het sarcomeer zijn ook geassocieerd met verschillende belangrijke accessoire-eiwitten. Een daarvan is nebuline, een ander gigantisch eiwit, dat in gewervelde spieren bijna de gehele lengte van elk actinefilament beslaat. Nebuline reguleert de actinedynamiek en bepaalt mogelijk de lengte van de dunne filamenten [43]. Bovendien is elk actinefilament geassocieerd met twee strengen tropomyosinemoleculen die kop-staart langs twee helices van het actinefilament zijn geassembleerd [4,44]. Het regulerende eiwit troponine is periodiek gelokaliseerd langs actine/tropomyosinefilament en reguleert de positie van de tropomyosinestrengen op actinefilament op een Ca++-afhankelijke manier.Dit zorgt ervoor dat een interactie van de myosine II-motorkoppen met het actinefilament, en dus productiekrachtgeneratie, alleen mogelijk is wanneer de Ca++-concentratie in het cytoplasma een drempelwaarde overschrijdt [44]. Dit type contractiliteitsregulatie is specifiek voor dwarsgestreepte spieren, maar niet voor gladde spieren of niet-spiercellen die verschillende isovormen van tropomyosine bevatten maar geen troponine.

De meeste lichaamsspieren van insecten en waarschijnlijk alle skeletspieren van gewervelde dieren, evenals het hart, zijn dwarsgestreepte vezels. Dit betekent dat naast de precieze organisatie binnen elk sarcomeer en de periodieke organisatie van de sarcomeren in ketens die myofibrillen worden genoemd, zelfs de myofibrillen uiteindelijk in het register worden georganiseerd, zodat Z-banden van de naburige myofibrillen minimaal verschoven zijn ten opzichte van elkaar ( Figuur 2). In rijpe cardiomyocyten zijn de Z-banden van de naburige myofibrillen verbonden door intermediaire filamenten bestaande uit het eiwit desmine [8,45]. Bovendien zijn de Z-banden van de perifere myofibrillen gekoppeld aan de transmembraan-integrinemoleculen en glycoproteïnen van het dystroglycaancomplex die samen structuren vormen die 'costameren' worden genoemd, de gebieden waar de dwarsgestreepte spiervezels lateraal aan de extracellulaire matrix hechten (ECM). ) [45,46]. Minstens zo belangrijk is de stevige verankering van de twee terminale Z-schijven van elke myofibril aan de lange spieruiteinden aan de ECM, een proces dat ook door integrine wordt gemedieerd [47-49]. Onder de integrine-linker-eiwitten die de associatie van integrine met myofibrillen bij costameren of terminale Z-schijven mediëren, zijn talin, kindlin, vinculine, filamine en andere moleculen die ook worden aangetroffen in celmatrixadhesies van andere typen [46.50.51].

Hoe de geordende organisatie van myosinemoleculen en de hele structuur van sarcomeren en myofibrillen tijdens spierdifferentiatie ontstaan, is nog steeds slecht begrepen. De sarcomeren staan ​​niet op zichzelf. Ze zijn verbonden op hun symmetrische Z-schijven en vormen myofibrillen (figuur 2). Elke myofibril omspant de gehele spiercel en verbindt mechanisch de twee spier-peesaanhechtingsplaatsen in het geval van menselijke skelet- of insectenlichaamsspieren. In de hartspier zijn de myofibrillen van de cardiomyocyten verbonden met geïntercaleerde schijven (fascia-adhenden), de verbindingen tussen de aangrenzende cardiomyocyten [52]. In Drosophila, er werd aangetoond dat mechanische spanning essentieel is voor myofibrillogenese in vivo [49]. Tijdens spierontwikkeling verbinden myotubes beide uiteinden met pezen en bouwen ze mechanische spanning op. Op zijn beurt veroorzaakt spanning de gelijktijdige zelforganisatie van actine-, myosine- en titinecomplexen tot onrijpe myofibrillen, die zich uitstrekken van de ene spier-peesaanhechtingsplaats naar de andere [11,49]. Deze onrijpe myofibrillen worden dan contractiel en hun spontane spiertrekkingen zijn vereist voor de laterale uitlijning van aangrenzende myofibrillen in de sterk geregistreerde laterale organisatie van Z-schijven en M-lijnen in dwarsgestreepte spieren [53]. Deze conclusies van het ontwikkelen van insectenspieren worden ook ondersteund door gegevens die zijn verkregen in de zich ontwikkelende lichaamsspieren van de zebravis, die aantoonden dat ontwikkelingscontracties nodig zijn om regelmatige dwarsgestreepte sarcomeren te vormen [54].

Naast actine- en spiermyosinefilamenten is titine essentieel voor het samenstellen van sarcomeren en myofibrillen [55-58]. Omdat titine de Z-schijven stabiel verbindt met de dikke filamenten en een endogeen mechanisch veerdomein bevat, is het de belangrijkste bron van passieve spierelasticiteit in rijpe spiervezels [43,59]. De verlenging van de veer van titine vindt plaats in het lage pN-bereik en is volledig omkeerbaar [60,61]. Daarom is het zeer waarschijnlijk dat krachten over het titinemolecuul, die uiteindelijk dunne en dikke filamenten zullen verbinden, een belangrijke rol spelen in het myofibril-assemblageproces [11].

Het wordt dus steeds duidelijker dat krachten die worden gegenereerd door de myosinefilamenten een belangrijke rol spelen in het zelforganisatieproces van de myofibril. Een theorie die één aspect van dit proces verklaart, de geregistreerde organisatie van myofibrillen, zal hieronder worden besproken.

3. Register van myofibrillen in dwarsgestreepte spieren in cultuur en in vivo

De organisatie van myofibrillen in register vindt plaats door laterale ordening van naburige myofibrillen. Deze volgorde wordt gemanifesteerd door de uitlijning van de locatie van hun Z-schijven en M-lijnen (figuur 2) [53,62].

Experimentele observaties van kruisstrepen in embryonale spiercellen gekweekt op synthetische, vervormbare substraten [63-66] suggereren dat het registreren van naburige myofibrillen een mechanisch gereguleerd proces is. De mate van strepen is maximaal op optimaal stijve ondergronden, die niet te zacht en niet te stijf zijn [63,64]. De waarneming van sterke strepen geeft de lokale registratie van myofibrillen aan. Door het register systematisch te kwantificeren terwijl de stijfheid van het onderliggende gelsubstraat werd gevarieerd, werd aangetoond dat zowel de strepen als de contractiele spanningen die worden geproduceerd door het verslaan van hartspiercellen een maximale waarde vertonen in een bepaald bereik van substraatstijfheid [64,65]. Interessant is dat de tussenliggende stijfheid die wordt gevonden voor maximale strepen en slagsterkte van ongeveer 5 kPa overeenkomt met de oorspronkelijke stijfheid van embryonaal hartweefsel. De vereiste van de juiste mechanische krachten tijdens spierontwikkeling is consistent met de bovengenoemde resultaten dat de spiertrekkingen van onrijpe myofibrillen nodig zijn voor hun laterale uitlijning [53].

Deze afhankelijkheid van spierstructuur en -functie van de stijfheid van de omgeving en de krachten die door de spier worden geproduceerd, kan worden begrepen in termen van elastische interacties tussen fibrillen door vervormingen van het onderliggende substraat veroorzaakt door contractiele krachten van actomyosine. De theoretische behandeling van de eigenschappen en interacties van actieve krachtdipolen [67] biedt een grofkorrelig model voor de contractiliteit van het cytoskelet van een cel. Dergelijke ideeën zijn toegepast om de mechanische respons van afzonderlijke cellen [63,68,69] of cytoskeletelementen in verschillende situaties kwantitatief te meten [70]. Voorbeelden zijn de oriëntatie van fibroblasten onder een externe rek [71] of de substraatstijfheid-afhankelijke onderlinge oriëntatie van stressvezels van mesenchymale stamcellen [72]. In het geval van spieren wordt elke myofibril gemodelleerd als een periodieke reeks samentrekkende, gelijke en tegengestelde krachten van elk van de myosine II-koppen, deze worden krachtdipolen genoemd (figuur 3een,B) naar analogie met elektrische dipolen die gelijk zijn en tegengestelde ladingen gescheiden door een eindige afstand. (We benadrukken echter dat de krachtdipolen alleen analoog zijn aan elektrische dipolen en niet identiek zijn, zelfs de wiskundige eigenschappen van de twee zijn verschillend, aangezien lading een scalaire (richtingonafhankelijke) grootheid is, terwijl kracht een vector is (richting- afhankelijk) grootheid hieronder duiden we vectoren aan met vetgedrukte letters en hun componenten met een index.) De krachtdipolen vervormen het elastische substraat via de koppeling van het contractiele actomyosine aan de crosslinkers (Z-schijven) deze krachten worden vervolgens uitgeoefend op het substraat bij de costameeradhesieplaatsen van de Z-schijven [62].

Figuur 3. Illustratie van dwarsgestreepte spiermyofibrillen die interageren door vervormingen van zacht substraat. (een) Weergave van hele spiercel gekweekt op een elastisch substraat. Drie myofibrillen die de cel overspannen worden getoond, met donkere vierkanten die de positie van het myosinefilament aangeven. Z-schijven worden niet getoond. Elk uiteinde van een myofibril is verankerd aan een grijze rechthoek die een spier-peesaanhechtingsplaats symboliseert in het geval van menselijke skelet- of insectenlichaamsspieren, of een geïntercaleerde schijf die naburige cardiomyocyten verbindt in het geval van hartspier. (B) Elke myofibril, een reeks sarcomeren, is mechanisch gekoppeld aan het elastische substraat op de Z-schijven via de transmembraan-integrine-bevattende adhesieve complexen die bekend staan ​​als costameren. (C) Schematische voorstelling van het vervormingspatroon dat door een enkele fibril in het substraat wordt getransduceerd. De lichte en donkere gebieden vertegenwoordigen gebieden waar het substraat wordt uitgezet of samengetrokken. De vervormingen vervallen met transversale afstand van de myofibril. (NS) Een paar naburige fibrillen weergegeven als arrays van krachtdipolen. Ze zijn op enige afstand buiten de registratie en ervaren een substraat-gemedieerde elastische kracht die hen naar een wederzijdse registratie drijft [62].

We schetsen nu de basiselementen van de krachtdipooltheorie van door vervorming geïnduceerde interacties tussen verschillende en goed gescheiden actomyosine-eenheden met behulp van een model waarin het tussenliggende elastische medium (of substraat) wordt weergegeven als een lineair elastisch medium (dwz waarbij de spanning is evenredig met de rek). De verplaatsing op een punt R gelegen op het oppervlak (z = 0) van een semi-oneindig lineair elastisch medium (of substraat) veroorzaakt door een kracht die werkt in de richting J = x,y op een andere locatie (gekozen als oorsprong) op het oppervlak van dit semi-oneindige medium wordt gegeven door Landau et al. [73],

Rekening houdend met ongeveer 100 myosinefilamentkoppen in een sarcomeer [25], die elk een contractiele kracht van ongeveer 1 pN [75] produceren, is een redelijke schatting voor de contractiele kracht per sarcomeer ongeveer 100 pN [62]. In dit geval is elke krachtdipool het krachtenpaar dat op het elastische substraat inwerkt via de costameren bij de Z-schijven zoals weergegeven in figuur 3B. De ruimtelijke omvang van zo'n dipool komt dus overeen met de grootte van een sarcomeer. De transductie van deze sarcomere krachten in het medium of substraat door adhesies die de twee koppelen, induceert een ruimtelijk, periodiek patroonvormig spanningsveld binnen het substraat met afwisselende gebieden van compressie en expansie, respectievelijk weergegeven in figuur 3C als donkere en lichte gebieden. Gezien de spanningen die door één myofibril worden geïnduceerd, kan een sarcomeer in de naburige myofibril die zich in een geëxpandeerd gebied van het medium bevindt, dit gebied vervolgens actief comprimeren, waardoor het medium dichter bij zijn onvervormde staat wordt hersteld en daardoor de algehele vervormingsenergie van het elastische medium wordt verlaagd. Deze middelmatige bias in de positionering van een aangrenzende contractiele eenheid (figuur 3NS), sjablonen een geregistreerde configuratie van aangrenzende fibrillen.

Door de moleculaire ruis die inherent is aan cellen op te nemen, kan een dergelijke theoretische benadering de afhankelijkheid van de substraatstijfheid van het register in kaart brengen op die van de gemeten klopstammen die worden gegenereerd door cardiomyocyten [76]. De goede overeenstemming van theorie met experimenten brengt het gecorreleerde kloppen van hartcellen in verband met het structurele register van de myofibrillen, dat op zijn beurt wordt gereguleerd door hun elastische omgeving. Ten slotte geven we commentaar op de mogelijkheid van registratie gedreven door mechanische interacties in spierweefsel in vivo. Zowel de celkweekexperimenten [63] die in deze sectie worden beschreven als in vivo studies van insectenspier [49] tonen aan dat mechanische factoren zoals stijfheid en spanning belangrijk zijn bij het registreren of kruisstrepen van myofibrillen. Het voorgestelde theoretische model is gebaseerd op elastische vervormingen die ontstaan ​​door actief contractiele myofibrillen die onder spanning staan. Verder blijken onrijpe spierfibrillen (premyofibrillen) in beide gevallen minder geordend te zijn. Dit komt overeen met een geleidelijke vooruitgang in de richting van orde, gesuggereerd door een door kracht aangedreven mechanisme.

4. Is er een hogere orde organisatie van myosine II-filamenten in gladde spiercellen?

Gewervelde gladde spiercellen, zoals blijkt uit hun nomenclatuur, hebben geen duidelijke strepen en vertonen daarom niet de sterk geordende sarcomere organisatie die typisch is voor dwarsgestreepte spieren [4,77]. De homologen van Z-schijven in gladde spieren zijn de dichte lichamen, die in analogie met Z-schijven de prikkeldraaduiteinden van de actinefilamenten bij elkaar houden en zijn verrijkt met α-actinine [78]. Net als in de Z-schijven van dwarsgestreepte spieren van gewervelde dieren, zijn de dichte lichamen verbonden door desmine intermediaire filamenten, die zeer overvloedig aanwezig zijn in gladde spieren [78,79]. Structuren die lijken op dichte lichamen, bekend als dichte plaques, zijn geassocieerd met het plasmamembraan en mediëren de adhesie van gladde spiercellen aan de ECM. Deze structuren zijn homoloog aan focale adhesies in niet-spiercellen en bevatten karakteristieke eiwitten zoals vinculine en integrine [80,81]. Er is geen homoloog van de M-band in gladde spiercellen en de myosinefilamenten van gladde spieren vormen geen geordende arrays, maar interdigitaten eerder met de actinefilamenten die niet geregistreerd zijn. De organisatie en dynamiek van de filamenten die worden gevormd door myosinemoleculen van gladde spieren die een gladde spierspecifieke isovorm van de zware keten bevatten, is over het algemeen anders dan die in dwarsgestreept spierweefsel. In de meeste gladde spieren van gewervelde dieren zijn myosinefilamenten niet bipolair maar bevatten ze over hun hele lengte myosinekoppen (zogenaamde face-polar of side-polar filaments figuur 1C) [82,83]. Dergelijke filamenten of linten kunnen worden gepolymeriseerd uit gezuiverd myosine van gladde spieren in vitro [83]. Er wordt zelfs beweerd dat de lengte van myosine II-filamenten in gladde spiercellen niet constant is, maar binnen een breed bereik varieert [84], hoewel er geen volledige overeenstemming over dit onderwerp bestaat [85,86].

Gladde spiercellen brengen geen troponine tot expressie en daarom is de Ca++-afhankelijke regulatie van de interacties tussen actine en myosinefilament significant verschillend van die van dwarsgestreepte spieren. Zowel ATPase-activiteit van de gladde spier myosine II als het vermogen om zich te assembleren tot filamenten worden gereguleerd door fosforylering van de regulerende lichte ketens (RLC's) [87-91]. Een soortgelijk type myosine II-regulatie vindt plaats in niet-spiercellen [3]. In dwarsgestreepte hartspier is RLC-fosforylering constitutief en lijkt nodig te zijn voor de optimale contractiliteitsfunctie [92].

Hoewel de mate van ordening in de organisatie van actine- en myosinefilamenten van gladde spieren blijkbaar minder is dan in dwarsgestreepte spieren, kan de mate van actomyosine-orde in de gladde spieren worden onderschat. In feite zouden sommige structuren in gladde spieren een vrij regelmatige organisatie kunnen vertonen. Vinculine-bevattende dichte plaques worden bijvoorbeeld vrij regelmatig gerangschikt in gekweekte gladde spiercellen [80]. Verdere regelmaat in de organisatie van het actomyosine-cytoskelet in gladde spiercellen zal hopelijk worden onthuld in toekomstige studies met behulp van superresolutie-lichtmicroscopie.

5. Bestelde arrays van myosine II-filamenten in niet-spiercellen

De eerste indicatie dat niet-spiercellen ook myosinefilamenten kunnen assembleren, werd lang geleden verkregen met behulp van immuno-elektronenmicroscopie [93]. Beelden van hogere kwaliteit van dergelijke filamenten werden later geleverd door de techniek van platina-replica's van gepermeabiliseerde cellen, waaruit de actinefilamenten werden verwijderd door incubatie met het actine-depolymeriserende eiwit gelsoline [94,95]. Transmissie-elektronenmicroscopie van dergelijke replica's onthulde dat in gekweekte fibroblasten talrijke bipolaire niet-spier-myosinefilamenten van uniforme lengte (ongeveer 300 nm) aanwezig waren. Deze verschenen vaak als groepen parallelle filamenten, linten of stapels genoemd [94]. Later werden dergelijke stapels ook waargenomen in andere celtypen met vergelijkbare technieken [95,96]. Biochemisch gezien worden niet-spier-isovormen van gewervelde dieren vertegenwoordigd door drie typen zware keten, MHC-A (Myh9), -B (Myh10) en C (Myh14), die interageren met dezelfde essentiële en regulerende lichte ketens [3,97]. Elk van de niet-spierachtige myosine II-types kan in filamenten worden geassembleerd in vitro [98]. Er is gedocumenteerd dat myosine IIA- en IIB-moleculen samen kunnen assembleren tot een enkel filament [99-101], hoewel deze isovormen gewoonlijk van elkaar scheiden, wat resulteert in voorste en achterste accumulatie van respectievelijk myosine IIA en IIB in gepolariseerde cellen. 101-103]. Interessant is dat alle isovormen van niet-spier-myosine II kunnen samengaan met myosine 18A, dat op zichzelf antiparallelle dimeren kan vormen, maar geen grote filamenten, en de ATPase-activiteit mist [104]. Zo kan myosine 18A de assemblage van andere niet-spier myosine II-filamenten reguleren in vivo of bemiddelen hun interacties met sommige geassocieerde eiwitten [104].

Experimenten met selectieve knockdown van myosine IIA of IIB onthulden dat myosine IIA de neiging heeft om meer bij te dragen aan de algehele celcontractiliteit, terwijl myosine IIB meer betrokken is bij de regulatie van de voor-achterpolariteit van de cel, het begeleiden van celmigratie en het hermodelleren van de matrix [3.105] –109]. De verdeling tussen myosine IIA- en IIB-functies kan ook afhankelijk zijn van het celtype.

Reguliere fluorescentiemicroscopie heeft onvoldoende resolutie voor de visualisatie van de 300 nm kleine myosine II-filamenten in niet-spiercellen. Zelfs in de vroege immunofluorescentiestudies van myosine II-lokalisatie werd echter de duidelijke periodieke distributie van myosine II-entiteiten (strepen) waargenomen [110,111]. De recente introductie van beeldvorming met superresolutie, met name gestructureerde verlichtingsmicroscopie (SIM) [112.113], heeft een betere visualisatie mogelijk gemaakt van myosine II-filamenten en superstructuren gevormd door dergelijke filamenten, evenals hun dynamiek in levende cellen [114-117 ].

De myosinefilamenten en filamentstapels in de cellen worden voornamelijk geassocieerd met bundels actinefilamenten. De belangrijkste myosine II-bevattende structuren zijn de georganiseerde, parallelle actinebundels of spanningsvezels die typisch zijn voor gepolariseerde fibroblastachtige cellen (figuur 4). Verwante soorten structuren die myosinefilamentstapels omvatten, zijn de zogenaamde bogen of omtreksactinebundels die tevoorschijn komen aan de periferie van zich verspreidende cellen [114]. Een recent onderzoek naar de verdeling van myosine IIA-filamenten onthulde dat in zowel stressvezels als bogen, myosinefilamenten parallel aan de actinefilamenten zijn georiënteerd en co-lokaliseren met de regio's verrijkt met puntige (minus) uiteinden van actinefilamenten geassocieerd met het eiwit tropomoduline (figuur 4) [117]. Dit betekent dat myosinefilamenten arrays van actinefilamenten met tegengestelde polariteit verbinden. In overeenstemming met eerdere onderzoeken [93,94,111], worden de myosinefilamenten langs de lengte van de stressvezels of bogen op een periodieke manier verdeeld, afgewisseld met regio's die zijn verrijkt met de actinefilamentverknopende eiwitten α-actinine-1 en -4 [117 ]. De met α-actinine verrijkte gebieden zijn ook verrijkt met de van weerhaken voorziene (plus) uiteinden van actinefilamenten, die monomeer (G) actine kunnen opnemen [117]. De plaatsen met de meest prominente opname van G-actine zijn focale adhesies, moleculaire complexen die stressvezeluiteinden verbinden met transmembraan-integrinemoleculen [118].

Figuur 4. Myosine IIA-filamenten en filamentstapels in REF52-fibroblasten van rattenembryo's. (een) Complementaire verdeling van myosine II-filamenten en α-actinine-verrijkte domeinen in REF52-cellen die α-actinine-1-mCherry (blauw) en RLC-GFP (geel) samen tot expressie brengen. De RLC-afbeeldingen van de omkaderde regio's die bij hoge vergroting in de inzet aan de rechterkant worden getoond, geven een vermeend myosinefilament en een myosinefilamentstapel weer, zoals aangegeven in het schema. De beelden zijn gemaakt met een Nikon 3D-SIM-microscoop. Schaalbalk, 5 µm. (B) Schematische weergave van de organisatie van actine- en myosine II-filamenten in de quasi-sarcomere eenheden van stressvezels of transversale bogen. Een enkele 'sarcomeer' wordt getoond. Uiteinden met weerhaken van actinefilamenten (gevisualiseerd door incorporatie van G-actine) bevinden zich in de met α-actinine verrijkte zones, terwijl puntige uiteinden (versierd met tropmoduline 3) overlappen met myosinefilamentstapels.

Periodieke organisatie van myosine II en α-actinine in spanningsvezels en omtrekbogen is enigszins vergelijkbaar met de organisatie van periodieke sarcomeren in myofibrillen (zie hierboven). Er zijn echter verschillende belangrijke verschillen tussen de structuur van myofibrillen in vergelijking met die van niet-spierspanningsvezels of bogen. Allereerst zijn de myosine II-filamenten van niet-spiercellen ongeveer vijf keer korter dan dikke filamenten in dwarsgestreepte spieren (300 nm versus 1600 nm). Verder zijn de breedtes van de α-actinine-rijke zones in spanningsvezels en centraal gelegen bogen, in tegenstelling tot die in Z-schijven, niet uniform, maar vertonen ze een brede lengteverdeling (in een bereik tussen 300 en 1000 nm). In perifere bogen zijn dergelijke zones zelfs breder dan in centrale bogen en in spanningsvezels [117]. Bovendien, terwijl sarcomere contractie een verkorting van de afstand tussen Z-schijven veroorzaakt, lijkt de contractie van spanningsvezels of bogen een afname van de lengtes van de α-actinine-rijke zones zelf in te houden [117].

Homologen van het M-line-eiwit obscurine dat myosinefilamenten in myofibrillen [39] bij elkaar houdt, zijn recentelijk gevonden in verschillende soorten niet-spierweefsels en organen, waaronder hersenen, huid, nier, lever, milt en long [119] evenals in in gekweekte epitheelcellen [120]. Direct bewijs dat obscurine of obscurine-achtige eiwitten de link tussen myosine II-filamenten in niet-spiercellen mediëren, ontbreekt echter. Bovendien, hoewel er gegevens in de literatuur zijn die wijzen op de aanwezigheid van titine-gerelateerde moleculen in niet-spiercellen [121], en sommige auteurs de hoge spanningsvezelelasticiteit toeschrijven aan de aanwezigheid van dergelijke moleculen [122,123], is het bestaan ​​van de gigantische elastische titine-achtige filamenten die de actine- en myosine II-filamenten in niet-spiercellen verbinden, zijn niet bevestigd. De elastische respons van de stressvezels kan eerder gerelateerd zijn aan de functie van het mechanoresponsieve α-actinine-bindende eiwit zyxine [124,125].

De diepe structurele verschillen tussen de myosinefilamentorganisatie in myofibrillen in vergelijking met de stressvezels en bogen van niet-spiercellen zijn in overeenstemming met de zeer verschillende snelheden van filamentomzetting. In experimenten met fluorescentieherstel na fotobleken (FRAP), werd het herstel van de fluorescentie van gelabelde niet-spierachtige myosine lichte of zware ketens waargenomen in minder dan een minuut, wat een snelle omschakeling van de myosinefilamenten suggereert [117], terwijl de karakteristieke FRAP tijd voor myosinefilamenten in spiercellen meer dan een uur [126].

Interessant is dat naast spanningsvezels en omtreksbogen, geregistreerde stapels myosine II-filamenten ook werden gevonden in andere domeinen van het actine-cytoskelet. SIM-microscopie onthulde dergelijke structuren in de samentrekkende ring van delende menselijke cellen tijdens cytokinese [115]. Periodieke verdeling van myosine II-clusters in de contractiele ring werd ook opgemerkt in andere onderzoeken [127]. De architectuur van de actomyosine contractiele ring is niet volledig begrepen, hoewel er verschillende modellen zijn voorgesteld [128-130]. De periodieke verdeling van myosinestapels in de contractiele ring benadrukt een interessante overeenkomst met omtreksactinebundels in interfasecellen. Een ander type actomyosine-ring die periodiek verdeelde myosine II-filamentstapels bevat, wordt weergegeven door adhesiebanden van epitheelcellen in de sterk geordende epitheellaag van het orgaan van Corti [131]. Hier, in tegenstelling tot andere soorten myosinefilamentstructuren in niet-spiercellen, worden de myosinefilamenten gevormd door myosine IIC-isovormmoleculen. Een bijzonder kenmerk van deze adhesiebanden is dat ze in register zijn georganiseerd, zodat arrays van myosinefilamenten in één cel precies tegenover de symmetrische array in een aangrenzende hechtende cel liggen [131]. Een geordende organisatie van myosine IIA-filamentclusters werd ook gevonden in de cadherine-gemedieerde verbindingen tussen menselijke Caco-2-epitheelcellen in de darm [132].

Hoe worden deze sterk georganiseerde myosine II-structuren gevormd en wat zouden hun functies kunnen zijn in niet-spiercellen? Om de eerste vraag te beantwoorden, moeten de processen van vorming en assemblage van myosinefilamenten worden bestudeerd. Myosine II in niet-spiercellen wordt voornamelijk gereguleerd door fosforylering van RLC's. Met name myosine II-moleculen assembleren zich alleen tot filamenten als de RLC's gefosforyleerd zijn [3.133]. Deze fosforylering wordt gemedieerd door verschillende enzymen, met name myosine lichte keten kinase (MLCK) en Rho kinase (ROCK). ROCK fosforyleert en inactiveert bovendien de myosine lichte keten fosfatase (MLCP), die normaal antagoniseert met RLC-fosforylering [3]. ROCK en zijn stroomopwaartse activator, het kleine G-eiwit Rho, fungeren dus als hoofdregulatoren van de vorming van myosine II-filamenten in niet-spiercellen. Remming van ROCK door een specifiek medicijn Y27632 resulteert in de totale demontage van myosine II-filamenten in het centrale deel van de cel [117]. Er kunnen echter ruimtelijke verschillen zijn in de regulatie van RLC-fosforylering. Aan de celperiferie is de vorming van de nieuwe myosinefilamenten minder gevoelig voor Y27632-behandeling [116], waarschijnlijk omdat het in deze regio meer afhangt van MLCK dan van ROCK [116,134].

De assemblage van myosine II-moleculen tot filamenten hangt ook af van verschillende andere regulerende gebeurtenissen, waaronder fosforylering van de zware keten van myosine II [135-137] en de werking van een myosine-chaperonne UNC-45a [138]. Signaalnetwerken die deze processen reguleren zijn niet volledig bekend. In het algemeen wordt aan de celperiferie voldaan aan de omstandigheden waaronder assemblage van myosine II-moleculen tot filamenten kan plaatsvinden. Dit omvat waarschijnlijk de activiteit van kleine G-eiwitten van de Rho-familie en hun stroomafwaartse proteïnekinase-doelen, die nodig zijn voor een goede fosforylering van de subeenheden van myosinemoleculen. De assemblage van nieuwe myosinefilamenten werd gevonden bij focale adhesies, waar het actieve G-eiwit Rac1 samen met proteïnekinase C (PKC) de fosforylering van de zware keten van myosine bij serine 1916 [137] stimuleert. De assemblage van nieuwe myosine II-filamenten werd ook waargenomen in andere perifere gebieden van de cel, zoals bij het lamellipodium-lamellum-interface [115-117,139]. Het kan zijn dat de vorming van nieuwe myosine II-filamenten in vivo wordt vergemakkelijkt door hun interacties met nieuw gevormde actinebundels die verschijnen als gevolg van onttakking van het Arp2/3-netwerk in lamellipodia. Dit proces kan leiden tot de vorming van transversale bogen aan de achterrand van lamellipodia [140-142].

Zodra een myosinefilament is gevormd, lijkt het geassocieerd te zijn met een dunne bundel actinefilamenten [116,117] en begint het naar het celcentrum te bewegen. Tijdens een dergelijke beweging wordt het filament opgenomen in reeds bestaande superstructuren (stapels) gevormd door andere filamenten. Dit proces lijkt ten grondslag te liggen aan de vorming en het onderhoud van de waargenomen myosinestapels. Onlangs is aangetoond dat naast dit proces (bekend als concatenatie), myosinefilamenten kunnen worden gesplitst of gepartitioneerd, zodat een enkel filament wordt omgezet in twee gescheiden 'dochter'-filamenten [115,116]. Een dergelijke verdeling van myosinefilamenten bleek af te hangen van actinefilamentpolymerisatie en de activiteit van MLCK [116]. Het exacte mechanisme van de verdeling van de myosinefilamenten moet nog definitief worden vastgesteld. Het is duidelijk dat het begrijpen van dit fenomeen licht zou werpen op het mechanisme van zelforganisatie van myosinefilamenten in niet-spiercellen.

Hoewel expansie van filamenten op basis van hun verdeling een van de mechanismen zou kunnen zijn waarmee myosinefilamenten stapels vormen, Hu et al. toonde verschillende gebeurtenissen aan toen de verplaatsing van bestaande myosinefilamenten in register met een andere en die van twee bestaande myosinestapels in register met elkaar plaatsvond [117]. De vorming van stapels myosinefilamenten wordt soms voorafgegaan door een beweging van myosinefilamenten over een afstand van ongeveer 1 µm. Een dergelijke beweging over lange afstand is consistent met een opkomende kracht tussen de filamenten die over een groot bereik werken. In vitro experimenten met gezuiverd myosine IIB hebben de vorming aangetoond van complexen bestaande uit een klein aantal aangrenzende filamenten [98] maar niet de grote micron-sized stacks waar registratie plaatsvindt over meer dan 10 filamenten die in cellen worden waargenomen [117].

Om de moleculaire vereisten voor de vorming van myosinefilamentstapels systematisch te onderzoeken, heeft Hu et al. verstoorde de myosinefilamenten door celbehandeling met ROCK-remmer Y27632 en observeerde het herstel van de filamenten en de filamentstapels onder verschillende omstandigheden. Er werd aangetoond dat niet alleen de mechanochemische activiteit van myosine, maar ook de dynamiek en organisatie van de actinefilamenten belangrijk zijn voor stapelvorming. Remmers van door formine aangedreven actinepolymerisatie of depolymerisatie interfereerden niet met het herstel van myosine II-filamenten, maar blokkeerden hun assemblage in stapels. De actine-geassocieerde eiwitten die betrokken zijn bij het proces van stapelvorming omvatten de formine Fmnl3, waarvan bekend is dat het een krachtige activator is van actinefilamentverlenging [143]. Evenzo bleek formine mDia1 nodig te zijn voor de geordende organisatie van myosine IIA-filamenten geassocieerd met cel-celverbindingen [132]. Cofilin1, een bekende factor voor het scheiden en depolymeriseren van actinefilamenten [144], bleek ook betrokken te zijn bij de vorming van myosine IIA-filamentstapels [117]. Ten slotte was de vorming van deze stapels afhankelijk van het actine-crosslinking-eiwit α-actinine-4 en in mindere mate van α-actinine-1 [117].

Om het proces van actine-afhankelijke stapelvorming van myosinefilamenten in niet-spiercellen te verklaren en in het bijzonder het ontstaan ​​van een kracht die tussen myosinefilamenten werkt met een bereik dat veel groter is dan een typische moleculaire schaal, hebben we de theorie die is ontwikkeld voor de uitleg van geregistreerde organisatie van sarcomeren in dwarsgestreept spierweefsel.

6. Interacties tussen myosine II-filamenten via het tussenliggende actinenetwerk: een theoretisch model

In deze sectie vatten we een theorie samen die laat zien hoe myosinefilamenten kunnen interageren via hun onderlinge vervormingen van het tussenliggende elastische medium. Zoals hierboven besproken voor cellen gekweekt op zachte vervormbare substraten, kan parallelle organisatie van stressvezels [72], evenals geregistreerde organisatie van myofibrillen in cardiomyocyten [76] worden verklaard door de effectieve interactie van cellulaire contractiele elementen door de elastische substraten. We passen deze ideeën nu aan aan het cytoskelet van cellen die zijn gekweekt op onbuigzaam substraten waar interacties tussen myosinefilamenten via vervormingen van het relatief ongeorganiseerde, tussenliggende cytoskeletnetwerk dat hen omringt en verbindt [117,145,146] de myosinefilamenten in stapels kunnen registreren.

De theorie wordt gemotiveerd door de volgende observaties [117]: (i) Geregistreerde stapels ontwikkelen zich dynamisch en kunnen verplaatsingen op micronschaal van de myosine II-filamenten over een tijdschaal van minuten met zich meebrengen. (ii) Myosinefilamenten bewegen samen met actinevezels en het register vereist actinedynamiek, de stapels demonteren wanneer actinepolymerisatie wordt geremd. (iii) Register gaat verloren wanneer contractiliteit wordt geblokkeerd door contractiliteitsremmers zoals blebbistatine. De gevoeligheid voor actomyosinedynamica kan niet worden toegeschreven aan alleen lokale omzetting van actine- en myosinefilamenten op moleculair niveau, aangezien deze kinetiek die plaatsvindt over tientallen seconden, zoals bepaald door FRAP-experimenten, veel sneller is dan de benodigde tijdschalen van minuten voor de oprichting van een register [117].

Deze overwegingen brengen ons ertoe om ons theoretisch te concentreren op de rol van krachtoverdracht als gevolg van actomyosine-contractiliteit in plaats van directe, moleculaire associaties van myosinefilamenten. Zelfs in de afwezigheid van een zacht vervormbaar substraat, kunnen elastische interacties tussen naburige actomyosine-elementen op georganiseerde stressvezels worden gemedieerd door de actomyosine-geïnduceerde vervormingen van het tussenliggende, ongeordende netwerk van actine en mogelijk andere cytoskeletcomponenten (hierna interveniërend netwerk of 'IVN' genoemd). '). Het bestaan ​​van een dergelijk netwerk kan worden afgeleid uit eerdere licht- en elektronenmicroscopieonderzoeken. In de recente STORM-afbeeldingen [145] en in eerdere elektronenmicroscopiestudies [146] is met name een actine-intervenerend netwerk te zien. We veronderstellen dat myosinefilamenten via zo'n netwerk met elkaar interageren (figuur 5 .).a–c). Een actomyosine-eenheid op één spanningsvezel vervormt de IVN. Deze vervorming interageert mechanisch met een contractiele actomyosine-eenheid op een naburige spanningsvezel en resulteert in krachten (overgedragen door de IVN) die ervoor zorgen dat de myosinefilamenten op de twee aangrenzende spanningsvezels in register met elkaar worden 'geduwd' om de stapels over de spanningsvezels die niet in direct moleculair contact met elkaar staan ​​[117].

Figuur 5. (een) Cartoon met myosinefilamenten geassocieerd met aangrenzende stressvezels met een tussenliggend netwerk van ongeordende actinefilamenten (IVN) tussen de aangrenzende vezels. Een soortgelijk beeld geldt voor dwarsbogen. Zoals de schets laat zien, kan hetzelfde actinefilament in de IVN twee aangrenzende spanningsvezels binden en ze dus fysiek verbinden en mechanisch koppelen. (B) Schematische geometrie van interactie van twee parallelle krachtdipolen (P1 en P2) gescheiden door een dwarsafstand NS. Elke dipool komt overeen met het paar samentrekkende krachten die door het bipolaire myosinefilament worden uitgeoefend op de punten van adhesief contact met de IVN. De twee dipolen die het paar myosinefilamenten vertegenwoordigen, zijn aanvankelijk ten opzichte van elkaar verschoven (niet geregistreerd) over een afstand Δ langs de x-richting. de dipool P1 vervormt het elastische medium (IVN) dat zo een kracht uitoefent op de tweede dipool P2. De component van deze kracht in de x-richting, Fx, heeft de neiging om te bewegen P2 in register met P1. (C) Dezelfde geometrie als in (B) behalve nu beschouwen we een lijn van dipolen uniform gescheiden door een afstand een als model voor een hele vezel. De vervorming van het elastische medium door de lijn van dipolen veroorzaakt een ruimtelijk periodieke kracht op een enkele dipool, P2, een transversale afstand NS apart en verschoven van register door Δ zoals in (B). (NS) Plot met elastische medium-gemedieerde kracht (voor een Poisson-ratio ν = 0,5, onsamendrukbaar medium) op een actomyosine-eenheid (krachtdipool) door een andere dipool zoals weergegeven in (B). We plotten de kracht, Fx op een dipool uitgezonden door het elastische medium (de tussenliggende IVN), als functie van de afstand van registermismatch Δ/NS. Een positieve verplaatsing van P1 op een afstand Δ verwijderd van het register, resulteert in een kracht die inwerkt op P1 in het negatieve x-richting, waaruit een tendens naar registratie (Δ = 0) van de twee dipolen blijkt. (e) Plot met elastische medium-gemedieerde kracht Fx (voor een ν = 0,5) op een actomyosine-eenheid (krachtdipool P2) door een lijn van dipolen (als een model van een spanningsvezel) zoals weergegeven in (C). Dit toont aan dat de elastische medium-gemedieerde krachten de registratie van P2 met de dichtstbijzijnde dipool op de lijn van dipolen. (F) Plot van de dwarskracht Fja tussen twee krachtdipolen georiënteerd in en verschoven langs de x-richting met een afstand Δ, zoals weergegeven (B), als functie van hun transversale scheiding NS. De negatieve waarden van Fja want een reeks transversale scheidingen impliceert dat de twee dipolen met parallelle organisatie worden beïnvloed door aantrekkende elastische krachten die worden gemedieerd door het medium. (G) Plot van de dwarskracht Fja op een krachtdipool door een lijn van dipolen (als een model van een spanningsvezel) zoals weergegeven in (C). Dit toont aan dat de elastische medium-gemedieerde krachten de aantrekking van een enkele actomyosine-eenheid naar een reeds gevormde actinebundel bevorderen. Alle krachten worden hier opnieuw geschaald door geschikte schalen voor krachtdipool, scheidingsafstand en elasticiteitsmodulus, en kunnen in willekeurige eenheden worden beschouwd.

Door ATP-hydrolyse geïnduceerde activiteit zorgt ervoor dat aan actine gebonden myosine II-motoren paarsgewijze contractiele krachten produceren op actinefilamenten met omgekeerde polariteit [75]. Een dergelijk 'knijpend' krachtpatroon kan worden gemodelleerd als een krachtdipool [67,70] van grootte P die een paar gelijke en tegengesteld gerichte myosinekrachten omvat (figuur 5B,C), elk van grootte F, gescheiden door een afstand een, zodat P = F a. Twee van dergelijke contractiele actomyosine-eenheden die zich op aangrenzende bundels bevinden, kunnen mechanisch interageren door hun onderlinge vervormingen van het tussenliggende elastische medium waarmee ze in contact zijn. De kracht van een dergelijke eenheid resulteert in een elastische spanning en verplaatsing van de IVN nabij een naburige actomyosine-eenheid die zich op een aangrenzende actinebundel bevindt, die vervolgens kan reageren door te vertalen of te oriënteren in reactie op de vervorming van de IVN veroorzaakt door de eerste eenheid. Het actinefilament IVN tussen aangrenzende actinebundels (figuur 5) is een verknoopte gel en kan worden gemodelleerd als een continu, vervormbaar elastisch medium op voldoende korte tijdschalen van seconden [147] die geschikt zijn voor de lokale krachtoverdracht in ons geval. De continuümbeschrijving is geldig voor een dicht IVN (dat wil zeggen zolang de poriegrootte van het ongeordende netwerk klein is in vergelijking met de grootte van een krachtdipool), hier een actomyosine-eenheid die het myosinefilament en bijbehorende actinefilamenten omvat.

We beschouwen nu de elastische vervorming van de IVN in aanwezigheid van twee van dergelijke krachtdipolen (figuur 5B), P1 aan de oorsprong van coördinaten en P2 Bij R= (Δ, NS, 0), die twee aangrenzende myosinefilamenten op twee aangrenzende actinebundels vertegenwoordigen (georiënteerd in de x-richting) die gescheiden zijn door een dwarsafstand (in de ja-richting), NS. De overeenkomstige kracht in de x-richting uitgeoefend op de dipool P2 door de elastische IVN vanwege zijn vervorming door krachten uitgeoefend door de eerste dipool, P1, Is evenredig met P2 (en omgekeerd evenredig met de stijfheid van de IVN, E) evenals de afgeleide van het lokale spanningsveld (dat wordt berekend uit de verplaatsing in vergelijking (3.1)) veroorzaakt door P1 [74],

De kracht tussen een paar dipolen gegeven door vergelijking (6.1) is uitgezet in figuur 5NS als functie van de afstand Δ waarmee ze verkeerd zijn geregistreerd in hun onderlinge posities in de x-richting. Dit laat zien dat als Δ > 0, dat wil zeggen P2 is verschoven van P1 in één richting, dan de kracht van het medium op P2 (zie vergelijking (6.1)), vanwege de vervormingen veroorzaakt door P1, werkt in de tegenovergestelde richting, d.w.z.het duwt P2 in het negatieve x-richting, naar Δ = 0. Dit toont aan dat de door vervorming geïnduceerde mechanische interacties tussen dipolen in deze eenvoudige geometrie de neiging hebben om ze te registreren. De interactie van een dipool met een aangrenzende periodieke reeks dipolen die parallel zijn gerangschikt (die myosinefilamenten vertegenwoordigen langs een spanningsvezel of een transversale boog) resulteert in een periodiek krachtprofiel dat deze in register brengt met de naburige array (figuur 5e). (De voorkeursposities voor myosinefilamenten zijn die zonder kracht van het medium en komen overeen met ruimtelijke registratie, Δ = 0.) De details achter deze theorie zijn afgeleid in verband met de registratie van sarcomeren [62,70]. De door vervorming geïnduceerde kracht in de lengterichting (langs de spanningsvezel) kan het schuiven van twee verschillende stapels myosinefilamenten in wederzijdse registratie verklaren, zoals waargenomen door Hu et al. [117].

We kunnen ook de kracht op . berekenen P2 in de richting dwars op de parallelle bundels (spanningsvezels), d.w.z. ja-richting, vanwege de elastische vervorming van de IVN door P1. De resulterende uitdrukking voor de dwarskracht is

De fysieke oorsprong van deze krachten is de neiging van het passieve, tussenliggende elastische medium om zijn vervormingen te minimaliseren als reactie op de actieve, ATP-afhankelijke contractiele krachten die worden gegenereerd door de actomyosinedipolen. Het plaatsen van een contractiele dipool in een gebied waar het medium al is geëxpandeerd door de andere dipolen, vermindert de algehele vervorming van het medium. De samentrekkende krachten die door de twee dipolen worden uitgeoefend, vervormen de elastische IVN en worden overal lokaal gecompenseerd door de elastische herstelkrachten van de IVN die mechanische vervormingen weerstaan. Dit lokale evenwicht impliceert echter niet noodzakelijk een globaal mechanisch evenwicht (minimale elastische energie) van het systeem van dipolen plus medium. Bovendien zijn de contacten van de actomyosinekrachtdipolen met de IVN onderhevig aan dynamisch veranderende, stochastische krachten als gevolg van de thermische en moleculaire fluctuaties binnen de actine IVN, evenals deterministische krachten die voortvloeien uit de neiging van het elastische medium om vervorming te weerstaan. De stochastische krachten zorgen voor lokale herschikkingen van de dipolen, terwijl de deterministische krachten uiteindelijk - soms aanzienlijk langer dan die gerelateerd aan moleculaire omzet - resulteren in translaties van de dipolen op een manier die de globale vervorming van het medium vermindert (hier, de IVN) . Dit gebeurt wanneer de dipolen in naburige bundels in register zijn, zoals we hierboven hebben aangetoond. De recentelijk aangetoonde belastingafhankelijke veranderingen in de bindingslevensduur van myosine aan actine [148] kunnen in principe de mate van myosinestapeling beïnvloeden.

Een reden waarom de myosinestapeling verloren gaat wanneer actinepolymerisatie/depolymerisatie wordt onderdrukt, kan te maken hebben met de noodzaak voor translocatie van myosinefilamenten langs de actinebundels/netwerken. Om ervoor te zorgen dat deze actomyosine-elementen in register komen en zo een mechanisch evenwicht bereiken met hun aangrenzende bundels, moeten actinefilamenten in een bundel aan het ene uiteinde van het myosinefilament depolymeriseren en aan het andere polymeriseren, tenzij dat gebeurt, worden de myosinefilamenten sterisch gehinderd om verplaatsen en register kunnen niet plaatsvinden. Aangezien actinepolymerisatie/depolymerisatie ook stochastisch is, suggereert dit dat de tijdschalen die nodig zijn voor nettobeweging in de richting die nodig is voor stapelen behoorlijk lang kunnen zijn, wat consistent is met de waargenomen stapeltijden van ongeveer tientallen minuten [117] voor myosinen die moeten verplaats ongeveer 1 µm naar het register. In het bijzonder verloopt de depolymerisatie van actine bij ongeveer 1 nm s 1 [75], zodat dit over de gehele lengte van de actomyosine-eenheid met een lengte van ongeveer 1 µm duizenden seconden (tientallen minuten) zal vergen.

In tegenstelling tot de hierboven beschreven door vervorming geïnduceerde krachten, kunnen processen zoals de expansie van myosinefilamenten door splitsing of de preferentiële assemblage van meerdere filamenten dicht bij elkaar [115,116] inderdaad de initiële vorming van filamentstapels verklaren. Zoals hierboven al is besproken, is het echter helemaal niet duidelijk dat een dergelijke initiële configuratie kan worden gehandhaafd ondanks een verscheidenheid aan ontregelende krachten in het cytoskelet - willekeurige moleculaire schaal en motoraangedreven ruis, evenals fluctuaties van het actine door polymerisatie / depolymerisatieprocessen. De interacties tussen myosinefilamenten via IVN bieden een plausibel mechanisme voor de waargenomen lange-afstandsbewegingen van myosinefilamenten om stapels te assembleren ver van hun punt van initiële vorming [117] het is ook robuust tegen de aanwezigheid van ruis, die echter de kans dat de myosinepositie ten opzichte van die in een naburige spanningsvezel wordt bepaald door de kracht. Lokale expansiegebeurtenissen [115,116] kunnen samenwerken met een langetermijnmechanisme zoals we hier beschrijven. Verdere experimenten zullen nodig zijn om de effecten van deze verschillende mechanismen te ontrafelen. Genetische verstoringen die de mate van verknoping en dichtheid van het tussenliggende netwerk variëren, kunnen een test zijn voor het effect van mechanische interacties. Een ander mogelijk bewijs zou de afhankelijkheid zijn van de stapeling van myosinefilamenten op de stijfheid van het substraat in cellen die zijn gekweekt op meegevende substraten.

7. Slotopmerkingen

Hier hebben we enkele aspecten besproken over de opkomst van een sterk geordende organisatie van myosine II-filamenten in dwarsgestreepte spier- en niet-spiercellen. Cross-gestreepte spieren vertonen het hoogste niveau van orde-kristalachtige organisatie van de myosine-, actine- en titinefilamenten. Recente onderzoeken hebben aangetoond dat myosine II-filamenten in niet-spiercellen ook relatief goed geordende structuren vormen, zoals myosinefilamentstapels geassocieerd met actinebundels in interfasecellen, de contractiele ring in delende cellen of adhesiebanden in cellen die cadherine-gemedieerde vormen. cel-cel verbindingen. De mechanismen die betrokken zijn bij het opzetten en onderhouden van een dergelijke organisatie zijn divers en omvatten interacties van myosine II-moleculen met elkaar, met de actinefilamenten en met een verscheidenheid aan accessoire-eiwitten die actine- en myosinefilamentassemblage en verknoping reguleren. In deze review hebben we ons gericht op een basisproces dat een gemeenschappelijke noemer kan zijn van deze zelfgeorganiseerde structuren: mechanische krachten over lange afstand tussen actief contractiele eenheden (krachtdipolen) ingebed in een elastisch medium.

Eerdere studies hebben aangetoond dat de vorming van strepen die overeenkomen met geregistreerde sarcomere structuren in nieuw gevormde myotubes [63] en embryonale cardiomyocyten [64] beter wordt vastgesteld op substraten met een optimale, gemiddelde stijfheid dan op substraten die te zacht of te rigide zijn. Dit wordt bevestigd door in vivo experimenten die aantonen dat mechanische krachten door de hele spiervezel heen nodig zijn om de reguliere myofibrillen te assembleren tijdens de vroege spierontwikkeling [49]. De waarneming van een optimale substraatstijfheid werd met succes verklaard door een theorie die aannam dat sarcomere contractiele elementen (krachtdipolen) effectief met elkaar interageren via het substraat waarmee ze verbonden zijn via de costamere adhesies.

Niet-spiercellen vormen ook geordende actomyosinebundelarrays op een matrixstijfheidsafhankelijke manier [72,149,150]. Er worden echter goed geordende myosinestapels gevormd, zelfs in cellen die zijn bevestigd aan zeer stijve substraten (glazen dekglaasjes), die geen elastische interacties tussen contractiele elementen kunnen mediëren. Daarom hebben we hier de theorie uitgebreid met individuele niet-spier myosine II-filamenten (in plaats van sarcomeren) als krachtdipolen en het ongeordende, intracellulaire interveniërende actinenetwerk (in plaats van het substraat) als het krachtoverbrengende, elastische medium. Deze theorie verklaart kwalitatief de vorming van geregistreerde organisatie van de myosine II-filamenten in niet-spiercellen.

Hedendaagse modellen van myofibrillogenese suggereren dat myofibrillen worden gevormd uit voorlopers, de periodieke actomyosinestructuren die niet-spier myosine II-filamentarrays omvatten [151.152]. De vorming van dergelijke voorloperstructuren kan verlopen, vergelijkbaar met de vorming van myosine II-stapels in niet-spiercellen, via interacties van myosinefilamenten met het tussenliggende actinenetwerk. Dus zelforganisatie van myosine II-filamenten aangedreven door effectieve, aantrekkende krachten ertussen (vanwege hun onderlinge vervormingen van het tussenliggende actinenetwerk) kan een algemeen mechanisme zijn dat de organisatie van actomyosinesystemen aandrijft.

Dit mechanisme kan samenwerken met andere mechanismen die gebaseerd zijn op directe of indirecte moleculaire interacties tussen myosinefilamenten. Hoewel de hulpmoleculen die verantwoordelijk zijn voor de vorming van dikke filamenten en hun reeksen in dwarsgestreepte spieren bekend zijn, is onze kennis van moleculen met vergelijkbare functies in niet-spiercellen beperkt. Factoren die de assemblage en demontage van niet-spier myosinefilamenten reguleren en in het bijzonder de duplicatie of partitionering van dergelijke filamenten [115,116] vereisen uiteraard verder onderzoek.

Ten slotte zouden de processen van vorming van myosinestapels ten grondslag kunnen liggen aan de wereldwijde zelforganisatie van het gehele actomyosine-cytoskelet in cellen. Hoewel de vorming van de actinefilamentarrays zoals spanningsvezels of transversale bogen duidelijk afhangt van actinepolymerisatie en verknoping, is het algemeen bekend dat remming van de myosinefilamentassemblage en/of activiteit resulteert in desintegratie van deze arrays. We veronderstellen dat mechanische krachten tussen myosinefilamenten een belangrijke rol spelen bij de organisatie en het onderhoud van deze structuren. Een interessante vraag is hoe de geordende organisatie van actomyosinebundels de algehele celcontractiliteit beïnvloedt. In de hartspier hebben meer geregistreerde myofibrillen de neiging om samen te slaan [76], wat grotere kloppende krachten genereert, maar verder onderzoek is nodig naar de relatie tussen stapeling van myosinefilamenten en contractiliteit in niet-spiercellen. De functies van geordende organisatie van myosine II-filamenten in de contractiele ring [115] en adhesieriem [131,132] zijn ook niet duidelijk en bieden een interessante mogelijkheid voor toekomstig onderzoek. Al met al opent de ontdekking van een wereldwijd geordende organisatie van myosine II-filamenten in niet-spiercellen een nieuwe pagina die ons experimentele en theoretische begrip van het niet-spierige actomyosine-cytoskelet uitdaagt.

Toegankelijkheid van gegevens

Dit artikel bevat geen aanvullende gegevens.

Concurrerende belangen

We verklaren dat we geen concurrerende belangen hebben.

Financiering

FS erkent de steun van de CNRS, de Europese Onderzoeksraad onder het Zevende Kaderprogramma van de Europese Unie (FP/2007-2013)/ERC Grant 310939, het excellentie-initiatief Aix-Marseille University AMIDEX, de ANR-ACHN en de LabEX-INFORM. S.S. erkent de financiering van de Israel Science Foundation, de US-Israel Binational Science Foundation en de familiestichtingen Villalon en Perlman. SS en K.D. erkent dankbaar eerdere samenwerkingen met B. Friedrich, D. Discher en S. Majkut. KD erkent steun van de University of Chicago Materials Research Science and Engineering Center, gefinancierd door de National Science Foundation onder toekenningsnummer DMR-1420709. ADB erkent de steun van de National Research Foundation, het kabinet van de premier, Singapore en het ministerie van Onderwijs in het kader van het programma Research Centres of Excellence (ref nr. R-714-006-006-271). ADB neemt ook deel aan het EU Horizon 2020 InCeM-project onder de Marie Sklodowska-Curie-subsidie ​​nr. 642866 en Maimonides-programma over mechanische transductie en integratieve biologie, ondersteund door het Ministerie van Wetenschap, Technologie en Ruimte, Israël, en het Ministerie van Buitenlandse Zaken en het Ministerie van Hoger Onderwijs en Onderzoek van Frankrijk.


↵ ¶ Aan wie correspondentie moet worden gericht aan: Department of Biology, San Diego State University, 5500 Campanile Drive, Life Sciences 371, San Diego, CA 92182-4614. E-mail: sbernstzonnesteek.sdsu.edu .

↵ † Huidig ​​adres: Cardiovascular Branch, National Heart, Lung, and Blood Institute, National Institutes of Health, Building 10-CRC, Room 5-3288, 10 Center Drive, Bethesda, MD 20892.

↵ § Huidig ​​adres: Afdeling Biologie, Rensselaer Polytechnic Institute, 110 8th Street, Troy, NY 12180.

Deze paper is rechtstreeks (Track II) ingediend bij het PNAS-kantoor.

Afkortingen: IFM, indirecte vliegspier pCa, -log10 calciumconcentratie p.m, paramyosine transgen pm S10A , p.m met Ser-10 vervangen door Ala pm S18A , p.m met Ser-18 vervangen door Ala pm S-A3 , p.m met Ser-10, -13 en -18 vervangen door Ala pm S-A4 , p.m met Ser-9, -10, -13 en -18 vervangen door Ala prm 1 , paramyosine functionele nulmutant.


Bekijk de video: Parts of the Sarcomere (December 2021).