Quantum Tunneling Explained

Пересування без м'язів чи моторів

Білою кров’ю, що переслідує бактерію, або фібробластом, який загоює рану, не плаває і немає ніжок — воно ковзає, а двигун, що забезпечує це ковзання, не є жодним м'язовим мотором, а скоріше постійне, спрямоване збирання та розбирання окремого білка: актину. На передньому краю клітини мономери актину полімеризуються з достатньою швидкістю, щоб фізично штовхати клітинну мембрану вперед, і ця симуляція безпосередньо відображає цей процес — щільний, постійно оновлюваний мереживо актинових волокон, що росте на передньому боці коружної клітини.

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Тредмілінг: ріст на одному кінці, стиснення на іншому

Актинові волокна є полірними – мають структурні відмінності на своїх двох кінцях, які називаються гострокінцевим (плюсовим) та зазубреним (мінусовим). Вільні актинові мономєри (G-актин, зв’язаний з АТФ) переважно додаються до гострокінцевого кінця; на мінусовому кінці відпадають старіші суб'юніти (з якого вже гідролізувався АТФ до АДФ) переважно. Коли швидкість додавання до гострокінцевого кінця відповідає швидкості втрат на мінусовому кінці, загальна довжина волокна залишається постійною, незважаючи на те, що кожен окремий суб'юнiт мігрує з одного кінця волокна на інший – процес, який називається тредмілінгом. Для циклічного переходу одного мономера потрібно гідролізувати один АТФ, що є реальною енергетичною витратою актиноміоцитоскелетного цитоскелету під час руху.

barbed (+) end:  fast ATP-actin monomer addition   (growth)
pointed (-) end: slow ADP-actin monomer loss        (disassembly)

net filament length ~ constant when addition rate ~ loss rate,
but individual subunits flow continuously from + end to - end

Біоротація: як ріст стає імпульсом

Полімеризація сама по собі не пояснює, як волокно штовхає мембрану – жорстка паличка, що росте проти стінки, просто зупиняється, заблокована. Рішення полягає в моделі біоротації (Peskin, Odell and Oster, 1993): мембрана не є статичною, вона постійно збувається від теплового (Браунівського) руху, гнутися вперед і назад на мікрометри. Більшість часу цей проміжок занадто малий для того, щоб інший актиновий мономер приєднався до кінця волокна. Але коли випадкове теплове флуктуація відкриває проміжок трохи більший ніж ~2,7 нм, доданий одним мономером, новий суб'єкт може приєднатися перед тим, як мембрана повернеться у вихідне положення – і після того, як він приєднався, цей суб’єкт є жорсткою балою, що запобігає мембрані повертатися настільки далеко, наскільки вона почала. Мембрану ефективно «ротирують» вперед, по одному мономеру в ширину, коригуючи свій випадковий тепловий рух замість того, щоб волокно здійснювало механічний імпульс у звичайному розумінні цього слова.

Гілкування: комплекс Arp2/3 та дендритна мережа

Одинокий волокноподібний утворення, що росте за допомогою механізму «роторного ратування» Брунова, створює слабку, легко деформовану силу. Натомість справжні ламеллопідії – плоскі, листкоподібні передні краї пересувної клітини – формують щільний, самопідсилюючий мережеподібний каркас за допомогою комплексу Arp2/3, який зв’язується з боком існуючого актинового волокна та ініціює утворення нового відгалуження, що відходить від нього під кутом приблизно 70 градусів. Кожне нове відгалуження стає шаблоном для подальшого гілкування, створюючи «тредміллінгову» дендритну мережу – назва взята безпосередньо з її подібності до розгалуженого дерева – достатньо щільну, щоб багато кінців волокон одночасно тиснули на мембрану, розподіляючи навантаження та роблячи весь передній край механічно міцним, щоб він рухався узгоджено, а не деформувався.

Фіксація тиску: фокальні адгезії

Механізм, що штовхає мембрану вперед, нічого не дає для цілоочасної транслокації клітини, якщо решта клітини не має чого зафіксувати — інакше клітина просто штовхатиме свою передню частину вперед, а задню – назад на таку ж відстань, без будь-якого прогресу. Фокальні адгезії є фіксатором: транслемонні інтегрини, які зв’язують актиновий мережу всередині клітини з екстрацелюлярною матрицею зовні в окремих точках біля переднього краю. З утриманням актинової мережі переднього краю до субстрату, рух, що виникає завдяки полімеризації, на кінчику перетворюється на транслокацію всього тіла клітини замість чисто локальної хвилі мембрани. Фокальні адгезії біля заднього краю повинні відмовлятися, щоб задню частину клітини тягнули вперед, координовано товшнею міозином-II, що генерує напругу в актиновій мережі всередині клітини – це цикл проростання з боку переднього краю, прилипання, скорочення та відшаровування з боку заднього краю, який повторюється безперервно.

Часті запитання

Якщо волокно постійно додає суб'юніти, чому клітина не росте безперервно?", "a": "Загальна довжина волокна може залишатися приблизно сталою, навіть коли воно рухається вперед, оскільки додавання мономерів на швидко зростаючому загостреному кінці збалансоване втратою мономерів із повільного кінця - це тремтіння. Важливо не довжина волокна, а потік суб'юнітів через волокно, який виконує механічну роботу."

The filament's total length can stay roughly constant even as it drives forward motion, because monomer addition at the fast-growing barbed end is balanced by monomer loss at the slow pointed end - treadmilling. It's the flux of subunits through the filament, not the filament's own length, that does the mechanical work.

Як зростаючий полімер генерує силу, що штовхає мембрану?", "a": "Через механізм ‘Brownian ratchet’ (Бродівського «ролика»): мембрана постійно збуджується тепловим рухом, і коли цей випадковий збудження тимчасово відкриває достатньо велику щілину, новий актиновий мономер вставляється на кінчик волокна до того, як мембрана може повернутися. Цей щойно доданий мономер твердий, тому він фіксує позицію вперед – випадковий тепловий рух перетворюється на чисту пряму прогрес, по одному ширині мономера."

Via the Brownian ratchet mechanism: the membrane is constantly jiggled by thermal motion, and whenever that random jiggling briefly opens a gap wide enough, a new actin monomer slots into place at the filament tip before the membrane can flex back. That newly added monomer is rigid, so it locks in the forward position - random thermal motion gets rectified into net forward progress, one monomer-width at a time.

Для чого ж фактично служить комплекс Arp2/3?", "a": “Він ініціює нові актинові волокна, що відгалужуються від боків існуючих, під фіксованим кутом приблизно 70 градусів, перетворюючи окремо слабкі та схильні до згинів поодинокі волокна на щільну, самопідтримувану розгалужену мережу. Ця розгалужена мережа достатньо міцна, щоб багато кінців волокон штовхали мембрану вперед разом, що дає реальному ламелліподіму свою узгоджену лідируючу край, а не розкид окремих кінців волокон."

It nucleates new actin filaments branching off the side of existing ones at a fixed ~70 degree angle, converting individually weak, buckle-prone single filaments into a dense, self-reinforcing branched meshwork. That branched network is mechanically stiff enough for many filament tips to push the membrane forward together, which is what gives a real lamellipodium its coherent leading edge rather than a scattering of individual filament tips.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Cell Motility і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію Cell Motility