ACTIN: EGENSKABER, STRUKTUR, FILAMENTER, FUNKTION - BIOLOGI - 2025

Den actin er et cytosolisk protein, der danner mikrofilamenter. I eukaryoter er actin et af de mest rigelige proteiner. For eksempel repræsenterer det 10 vægt% af det totale protein i muskelceller; og mellem 1 og 5% af proteinet i ikke-muskelceller.

Dette protein danner sammen med de mellemliggende filamenter og mikrotubulier cytoskelettet, hvis hovedfunktion er mobilitet af cellen, opretholdelse af celleform, celledeling og bevægelse af organeller i planter, svampe og dyr.

Kilde: Sarcomere.svg: David Richfield (Slashme-bruger) afledt arbejde: Retama

Isoformerne af actincytoskelettet har forskellige funktioner, såsom: regulering i udviklingen af ​​aktiv spænding i glat muskel, cellecyklus, udvikling af embryo, vævsudvikling og sårheling.

Fra et evolutionært synspunkt er actin et stærkt konserveret protein. Der er ca. 90% sekvenshomologi i forskellige arter. I encellede organismer koder et enkelt gen for en actinisoform. Mens der i multicellulære organismer koder forskellige gener for flere isoformer af actin.

Actin var sammen med myosin afgørende strukturer i den evolutionsudvikling af eukaryote organismer og i deres diversificering, da de muliggjorde bevægelse i fravær af andre strukturer, såsom flagella og cilia.

Struktur: aktinfilamenter

Actin er et kugleformet enkeltkædet polypeptidprotein. I muskler har actin en molekylmasse på ca. 42 KDa.

Dette protein har to domæner. Hver har to underdomæner og et mellemrum mellem domænerne. ATP - Mg ⁺² binder til bunden af ​​spaltet. Amino- og carboxylterminerne mødes ved underdomæne 1.

Actin G og actin F

Der er to hovedformer af actin: actinmonomeren, kaldet G-actin; og en filamentøs polymer, der består af G-actin-monomerer, kaldet F-actin. Actin-filamenter, observeret ved elektronmikroskopi, har smalle og brede områder, henholdsvis 7 nm og 9 nm i diameter.

Langs glødetråden danner actinmonomerer en tæt pakket dobbelt helix. En gentagende enhed langs filamentet består af 13 helixer og 28 aktinmonomerer og har en afstand på 72 nm.

Aktintråden har to ender. Den ene dannes af mellemrummet, der forbinder ATP - Mg ⁺², som er placeret i samme retning i alle aktinmonomerer i filamentet, kaldet (-) enden; og den anden ende er det modsatte, kaldet (+) enden. Derfor siges actin-filamentet at have polaritet.

Disse komponenter er ofte kendt som mikrofilamenter, da de er komponenterne i cytoskelettet med den mindste diameter.

Hvor finder vi aktin?

Actin er et ekstremt almindeligt protein i eukaryote organismer. Af alle cellulære proteiner udgør actin ca. 5-10% - afhængigt af celletypen. I leveren har for eksempel hver af de celler, der udgør den, næsten 5,10 ⁸ actinmolekyler.

egenskaber

De to former for actin, monomer og filament, er kontinuerligt i en dynamisk balance mellem polymerisation og depolymerisation. Generelt er der tre fremtrædende karakteristika ved dette fænomen:

1) Actinfilamenter er typiske for strukturen i muskelvæv og cytoskelettet af eukaryote celler.

2) Polymerisation og depolymerisation er en dynamisk proces, der er reguleret. Hvor polymerisationen eller aggregeringen af ​​G - ATP - Mg ^+2- aktinmonomerer forekommer i begge ender. Hvorvidt denne proces opstår afhænger af miljøbetingelserne og de regulatoriske proteiner.

3) Dannelsen af ​​bundter og retikler, der udgør actin-cytoskelettet, giver styrke til cellemobilitet. Dette afhænger af proteiner, der er involveret i dannelsen af ​​tværbindinger.

Funktioner

Muskelsammentrækning

Den funktionelle og strukturelle enhed af skeletmuskulaturen er sarkomeren, der har to typer filamenter: de tynde filamenter, der er dannet af actin, og de tykke filamenter, der er dannet af myosin. Begge filamenter er arrangeret skiftevis på en nøjagtig geometrisk måde. De tillader muskelsammentrækning.

De tynde filamenter er forankret til regioner, der kaldes Z-skiver. Dette område består af et netværk af fibre, i hvilket CapZ-proteinet findes, og hvortil enderne (+) af actinfilamenterne er forankret. Dette anker forhindrer depolymerisering af (+) enden.

På den anden side er tropomodulin placeret i (-) enderne af actinfilamenter og beskytter dem mod depolymerisation. Foruden actin har tynde filamenter tropomyosin og troponin, som fungerer til at kontrollere actomyosin-interaktioner.

Hvordan forekommer muskelsammentrækning?

Under muskelsammentrækning udfører de tykke filamenter svingbare bevægelser og trækker de tynde filamenter mod midten af ​​sarkomeren. Dette får grove og tynde fibre til at glide.

Således forbliver længden af ​​de tykke og tynde filamenter konstant, men overlapningen mellem begge filamenter øges. Længden af ​​sarkomeren mindskes på grund af forankring af tynde filamenter til Z-skiverne.

Hvordan stopper du muskelsammentrækning?

ATP er energiens valuta. Derfor er det næsten altid tilgængeligt i levende muskelvæv. Under hensyntagen til ovenstående skal der være mekanismer, der tillader afslapning af muskler og arrestering af sammentrækninger.

To proteiner, kaldet tropomyosin og troponin, spiller en grundlæggende rolle i dette fænomen. Disse arbejder sammen for at blokere myosins bindingssteder (således at forhindre, at det bindes til actin). Som et resultat slapper musklen af.

Omvendt, når et dyr dør, oplever det et fænomen kendt som rigor mortis. Den person, der er ansvarlig for denne hærdning af liget, er blokeringen for samspillet mellem myosin og actin kort efter dyrets død.

En af konsekvenserne af dette fænomen er behovet for ATP for frigivelse af de to proteinmolekyler. Logisk set er der i døde væv ingen tilgængelighed af ATP, og denne frigivelse kan ikke forekomme.

Andre typer bevægelse

Den samme mekanisme, som vi beskriver (senere vil vi undersøge den mekanisme, der ligger til grund for bevægelse), er ikke begrænset til muskelkontraktioner hos dyr. Det er ansvarligt for de ameboidale bevægelser, som vi observerer i amøber og i nogle koloniale forme.

Tilsvarende drives den cytoplasmatiske bevægelse, som vi observerer i alger og i landplanter, af lignende mekanismer.

Regulering af actinfilamentpolymerisation og depolymerisation

Sammentrækning af glat muskelvæv og celler producerer en stigning i F-actin og et fald i G-actin. Actin-polymerisation forekommer i tre trin: 1) nucleation, et langsomt trin; 2) forlængelse, et hurtigt skridt; og 3) stabil tilstand. Polymerisationshastigheden er lig med depolymerisationshastigheden.

Aktintråden vokser hurtigere ved (+) enden end (-) enden. Forlængningshastigheden er proportional med koncentrationen af ​​actinmonomerer i ligevægt med actinfilamenter, kaldet den kritiske koncentration (Cc).

Cc'en for (+) enden er 0,1 uM, og for (-) enden er 0,8 uM. Dette betyder, at 8 gange mindre koncentration af actinmonomerer er påkrævet for at polymerisere (+) enden.

Actin-polymerisation reguleres hovedsageligt af thymosin beta4 (TB4). Dette protein binder G-aktin og bevarer det og forhindrer det i at polymerisere. Mens profilin stimulerer actinpolymerisation. Profilin binder til actinmonomerer, hvilket letter polymerisation ved (+) enden gennem dissociation af actin-TB4-komplekset.

Andre faktorer såsom stigningen i ioner (Na ⁺, K ⁺ eller Mg ⁺²) favoriserer dannelsen af ​​filamenter.

Dannelse af actin-cytoskelettet

Dannelsen af ​​actincytoskelettet kræver dannelse af tværbindinger mellem aktinfilamenter. Disse bindinger dannes af proteiner, hvis fremragende egenskaber er: de har actin-bindende domæner; mange har domæner homologe med calponin; og hver type protein udtrykkes i en bestemt type celle.

I filopodia og stressfibre fremstilles tværbindingerne mellem aktinfilamenter af fascina og filamin. Disse proteiner bevirker, at actinfilamenter er parallelle eller har forskellige vinkler. Aktinfilamenter definerer således cellens form.

Regionen af ​​cellen med det højeste antal actinfilamenter er placeret nær plasmamembranen. Denne region kaldes cortex. Det kortikale cytoskelet er organiseret på forskellige måder, afhængigt af celletypen, og er forbundet til plasmamembranen gennem bindende proteiner.

Nogle af de bedst beskrevne cytoskeletter er muskelceller, blodplader, epitelceller og erythrocytter. For eksempel binder det dystrophinbindende protein i muskelceller actinfilamenter til et integreret glycoproteinkompleks i membranen. Dette kompleks binder sig til ekstracellulære matrixproteiner.

Actin-myosin-interaktionshandlingsmodel

Forskerne ledet af Rayment foreslog en firetrinsmodel til at forklare interaktionen mellem actin og myosin. Det første trin sker med binding af ATP til hovederne af myosin. Denne binding genererer en konformationel ændring i proteinet og frigiver det fra actinet i det lille filament.

ATP hydrolyseres derefter til ADP og frigiver et uorganisk phosphat. Myosinmolekylet binder sig til en ny aktin-underenhed, hvilket genererer en højenergitilstand.

Frigivelsen af ​​uorganisk fosfat medfører en ændring i myosin, der vender tilbage til den indledende konformation og bevægelsen af ​​de små filamenter med hensyn til de tykke filamenter, der forekommer. Denne bevægelse forårsager bevægelse af de to ender af sarkomeren og bringer dem tættere sammen.

Det sidste trin involverer frigivelse af ADP. På dette tidspunkt er myosinhovedet frit og kan binde til et nyt ATP-molekyle.

Cellebevægelse drevet af actinpolymerisation

Gennemgang af motilitet er en type cellemobilitet. Trinene i denne type bevægelighed er: fremspring af adhæsionslederaksen mod underlaget; vedhæftning til underlaget; bagudtrækning; og adhæsion.

Fremskrivning af lederaksen kræver deltagelse af proteiner, der deltager i polymerisation og depolymerisation af actinfilamenter. Lederaksen findes i cortex, kaldet lamellipodium. Akse-projektionstrinnene er:

- Aktivering af receptorer med ekstracellulært signal.

- Dannelse af aktive GTPaser og 4,5-bisphosphatphosphoinositol (PIP ₂).

- Aktivering af WASp / ar- og Arp2 / 3-proteinerne, som binder til actinmonomerer til dannelse af grene i actinfilamenter.

- Hurtig vækst af actinfilamenter i den myosin-dekorerede ende af grenen. Membranen skubbes fremad.

- Færdiggørelse af forlængelsen produceret af pelsproteiner.

- Hydrolyse af ATP bundet til actin i ældre filamenter.

- Depolymerisation af actin-ADP af filamenterne, der fremmes af ADF / cofilin.

- Udveksling af ADP til ATP katalyseret af profilin, hvilket genererer G-ATP-aktin klar til at begynde at forlænge grene.

Aktinrelaterede sygdomme

Muskeldystrofi

Muskeldystrofi er en degenerativ sygdom i knoglemusklerne. Det er arveligt nedarvet og er knyttet til X-kromosomet, og det påvirker hovedsageligt mænd med en høj frekvens i befolkningen (en ud af hver 3.500 mænd). Disse mænds mødre er heterozygote asymptomatiske og kan muligvis ikke have en familiehistorie.

Der er to former for muskeldystrofi, Duchenne og Becker, og begge er forårsaget af defekter i dystrofingenet. Disse defekter består af sletninger, der fjerner aksoner.

Dystrophin er et protein (427 KDa), der danner tværbindinger mellem actinfilamenter. Det har et actin-bindende domæne ved N-terminalen og et membran-bindende domæne ved C-terminalen. Mellem begge domæner er der et tredje rørformet domæne, der består af 24 tandem-gentagelser.

I det muskulære kortikale retikulum deltager dystrophin i bindingen af ​​actinfilamenter til plasmamembranen gennem et glycoproteinkompleks. Dette kompleks binder også til ekstracellulære matrixproteiner.

Hos patienter, der mangler funktionel dystrophin med Duchenne muskeldystrofi, understøtter det cortikale skelet ikke plasmamembranen. Følgelig er plasmamembranen beskadiget af belastningen af ​​gentagne muskelsammentrækninger.

Referencer

1. Devlin, TM 2000. Biokemi. Redaktionel Reverté, Barcelona.
2. Gunst, SJ og Zhang, W. 2008. Actin-cytoskeletaldynamik i glat muskel: et nyt paradigme til regulering af sammentrækning af glat muskel. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Cellular and molecular biology. Redaktionel Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sao Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Principper for biokemi. WH Freeman, New York.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Actin filament remodeling by actin depolymerization factor / cofilin. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Cellular Motility Drevet af samling og adskillelse af Actin-filamenter. Cell, 112: 453-465.