MIKROFILAMENTER: EGENSKABER, STRUKTUR, FUNKTIONER, PATOLOGI - BIOLOGI - 2025

De mikrofilamenter eller actinfilamenter, er en af de tre vigtigste komponenter i cytoskelettet af eukaryote celler (mikrofilamenter, mikrotubuli og intermediære filamenter) og er sammensat af små filamenter af et protein kaldet actin (actin polymerer).

I eukaryoter er generne, der koder for actinmikrofilamenter, meget konserverede i alle organismer, hvorfor de ofte bruges som molekylære markører til undersøgelser af forskellige slags.

Fotografi af actinfilamenterne i en cellefarvet (Kilde: Howard Vindin via Wikimedia Commons)

Mikrofilamenter er distribueret over hele cytosolen, men de er især rigelige i regionen, der ligger bag plasmamembranen, hvor de danner et komplekst netværk og forbinder med andre specielle proteiner til dannelse af cytoskelettet.

Mikrofilamentnetværkene i cytoplasma fra pattedyrceller kodes for to af de seks gener beskrevet for actin, som er involveret i dynamikken i mikrofilamenter og er endda meget vigtige under differentieringen af ​​stamceller.

Mange forfattere er enige om, at mikrofilamenter er de mest forskellige, alsidige og vigtige proteiner i cytoskelettet af de fleste eukaryote celler, og det er vigtigt at huske, at disse ikke findes i prokaryote mikroorganismer.

I denne type celler er derimod filamenter, der er homologe med mikrofilamenter, men som består af et andet protein: MreB-proteinet.

På nuværende tidspunkt antages genet, der koder for dette protein, at være et muligt forfædeligt gen til actin i eukaryoter. Sekvenshomologien for aminosyrerne, der udgør MreB-proteinet, er imidlertid kun 15% med hensyn til actinsekvensen.

Da de er en grundlæggende del af cytoskelettet, kan enhver fænotypisk defekt i både mikrotubuli og mellemfilamenter og actinmikrofilamenter (cytoskelet) forårsage forskellige cellulære og systemiske patologier.

Egenskaber og struktur

Mikrofilamenter består af actinfamilieproteinmonomerer, som er meget rigelige kontraktile proteiner i eukaryote celler, da de også deltager i muskelkontraktion.

Disse filamenter har en diameter mellem 5 og 7 nm, og derfor er de også kendt som tynde filamenter og består af to former for actin: den kugleformede form (G actin) og den trådformede form (F actin).

Proteinerne, der deltager i cytoskelettet, er kendt som y- og ß-aktiner, mens de, der deltager i kontraktion, normalt er α-aktiner.

Andelen af ​​globulær aktin og filamentøs aktin i cytosolen afhænger af de cellulære behov, da mikrofilamenter er meget varierende og alsidige strukturer, som konstant vokser og forkortes ved polymerisation og depolymerisation.

G actin er et lille kugleformet protein, der består af næsten 400 aminosyrer og med en molekylvægt på omkring 43 kDa.

G-actin-monomererne, der udgør mikrofilamenterne, er arrangeret i form af en spiralformet streng, da hver gennemgår en drejning, når den er knyttet til den næste.

G actin associeres med et molekyle Ca2 + og et andet af ATP, der stabiliserer dets kugleform; mens F-actin opnås efter hydrolyse af det terminale phosphat af ATP-molekylet til G-actin, hvilket bidrager til polymerisation.

Organisation

Actin-filamenter kan organiseres i "bundter" eller "netværk", der har forskellige funktioner inden for celler. Bundterne danner parallelle strukturer, der er forbundet med ret stive krydsbroer.

Netværk er på den anden side løsere strukturer, ligesom tredimensionelle masker med egenskaber som halvfaste geler.

Der er mange proteiner, der er forbundet med actinfilamenter eller mikrofilamenter og er kendt som ABP (actinbindende proteiner), som har specifikke steder til det.

Mange af disse proteiner tillader mikrofilamenter at interagere med de to andre komponenter i cytoskelettet: mikrotubulier og mellemliggende filamenter såvel som med de andre komponenter på den indvendige side af plasmamembranen.

Andre proteiner, som mikrofilamenter interagerer med, inkluderer nukleære laminae og spektrin (i røde blodlegemer).

Hvordan dannes aktinfilamenter?

Da globulære aktinmonomerer altid binder på samme måde, orienteret i samme retning, har mikrofilamenter en defineret polaritet med to ender: en "mere" og en "mindre".

Polariteten i disse filamenter er meget vigtig, da de vokser betydeligt hurtigere ved deres positive ende, hvor de nye G-actin-monomerer tilføjes.

Grafisk repræsentation af dannelsen af ​​actinmikrofilamenter (Kilde: derivatarbejde: Retama (tale) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström via Wikimedia Commons)

Den første ting, der finder sted under polymerisationen af ​​actinfilamenter er en proces, der er kendt som "nucleation", som består af forbindelsen af ​​tre monomerer af proteinet.

Nye monomerer føjes til denne trimer i begge ender, så filamentet vokser. G-actin-monomerer er i stand til at hydrolysere ATP med hver binding, hvilket har konsekvenser for polymerisationshastigheden, da actin-ATP-dele dissocierer med større vanskelighed end actin-ADP-dele.

ATP er ikke nødvendig for polymerisation, og den specifikke rolle af dens hydrolyse er endnu ikke blevet belyst.

Nogle forfattere mener, at da aktinpolymerisationsbegivenheder hurtigt er reversible, kan ATP, der er forbundet med disse processer, udgøre op til 40% af den samlede cellulære omsætning af dette energiske molekyle.

Regulering

Både polymerisation af actinfilamenter og deres depolymerisation er processer, der er stærkt reguleret af en række specifikke proteiner, der er ansvarlige for ombygningen af ​​filamenterne.

Eksempler på proteiner, der regulerer depolymerisation, er actin-depolymerisationsfaktoren cofilin. Et andet protein, profilin, har en modsat funktion, da det stimulerer foreningen af ​​monomerer (ved at stimulere udvekslingen af ​​ADP til ATP).

Funktioner

Mikrofilamenter interagerer med myosinfilamenter, der er forbundet med transmembranproteiner, der har et domæne i cytosolen og et andet i cellen udvendigt, og derved deltager i processerne med cellemobilitet.

Disse mikrofilamenter, der er forbundet med plasmamembranen, formidler forskellige cellulære reaktioner på forskellige klasser af stimuli. For eksempel drives celleadhæsion i epitelvæv af transmembranproteiner kendt som cadheriner, som interagerer med mikrofilamenter for at rekruttere responsfaktorer.

Actin-filamenter interagerer med mellemliggende filamenter for at forårsage, at ekstracellulær stimuli overføres til nøgleplaceringer, såsom ribosomer og kromosomer i kernen.

Repræsentation af den intracellulære motoriske funktion af actinmikrofilamenter (Kilde: Boumphreyfr via Wikimedia Commons)

En klassisk og meget studeret funktion af mikrofilamenter er deres evne til at danne "broer", "skinner" eller "motorveje" til bevægelse af motorprotein myosin I, som er i stand til at indlæse transportvesikler fra organeller til membranen. plasma i sekretorveje.

Mikrofilamenter interagerer også med myosin II for at etablere den kontraktile ring, der dannes under cytokinesis, netop under det sidste trin i celledeling, hvor cytosolen adskilles fra stam- og datterceller.

Generelt modulerer F-actin-mikrofilamenter fordelingen af ​​nogle organeller, såsom Golgi-komplekset, endoplasmatisk retikulum og mitokondrier. Desuden deltager de også i den rumlige positionering af mRNA'er, så de læses af ribosomer.

Hele det cellulære sæt mikrofilamenter, især dem, der er tæt knyttet til plasmamembranen, deltager i dannelsen af ​​de bølgende membraner af celler, der har en konstant aktiv bevægelse.

De er også involveret i dannelsen af ​​mikrovilli og andre almindelige buler på overfladen af ​​mange celler.

Eksempel på funktioner i leveren

Mikrofilamenter deltager i processen med galdesekretion i hepatocytter (leverceller) og også i peristaltiske bevægelser (koordineret sammentrækning) i leverkanalen.

De bidrager til differentiering af plasmamembrandomæner takket være deres tilknytning til forskellige cytosoliske elementer og den kontrol, de udøver over topografien af ​​disse intracellulære elementer.

Relaterede patologier

Der er få sygdomme forbundet med primære defekter i strukturen eller med regulatoriske proteiner og enzymer i syntesen af ​​mikrofilamenter, på trods af det faktum, at disse er direkte involveret i et stort antal funktioner.

Den lave hastighed af sygdomme og misdannelser i den primære struktur af mikrofilamenter skyldes det faktum, at der generelt er flere gener, der koder for både actin og dets regulatoriske proteiner, et fænomen kendt som "genetisk redundans".

En af de mest studerede patologier er forglasning af oocytter på deres cytoskelet, hvor der ses en afbrydelse i netværket af kortikale mikrofilamenter, samt en depolymerisation og uorganisering af mikrotubulierne i den mitotiske spindel.

Generelt forårsager denne forglasning en kromosomal spredning, da den fører til et hæmning i komprimeringen af ​​al kromatin.

De celler, der har en større organisering og andel af mikrofilamenter i deres cytoskelet, er cellerne i den stribede muskel, derfor er de fleste af patologierne forbundet med en funktionsfejl i det kontraktile apparat.

Defekte eller atypiske mikrofilamenter er også blevet forbundet med sygdommen i knoglerne kendt som Pagets sygdom.

Referencer

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., & Vicente-Manzanares, M. (2017). Mikrofilament-koordineret vedhæftningsdynamik driver migration af enkeltceller og former hele væv. F1000Forskning, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Actinbindende proteiner: regulering af cytoskeletale mikrofilamenter. Fysiologiske anmeldelser, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, E. (2018). Hjertelighed ved synkronisering af aktiverede mikrofilamenter. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., & Vacanti, JP (Eds.). (2011). Principper for vævsteknik. Akademisk presse.
5. Robbins, J. (2017). Sygdomme i cytoskelettet: Desminopatierne. I hjerte-myeletier hos børn og unge voksne (s. 173-192). Academic Press.