AKTIN: ZNAČILNOSTI, ZGRADBA, NITKE, FUNKCIJA - BIOLOGIJA - 2026

Aktina je citosolni protein, ki tvori filamente. V evkariotih je aktin ena najbolj obilnih beljakovin. Na primer, predstavlja 10 mas.% Celotne beljakovine v mišičnih celicah; in med 1 in 5% beljakovin v ne-mišičnih celicah.

Ta protein skupaj z vmesnimi nitkami in mikrotubuli tvori citoskelet, katerega glavna funkcija je mobilnost celice, vzdrževanje oblike celic, delitev celic in gibanje organelov v rastlinah, glivah in živalih.

Vir: Sarcomere.svg: David Richfield (Slashme uporabnik) izpeljano delo: Retama

Izoforme aktinskega citoskeleta imajo različne funkcije, kot so: regulacija pri razvoju aktivne napetosti v gladkih mišicah, celični cikel, razvoj zarodkov, razvoj tkiv in celjenje ran.

Z evolucijskega vidika je aktin zelo ohranjen protein. Pri različnih vrstah obstaja približno 90% homologije zaporedja. V enoceličnih organizmih en sam gen kodira aktinsko izoformo. Medtem ko v večceličnih organizmih različni geni kodirajo več izoform aktina.

Aktin je bil skupaj z miozinom ključna struktura v evolucijski evkariontskih organizmih in pri njihovi razvejanosti, saj je omogočal gibanje v odsotnosti drugih struktur, kot so flagele in cilija.

Zgradba: aktinski filamenti

Aktin je globularni enoverižni polipeptidni protein. V mišicah ima aktin molekulsko maso približno 42 KDa.

Ta protein ima dve domeni. Vsaka ima dve poddomene in razmik med domenami. ATP - Mg ^{+2 se} veže na dno razcepa. Aminski in karboksilni termini se srečujejo v poddomeni 1.

Actin G in aktin F

Obstajata dve glavni obliki aktina: aktinski monomer, imenovan G-aktin; in nitasti polimer, sestavljen iz monomerov G-aktina, imenovanih F-aktin, Aktinovi filamenti, ki jih opazujemo z elektronsko mikroskopijo, imajo ozka in široka območja, oziroma premera 7 nm in 9 nm.

Aktinski monomeri vzdolž nitke tvorijo tesno zloženo dvojno vijačnico. Ponavljajoča se enota vzdolž nitke sestavlja 13 vijačnic in 28 aktinskih monomerov in ima razdaljo 72 nm.

Aktinova nitka ima dva konca. Ena tvori vrzel, ki se pridruži ATP - Mg ⁺² , ki se nahaja v isti smeri v vseh aktinskih monomerih nitke, imenovanih (-) konec; drugi konec pa je nasprotni, ki se imenuje (+) konec. Zato naj bi imel aktinski filament polarnost.

Te komponente so pogosto znane kot mikrofilamenti, saj so sestavni deli citoskeleta z najmanjšim premerom.

Kje najdemo aktin?

Aktin je izredno pogost protein v evkariontskih organizmih. Od vseh celičnih beljakovin ima aktin približno 5-10% - odvisno od vrste celice. Na primer, v jetrih ima vsaka celica, ki jo sestavlja, skoraj 5,10 ⁸ molekul aktina.

značilnosti

Dve obliki aktina, monomera in filamentov sta v dinamičnem ravnovesju med polimerizacijo in depolimerizacijo. Na splošno obstajajo tri značilne značilnosti tega pojava:

1) Aktinski filamenti so značilni za zgradbo mišičnega tkiva in citoskeleta evkariontskih celic.

2) Polimerizacija in depolimerizacija sta dinamičen proces, ki je urejen. Kjer pride do polimerizacije ali agregacije G-ATP - Mg ⁺² aktinskih monomerov na obeh koncih. Ali se bo ta postopek zgodil, je odvisno od pogojev okolja in regulativnih beljakovin.

3) Tvorba snopov in mrežic, ki sestavljajo citoskelet aktina, daje moč celični gibljivosti. To je odvisno od beljakovin, ki sodelujejo pri tvorbi navzkrižnih vezi.

Lastnosti

Krčenje mišic

Funkcionalna in strukturna enota skeletne mišice je sarcomere, ki ima dve vrsti filamentov: tanke nitke, ki jih tvori aktin, in debele nitke, ki jih tvori miozin. Obe nitki sta razporejeni izmenično, na natančno geometrijski način. Omogočajo krčenje mišic.

Tanke nitke so pritrjene na območja, imenovana diski Z. To območje je sestavljeno iz mreže vlaken, v katerih najdemo protein CapZ in na katerih so konci (+) aktinskih filamentov zasidrani. To sidro preprečuje depolimerizacijo (+) konca.

Po drugi strani se tropomodulin nahaja na koncih (-) aktinskih filamentov in jih ščiti pred depolimerizacijo. Poleg aktina imajo tanki filamenti še tropomiozin in troponin, ki delujeta z nadzorom aktomijozinskih interakcij.

Kako pride do krčenja mišic?

Med krčenjem mišic debela nitka izvaja vrteče gibe, vleče tanke nitke proti sredini sarcomera. Zaradi tega zdrsnejo groba in tanka vlakna.

Tako ostane dolžina debelih in tankih nitk konstantna, vendar se prekrivanje med obema nitkama poveča. Dolžina sarkomera se zmanjšuje zaradi zasidranja tankih nitk na Z diske.

Kako ustaviti krčenje mišic?

ATP je energetska valuta celice. Zato je skoraj vedno na voljo v živih mišičnih tkivih. Ob upoštevanju zgoraj navedenega morajo obstajati mehanizmi, ki omogočajo sprostitev mišice in zaustavitev kontrakcij.

Pri tem pojavu igrata temeljna vloga dva proteina, imenovana tropomiozin in troponin. Ti delujejo skupaj, da blokirajo vezna mesta miozina (s tem preprečujejo njegovo vezavo na aktin). Kot rezultat, se mišica sprosti.

Ko pa žival umre, doživi pojav, znan kot rigor mortis. Za to utrjevanje trupa je odgovorna blokada interakcije med miozinom in aktinom, kmalu po smrti živali.

Ena od posledic tega pojava je potreba po ATP za sproščanje obeh beljakovinskih molekul. Logično je, da v odmrlih tkivih ni na voljo ATP in do tega sproščanja ni mogoče.

Druge vrste gibanja

Isti mehanizem, ki ga opisujemo (kasneje se bomo poglobili v mehanizem, na katerem temelji gibanje), ni omejen na krčenje mišic pri živalih. Odgovorna je za ameboidne gibe, ki jih opazimo v amebah in nekaterih kolonialnih plesnih.

Podobno mehanizem citoplazme, ki ga opazimo v algah in kopenskih rastlinah, poganjajo podobni mehanizmi.

Uravnavanje polimerizacije aktinskih filamentov in depolimerizacije

Stiskanje gladkega mišičnega tkiva in celic povzroči povečanje F-aktina in znižanje G-aktina. Polimerizacija aktina poteka v treh stopnjah: 1) nukleacija, počasen korak; 2) raztezek, hiter korak; in 3) stabilno stanje. Hitrost polimerizacije je enaka hitrosti depolimerizacije.

Aktinski filament raste hitreje na (+) koncu kot na (-) koncu. Hitrost raztezka je sorazmerna koncentraciji aktinskih monomerov v ravnotežju z aktinovnimi nitkami, imenovanimi kritična koncentracija (Cc).

Cc za (+) konec je 0,1 uM, za (-) konec pa 0,8 uM. To pomeni, da je za polimerizacijo (+) konca potrebna 8-krat manjša koncentracija aktinskih monomerov.

Polimerizacija aktina v glavnem uravnava timozin beta4 (TB4). Ta protein veže G aktin in ga zadrži, kar preprečuje njegovo polimerizacijo. Ker profilin spodbuja polimerizacijo aktina. Profilin se veže na monomere aktina, kar olajša polimerizacijo na (+) koncu z disociacijo kompleksa aktin-TB4.

Drugi dejavniki, kot je povišanje ionov (Na ⁺ , K ⁺ ali Mg ⁺² ), so naklonjeni tvorbi nitk.

Oblikovanje aktinskega citoskeleta

Za nastanek aktinskega citoskeleta je potrebna povezava med aktinskimi nitkami. Te vezi tvorijo proteini, katerih izjemne značilnosti so: imajo aktinsko vezavne domene; mnogi imajo domene, ki so homologne kalponinu; in vsaka vrsta beljakovin se izraža v določeni vrsti celice.

Pri filopodijah in stresnih vlaknih križne vezi med aktinskimi filamenti tvorita fascina in filamin. Ti proteini povzročajo, da so aktinski filamenti vzporedni ali imajo različne kote. Tako aktinski filamenti določajo obliko celice.

Območje celice z največjim številom aktinskih filamentov se nahaja v bližini plazemske membrane. To regijo imenujemo skorja. Kortikalni citoskelet je organiziran na različne načine, odvisno od vrste celice in je povezan s plazemsko membrano preko vezivnih beljakovin.

Nekateri najbolje opisani citoskeleti so mišične celice, trombociti, epitelijske celice in eritrociti. Na primer, v mišičnih celicah se protein, ki veže distrofin, veže aktinske filamente na celoten glikoproteinski kompleks v membrani. Ta kompleks se veže na beljakovine zunajceličnega matriksa.

Akcijski model interakcije med aktinom in miozinom

Raziskovalci pod vodstvom Raymenta so predlagali štiristopenjski model za razlago interakcij aktina in miozina. Prvi korak se zgodi z vezavo ATP na glave miozina. Ta vezava povzroči konformacijsko spremembo beljakovin in jo v majhni nitki sprosti iz aktina.

Nato se ATP hidrolizira v ADP in sprosti anorganski fosfat. Molekul miozina se pritrdi na novo aktinsko podenoto, ki ustvarja visokoenergijsko stanje.

Sprostitev anorganskega fosfata povzroči spremembo miozina, vrnitev k začetni konformaciji in gibanje majhnih filamentov glede na debele nitke. To gibanje povzroči premikanje obeh koncev sarkomera, ki ju zbliža.

Zadnji korak vključuje sprostitev ADP. Na tej točki je glava miozina prosta in se lahko veže na novo molekulo ATP.

Gibanje celic, ki ga poganja polimerizacija aktina

Plazilna gibljivost je vrsta mobilnosti celic. Koraki te vrste gibljivosti so: projekcija osi adhezijskega vodila proti podlagi; oprijem na podlago; umik zadaj; in dishezija.

Projekcija vodilne osi zahteva sodelovanje proteinov, ki sodelujejo pri polimerizaciji in depolimerizaciji aktinskih filamentov. Vodilno os najdemo v celični skorji, imenovani lamellipodium. Stopnje projekcije osi so:

- Aktivacija receptorjev z zunajceličnim signalom.

- tvorba aktivnih GTPaz in 4,5-bisfosfat fosfoinozitola (PIP ₂ ).

- Aktivacija proteinov WASp / Scar in Arp2 / 3, ki se vežejo na aktinske monomere in tvorijo veje v aktinskih filamentih.

- Hitra rast aktinskih filamentov na miozinskem koncu veje. Membrana je potisnjena naprej.

- Dokončanje raztezka, ki ga proizvajajo plaščki proteini.

- hidroliza ATP, vezana na aktin v starejših nitkah.

- Depolimerizacija aktin-ADP filamentov, ki jih spodbuja ADF / kofilin.

- Izmenjava ADP za ATP, kataliziranega s profiinom, ustvarja G-ATP aktin, pripravljen za začetek podaljševanja vej.

Aktinske bolezni

Mišična distrofija

Mišična distrofija je degenerativna bolezen skeletne mišice. Recesivno se deduje in je vezan na X kromosom X. V glavnem prizadene moške z visoko frekvenco v populaciji (eden na 3.500 moških). Matere teh moških so heterorozne asimptomatske in jim morda primanjkuje družinske anamneze.

Obstajata dve obliki mišične distrofije, Duchenne in Becker, obe pa povzročata pomanjkljivosti gena distrofina. Te napake so sestavljene iz izbrisov, ki odstranjujejo aksone.

Dystrophin je protein (427 KDa), ki tvori navzkrižne vezi med aktinsko nitkami. Ima aktinsko vezno domeno na N-koncu in membransko vezno domeno na C-koncu. Med obema domenoma je tretja cevasta domena, sestavljena iz 24 tandemskih ponovitev.

V mišičnem kortikalnem retikulu distrofin sodeluje pri vezavi aktinskih filamentov na plazemsko membrano preko glikoproteinskega kompleksa. Ta kompleks se veže tudi na beljakovine zunajceličnega matriksa.

Pri bolnikih, ki nimajo funkcionalnega distrofina z Duchennovo mišično distrofijo, kortikalni citoskelet ne podpira plazemske membrane. Posledično je zaradi večkratnih krčenja mišic poškodovana plazemska membrana.

Reference

1. Devlin, TM 2000. Biokemija. Uredništvo Reverté, Barcelona.
2. Gunst, SJ in Zhang, W. 2008. Aktin citoskeletne dinamike v gladkih mišicah: nova paradigma za regulacijo krčenja gladkih mišic. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Celična in molekularna biologija. Uredništvo Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogota, Caracas, Madrid, Mehika, Sāo Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Načela biokemije. WH Freeman, New York.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Preoblikovanje aktinskih filamentov s faktorjem depolimerizacije aktina / kofilina. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Celična gibljivost, ki jo poganja montaža in demontaža aktinskih filamentov. Celica, 112: 453-465.