ACTIN: EGENSKAPER, STRUKTUR, FILAMENTER, FUNKSJON - BIOLOGI - 2026

Det actin er et cytosolisk protein som danner mikrofilamenter. I eukaryoter er actin et av de mest tallrike proteiner. For eksempel representerer det 10 vekt% av det totale proteinet i muskelceller; og mellom 1 og 5% av proteinet i ikke-muskelceller.

Dette proteinet, sammen med mellomfilamentene og mikrotubuli, danner cytoskjelettet, hvis viktigste funksjon er mobiliteten til cellen, opprettholdelse av celleform, celledeling og bevegelse av organeller i planter, sopp og dyr.

Kilde: Sarcomere.svg: David Richfield (Slashme-bruker) avledede arbeider: Retama

Isoformene til aktincytoskjelettet har forskjellige funksjoner, for eksempel: regulering i utvikling av aktiv spenning i glatt muskel, cellesyklus, utvikling av embryo, vevsutvikling og sårheling.

Fra et evolusjonært synspunkt er actin et sterkt konservert protein. Det er omtrent 90% sekvenshomologi hos forskjellige arter. I encellede organismer koder et enkelt gen en actin-isoform. Mens det i flercellede organismer koder forskjellige gener for flere isoformer av aktin.

Actin var sammen med myosin viktige strukturer i den evolusjonære utviklingen av eukaryote organismer og i deres diversifisering, siden de tillot bevegelse i mangel av andre strukturer, for eksempel flagella og cilia.

Struktur: aktinfilamenter

Actin er et globular polypeptidprotein med en enkelt kjede. I muskler har aktin en molekylmasse på omtrent 42 KDa.

Dette proteinet har to domener. Hver har to underdomener, og et gap mellom domenene. ATP - Mg ⁺² binder seg til bunnen av kløften. Amino- og karboksylterminene møtes ved underdomen 1.

Actin G og actin F

Det er to hovedformer av aktin: aktinmonomeren, kalt G-aktin; og en trådformet polymer, bestående av G-aktinmonomerer, kalt F-aktin. Actinfilamenter, observert ved elektronmikroskopi, har smale og brede områder, henholdsvis 7 nm og 9 nm i diameter.

Langs glødetråden danner aktinmonomerer en tettpakket dobbel helix. En repeterende enhet langs glødetråden består av 13 helixer og 28 aktinmonomerer, og har en avstand på 72 nm.

Aktintråden har to ender. Den ene dannes av gapet som forbinder ATP - Mg ⁺² , som ligger i samme retning i alle aktinmonomerer i filamentet, kalt (-) enden; og den andre enden er motsatt, kalt (+) slutten. Derfor sies aktintråden å ha polaritet.

Disse komponentene er ofte kjent som mikrofilamenter, siden de er komponentene i cytoskjelettet med den minste diameteren.

Hvor finner vi aktin?

Actin er et ekstremt vanlig protein i eukaryote organismer. Av alle cellulære proteiner utgjør actin omtrent 5-10% - avhengig av celletype. I leveren har for eksempel hver av cellene som utgjør den nesten 5,10 ⁸ aktinmolekyler.

kjennetegn

De to former for aktin, monomer og filament, er kontinuerlig i en dynamisk balanse mellom polymerisasjon og depolymerisasjon. Generelt er det tre fremtredende egenskaper ved dette fenomenet:

1) Aktinfilamenter er typisk for strukturen i muskelvev og cytoskjelettet til eukaryote celler.

2) Polymerisering og depolymerisering er en dynamisk prosess som er regulert. Hvor polymerisasjonen eller aggregeringen av G - ATP - Mg ⁺² aktinmonomerer skjer i begge ender. Hvorvidt denne prosessen skjer, avhenger av miljøforholdene og de regulatoriske proteiner.

3) Dannelsen av bunter og retikler, som utgjør actins cytoskjelett, gir styrke til cellemotilitet. Dette avhenger av proteiner som er involvert i dannelsen av tverrbindinger.

Egenskaper

Muskelsammentrekning

Den funksjonelle og strukturelle enheten til skjelettmuskulaturen er sarkomeren, som har to typer filamenter: de tynne filamentene, dannet av actin, og de tykke filamentene, dannet av myosin. Begge filamentene er ordnet vekselvis, på en presis geometrisk måte. De tillater muskelsammentrekning.

De tynne filamentene er forankret til regioner kalt Z-plater. Dette området består av et nettverk av fibre, der CapZ-proteinet er funnet, og som endene (+) av aktinfilamentene er forankret i. Dette ankeret forhindrer depolymerisering av (+) enden.

På den annen side er tropomodulin lokalisert i endene (-) av aktinfilamenter, og beskytter dem mot depolymerisering. I tillegg til aktin, har tynne filamenter tropomyosin og troponin, som fungerer for å kontrollere actomyosin-interaksjoner.

Hvordan oppstår muskelsammentrekning?

Under muskelsammentrekning utfører de tykke filamentene svingbare bevegelser, og trekker de tynne filamentene mot midten av sarkomeren. Dette får grove og tynne fibre til å gli.

Dermed forblir lengden på de tykke og tynne filamentene konstant, men overlappingen mellom begge filamentene øker. Lengden på sarkomeren avtar på grunn av forankring av tynne filamenter til Z-platene.

Hvordan stopper du muskelsammentrekning?

ATP er energivalutaen til cellen. Derfor er det nesten alltid tilgjengelig i levende muskelvev. Når man tar hensyn til det ovennevnte, må det være mekanismer som gjør det mulig å lempe muskelen og stoppe sammentrekninger.

To proteiner, kalt tropomyosin og troponin, spiller en grunnleggende rolle i dette fenomenet. Disse jobber sammen for å blokkere bindingssidene til myosin (og forhindrer dermed bindingen til actin). Som et resultat slapper muskelen av.

Motsatt, når et dyr dør, opplever det et fenomen kjent som rigor mortis. Ansvarlig for denne herding av kadaveret er blokkeringen av samspillet mellom myosin og actin, kort etter dyrets død.

En av konsekvensene av dette fenomenet er behovet for ATP for frigjøring av de to proteinmolekylene. Logisk sett er det i døde vev ingen tilgjengelighet av ATP, og denne utgivelsen kan ikke skje.

Andre typer bevegelse

Den samme mekanismen som vi beskriver (senere vil vi fordype mekanismen underliggende bevegelse) er ikke begrenset til muskelkontraksjon hos dyr. Det er ansvarlig for de ameboidale bevegelsene som vi observerer i amøber og i noen koloniformer.

Tilsvarende drives den cytoplasmatiske bevegelsen som vi observerer i alger og i landplanter av lignende mekanismer.

Regulering av aktinfilamentpolymerisasjon og depolymerisasjon

Sammentrekning av glatt muskelvev og celler gir en økning i F-aktin og en reduksjon i G-aktin. 2) forlengelse, et raskt skritt; og 3) stabil tilstand. Polymerisasjonshastigheten er lik depolymerisasjonshastigheten.

Aktintråden vokser raskere i enden (+) enn ved enden (-). Forlengelseshastigheten er proporsjonal med konsentrasjonen av aktinmonomerer i likevekt med aktinfilamenter, kalt kritisk konsentrasjon (Cc).

Cc for (+) enden er 0,1 uM, og for (-) enden er 0,8 uM. Dette betyr at det er nødvendig med 8 ganger mindre konsentrasjon av aktinmonomerer for å polymerisere (+) enden.

Aktinpolymerisasjon er hovedsakelig regulert av tymosin beta4 (TB4). Dette proteinet binder G-aktin og beholder det, og forhindrer at det polymeriseres. Mens profilin stimulerer aktinpolymerisasjon. Profilin binder seg til aktinmonomerer og letter polymerisasjonen i enden (+) gjennom dissosiasjon av aktin-TB4-komplekset.

Andre faktorer som økningen i ioner (Na ⁺ , K ⁺ eller Mg ⁺² ) favoriserer dannelse av filamenter.

Dannelse av aktincytoskjelettet

Dannelsen av aktincytoskjelettet krever dannelse av tverrbindinger mellom aktinfilamenter. Disse bindingene er dannet av proteiner, med enestående egenskaper: de har aktinbindende domener; mange har domener homologe med calponin; og hver type protein uttrykkes i en bestemt type celle.

I filopodia og stressfibre er tverrbindingen mellom aktinfilamenter laget av fascina og filamin. Disse proteinene fører til at aktinfilamenter er parallelle eller har forskjellige vinkler. Dermed definerer actinfilamenter cellens form.

Regionen av cellen med det høyeste antallet aktinfilamenter er lokalisert nær plasmamembranen. Denne regionen kalles cortex. Det kortikale cytoskjelettet er organisert på forskjellige måter, avhengig av celletype, og er koblet til plasmamembranen gjennom bindende proteiner.

Noen av de best beskrevne cytoskjelettene er muskelceller, blodplater, epitelceller og erytrocytter. For eksempel, i muskelceller, binder det dystrofinbindende proteinet actinfilamenter til et integrert glykoproteinkompleks i membranen. Dette komplekset binder seg til ekstracellulære matriksproteiner.

Actin-myosin interaksjon handlingsmodell

Forskerne ledet av Rayment foreslo en firetrinnsmodell for å forklare interaksjonen mellom actin og myosin. Det første trinnet skjer med bindingen av ATP til hodene på myosin. Denne bindingen genererer en konformasjonsendring i proteinet, og frigjør det fra aktinet i det lille filamentet.

ATP hydrolyseres deretter til ADP, og frigjør et uorganisk fosfat. Myosinmolekylet knytter seg til en ny aktin-underenhet, og genererer en høyenergi-tilstand.

Frigjøring av uorganisk fosfat medfører en endring i myosin, og går tilbake til den første konformasjonen og bevegelsen av de små filamentene, med hensyn til de tykke filamenter, som oppstår. Denne bevegelsen får bevegelsen til de to endene av sarkomeren, og bringer dem nærmere hverandre.

Det siste trinnet innebærer utgivelsen av ADP. På dette tidspunktet er myosinhodet fritt og kan binde seg til et nytt ATP-molekyl.

Cellebevegelse drevet av actinpolymerisasjon

Å krype motilitet er en type cellemobilitet. Trinnene i denne typen bevegelighet er: projeksjon av heftlederens akse mot underlaget; vedheft til underlaget; tilbaketrekning; og dis-vedheft.

Projeksjonen av lederaksen krever deltagelse av proteiner, som deltar i polymerisasjonen og depolymerisasjonen av aktinfilamenter. Lederaksen finnes i cortex, kalt lamellipodium. Fremgangsmåten for aksen er:

- Aktivering av reseptorer ved ekstracellulært signal.

- Dannelse av aktive GTPaser og 4,5-bisfosfatfosfoinositol (PIP ₂ ).

- Aktivering av WASp / Scar og Arp2 / 3-proteiner, som binder seg til aktinmonomerer for å danne grener i aktinfilamenter.

- Rask vekst av aktinfilamenter, i den myosin-dekorerte enden av grenen. Membranen skyves frem.

- Fullføring av forlengelsen produsert av kappeproteiner.

- Hydrolyse av ATP bundet til aktin i eldre filamenter.

- Depolymerisasjon av actin-ADP av filamentene som fremmes av ADF / cofilin.

- Utveksling av ADP for ATP katalysert av profilin, og genererer G-ATP-aktin klar til å begynne å forlenge grener.

Aktinrelaterte sykdommer

Muskeldystrofi

Muskeldystrofi er en degenerativ sykdom i skjelettmuskulaturen. Det er arvelig og er knyttet til X-kromosomet. Det rammer hovedsakelig menn med høy frekvens i befolkningen (en av hver 3 500 menn). Mødrene til disse mennene er heterozygote asymptomatiske, og kan ha mangel på familiehistorie.

Det er to former for muskeldystrofi, Duchenne og Becker, og begge er forårsaket av defekter i dystrofingenet. Disse feilene består av slettinger som fjerner aksoner.

Dystrofin er et protein (427 KDa) som danner tverrbindinger mellom aktinfilamenter. Det har et aktinbindende domene ved N-terminalen, og et membranbindende domene ved C-terminalen. Mellom begge domenene er det et tredje rørformet domene som består av 24 tandemrepetisjoner.

I den muskulære kortikale retikulum deltar dystrofin i bindingen av aktinfilamenter til plasmamembranen gjennom et glykoproteinkompleks. Dette komplekset binder seg også til ekstracellulære matriksproteiner.

Hos pasienter som mangler funksjonell dystrofin med Duchenne muskeldystrofi, støtter ikke det cortoskelet i kortikalen plasmamembranen. Følgelig blir plasmamembranen skadet av belastningen av gjentatte muskelsammentrekninger.

referanser

1. Devlin, TM 2000. Biokjemi. Redaksjonell Reverté, Barcelona.
2. Gunst, SJ og Zhang, W. 2008. Actin cytoskeletaldynamikk i glatt muskel: et nytt paradigme for regulering av sammentrekning av glatt 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. Redaksjonell Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sao Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Prinsipper for biokjemi. 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 Driven by Assembly and Demontering of Actin Filaments. Cell, 112: 453-465.