MIKROFILAMENTER: EGENSKAPER, STRUKTUR, FUNKSJONER, PATOLOGI - BIOLOGI - 2026

De mikrofilamenter eller filamenter aktin, er en av de tre hoveddelene i cytoskjelettet av eukaryote celler (mikrofilamenter, mikrotubuli og mellomliggende filamenter) og er sammensatt av små filamenter av et protein som kalles aktin (actin-polymerer).

I eukaryoter er genene som koder for aktinmikrofilamenter sterkt konservert i alle organismer, og det er derfor de ofte brukes som molekylære markører for studier av forskjellige slag.

Fotografi av aktinfilamentene til en farget celle (Kilde: Howard Vindin via Wikimedia Commons)

Mikrofilamenter er distribuert over hele cytosolen, men de er spesielt rikelig i regionen som ligger under plasmamembranen, der de danner et komplekst nettverk og forbinder med andre spesielle proteiner for å danne cytoskjelettet.

Mikrofilamentnettverkene i cytoplasma fra pattedyrceller er kodet av to av de seks generene som er beskrevet for aktin, som er involvert i dynamikken i mikrofilamenter og er til og med veldig viktige under differensieringen av stamceller.

Mange forfattere er enige om at mikrofilamenter er de mest forskjellige, allsidige og viktige proteiner i cytoskjelettet til de fleste eukaryote celler, og det er viktig å huske at disse ikke finnes i prokaryote mikroorganismer.

I denne typen celler er det derimot filamenter som er homologe med mikrofilamenter, men som består av et annet protein: MreB-proteinet.

For tiden antas genet som koder for dette proteinet å være et mulig forfedersgen for aktin i eukaryoter. Imidlertid er sekvenshomologien til aminosyrene som utgjør MreB-proteinet bare 15% med hensyn til aktinsekvensen.

Ettersom de er en grunnleggende del av cytoskjelettet, kan enhver fenotypisk defekt i både mikrotubuli og mellomfilamenter og aktinmikrofilamenter (cytoskjelett) forårsake forskjellige cellulære og systemiske patologier.

Kjennetegn og struktur

Mikrofilamenter består av actinfamilieproteinmonomerer, som er svært rikholdige kontraktile proteiner i eukaryote celler, siden de også deltar i muskelkontraksjon.

Disse filamentene har en diameter mellom 5 og 7 nm, og derfor er de også kjent som tynne filamenter og består av to former for aktin: den kuleformen (G actin) og den trådformede formen (F actin).

Proteinene som deltar i cytoskjelettet er kjent som γ og β-aktiner, mens de som deltar i sammentrekning vanligvis er α-aktiner.

Andelen globulær aktin og filamentøst aktin i cytosol avhenger av de cellulære behov, siden mikrofilamenter er svært varierende og allsidige strukturer, som stadig vokser og forkortes ved polymerisering og depolymerisasjon.

G actin er et lite kuleprotein som består av nesten 400 aminosyrer og med en molekylvekt på rundt 43 kDa.

G-aktin-monomerer som utgjør mikrofilamentene er anordnet i form av en spiralformet streng, siden hver gjennomgår en vri når den er assosiert med den neste.

G-aktin assosieres med ett molekyl Ca2 + og et annet av ATP, som stabiliserer dens kuleform; mens F-aktin oppnås etter hydrolyse av det terminale fosfat av ATP-molekylet til G-aktin, noe som bidrar til polymerisasjon.

Organisasjon

Aktinfilamenter kan organiseres i "bunter" eller "nettverk" som har forskjellige funksjoner i celler. Buntene danner parallelle strukturer knyttet sammen av ganske stive tverrbroer.

Nettverk derimot er løsere strukturer, som tredimensjonale masker med egenskapene til halvfaste geler.

Det er mange proteiner som assosieres med aktinfilamenter eller mikrofilamenter og er kjent som ABP (actinbindende proteiner), som har spesifikke steder for det.

Mange av disse proteinene lar mikrofilamenter samvirke med de to andre komponentene i cytoskjelettet: mikrotubuli og mellomfilamenter, så vel som med de andre komponentene på den indre overflaten av plasmamembranen.

Andre proteiner som mikrofilamenter interagerer med inkluderer kjernelaminer og spektrin (i røde blodlegemer).

Hvordan dannes aktinfilamenter?

Siden kuleformede aktinmonomerer alltid binder på samme måte, orientert i samme retning, har mikrofilamenter en definert polaritet, med to ender: en "mer" og en "mindre".

Polariteten til disse filamentene er veldig viktig, siden de vokser betydelig raskere i sin positive ende, der de nye G-actin-monomerer blir lagt til.

Grafisk fremstilling av dannelsen av aktinmikrofilamenter (Kilde: derivatarbeid: Retama (snakk) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström via Wikimedia Commons)

Den første tingen som finner sted under polymerisasjonen av aktinfilamenter er en prosess kjent som "nucleation", som består av assosiasjonen av tre monomerer av proteinet.

Nye monomerer blir lagt til denne trimeren i begge ender, slik at glødetråden vokser. G-aktinmonomerer er i stand til å hydrolysere ATP med hver binding, noe som har implikasjoner for polymerisasjonshastigheten, siden aktin-ATP-grupper dissosierer seg med større vanskeligheter enn aktin-ADP-grupper.

ATP er ikke nødvendig for polymerisasjon, og den spesifikke rollen til dens hydrolyse er ennå ikke blitt belyst.

Noen forfattere vurderer at siden aktinpolymerisasjonshendelser raskt er reversible, kan ATP knyttet til disse prosessene utgjøre opptil 40% av den totale cellulære omsetningen til dette energiske molekylet.

Regulering

Både polymerisasjon av aktinfilamenter og deres depolymerisasjon er prosesser som er sterkt regulert av en serie spesifikke proteiner, som er ansvarlige for ombygging av filamentene.

Eksempler på proteiner som regulerer depolymerisasjon er actindepolymerisasjonsfaktoren cofilin. Et annet protein, profilin, har en motsatt funksjon, siden det stimulerer assosiasjonen til monomerer (ved å stimulere utvekslingen av ADP for ATP).

Egenskaper

Mikrofilamenter samhandler med myosinfilamenter som er assosiert med transmembranproteiner som har et domene i cytosol og et annet i cellenes ytre, og dermed deltar i prosessene for cellemobilitet.

Disse mikrofilamenter assosiert med plasmamembranen formidler forskjellige cellulære responser til forskjellige klasser av stimuli. For eksempel blir celleadhesjon i epitelvev drevet av transmembranproteiner kjent som cadherins, som samvirker med mikrofilamenter for å rekruttere responsfaktorer.

Aktinfilamenter samhandler med mellomliggende filamenter for å forårsake at ekstracellulær stimuli overføres til viktige steder som ribosomer og kromosomer i kjernen.

Representasjon av den intracellulære motoriske funksjonen til aktinmikrofilamenter (Kilde: Boumphreyfr via Wikimedia Commons)

En klassisk og mye studert funksjon av mikrofilamenter er deres evne til å danne "broer", "skinner" eller "motorveier" for bevegelse av motorprotein myosin I, som er i stand til å laste transport vesikler fra organeller til membranen. plasma i sekretorveiene.

Mikrofilamenter samhandler også med myosin II for å etablere den kontraktile ringen som dannes under cytokinesis, nettopp under det siste trinnet i celledelingen der cytosolen skilles fra stam- og datterceller.

Generelt modulerer F-aktin-mikrofilamenter fordelingen av noen organeller som Golgi-komplekset, endoplasmatisk retikulum og mitokondrier. Videre deltar de også i den romlige plasseringen av mRNAs slik at de blir lest av ribosomer.

Hele det cellulære settet med mikrofilamenter, spesielt de som er nært beslektet med plasmamembranen, deltar i dannelsen av bølgende membraner til celler som har en konstant aktiv bevegelse.

De er også involvert i dannelsen av mikrovilli og andre vanlige humper på overflaten til mange celler.

Eksempel på funksjoner i leveren

Mikrofilamenter deltar i prosessen med galleutskillelse i hepatocytter (leverceller) og også i peristaltiske bevegelser (koordinert sammentrekning) i leverkanalen.

De bidrar til differensiering av plasmamembrandomener takket være deres tilknytning til forskjellige cytosoliske elementer og kontrollen de utøver over topografien til disse intracellulære elementene.

Beslektede patologier

Det er få sykdommer assosiert med primære defekter i strukturen eller med regulatoriske proteiner og enzymer i syntesen av mikrofilamenter, til tross for at disse er direkte involvert i et stort antall funksjoner.

Den lave frekvensen av sykdommer og misdannelser i den primære strukturen til mikrofilamenter skyldes det faktum at det generelt er flere gener som koder for både actin og dens regulatoriske proteiner, et fenomen kjent som "genetisk redundans".

En av de mest studerte patologiene er forglasning av oocyttene på deres cytoskjelett, hvor en avbrytelse i nettverket av kortikale mikrofilamenter observeres, samt en depolymerisering og desorganisering av mikrotubuli i den mitotiske spindelen.

Generelt sett forårsaker denne forglasningen en kromosomal spredning, siden den fører til et avbrekk i komprimeringen av alt kromatin.

Cellene som har en større organisering og andel av mikrofilamenter i deres cytoskelett, er cellene i den stripete muskelen. Derfor er de fleste patologier forbundet med en funksjonsfeil i det kontraktile apparatet.

Mangelfulle eller atypiske mikrofilamenter har også blitt assosiert med sykdommen i benene kjent som Pagets sykdom.

referanser

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., & Vicente-Manzanares, M. (2017). Mikrofilament-koordinert vedheftingsdynamikk driver migrasjon av enkeltceller og former hele vev. F1000Forskning, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Aktinbindende proteiner: regulering av cytoskeletale mikrofilamenter. Fysiologiske anmeldelser, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, E. (2018). Bistandighet i synkronisering av aktiverte mikrofilamenter. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., & Vacanti, JP (Eds.). (2011). Prinsipper for vevteknikk. Akademisk presse.
5. Robbins, J. (2017). Sykdommer i cytoskjelettet: Desminopatiene. I Cardioskeletal Myopathies hos barn og unge voksne (s. 173-192). Academic Press.