ACTIN: EGENSKAPER, STRUKTUR, FILAMENT, FUNKTION - BIOLOGI - 2025

Den aktin är ett cytosoliskt protein som bildar microfilaments. I eukaryoter är aktin ett av de vanligaste proteinerna. Till exempel representerar det 10 viktprocent av det totala proteinet i muskelceller; och mellan 1 och 5% av proteinet i icke-muskelceller.

Detta protein, tillsammans med mellanliggande filament och mikrotubuli, bildar cytoskelettet, vars huvudfunktion är mobilitet i cellen, bibehållande av cellform, celldelning och rörelse av organeller i växter, svampar och djur.

Källa: Sarcomere.svg: David Richfield (Slashme-användare) derivatarbete: Retama

Isoformerna av aktincytoskelettet har olika funktioner, såsom: reglering i utvecklingen av aktiv spänning i glatt muskel, cellcykel, utveckling av embryon, vävnadsutveckling och sårläkning.

Ur evolutionär synvinkel är aktin ett mycket konserverat protein. Det finns cirka 90% sekvenshomologi i olika arter. I encelliga organismer kodar en enda gen en aktinisoform. I multicellulära organismer kodar olika gener för flera isoformer av aktin.

Actin, tillsammans med myosin, var avgörande strukturer i den evolutionsutvecklingen av eukaryota organismer och i deras diversifiering, eftersom de tillät rörelse i frånvaro av andra strukturer, såsom flagella och cilia.

Struktur: aktinfilament

Actin är ett globulärt polypeptidprotein med en kedja. I muskler har aktin en molekylmassa på ungefär 42 KDa.

Detta protein har två domäner. Var och en har två underdomäner och ett mellanrum mellan domänerna. ATP - Mg ⁺² binds till klyftans botten. Amino- och karboxylterminorna möts vid underdomän 1.

Actin G och actin F

Det finns två huvudformer av aktin: aktinmonomeren, kallad G-aktin; och en trådformig polymer, bestående av G-aktinmonomerer, kallad F-aktin. Actinfilament, observerade genom elektronmikroskopi, har smala och breda områden, respektive 7 nm och 9 nm i diameter.

Längs glödtråden bildar aktinmonomerer en tätt packad dubbel spiral. En upprepande enhet längs glödtråden består av 13 spiraler och 28 aktinmonomerer och har ett avstånd på 72 nm.

Aktintråden har två ändar. Den ena bildas av gapet som sammanfogar ATP - Mg ⁺² , som är beläget i samma riktning i alla aktinmonomererna i filamentet, kallad (-) änden; och den andra änden är motsatt, kallad (+) änden. Därför sägs aktintråden ha polaritet.

Dessa komponenter är ofta kända som mikrofilamenter, eftersom de är komponenterna i cytoskeletten med den minsta diametern.

Var hittar vi aktin?

Actin är ett extremt vanligt protein i eukaryota organismer. Av alla cellulära proteiner står aktin för cirka 5-10% - beroende på celltypen. I levern, till exempel, har var och en av cellerna som utgör den nästan 5,10 ⁸ aktinmolekyler.

egenskaper

De två formerna av aktin, monomer och filament, är kontinuerligt i en dynamisk balans mellan polymerisation och depolymerisation. I allmänhet finns det tre framträdande egenskaper hos detta fenomen:

1) Aktinfilament är typiska för strukturen i muskelvävnad och cytoskeletten för eukaryota celler.

2) Polymerisation och depolymerisation är en dynamisk process som regleras. När polymerisationen eller aggregeringen av G-ATP - Mg ^+2- aktinmonomerer sker i båda ändarna. Huruvida denna process sker beror på miljöförhållandena och de reglerande proteinerna.

3) Bildningen av buntar och retiklar, som utgör aktincytoskeletten, ger styrka till cellens rörlighet. Detta beror på proteiner som är involverade i bildningen av tvärbindningar.

Funktioner

Muskelsammandragning

Den funktionella och strukturella enheten i skelettmuskulaturen är sarkomeren, som har två typer av filament: de tunna filamenten, bildade av aktin, och de tjocka filamenten, bildade av myosin. Båda filamenten är ordnade växelvis på ett exakt geometriskt sätt. De tillåter muskelsammandragning.

De tunna filamenten är förankrade i regioner som kallas Z-skivor. Detta område består av ett nätverk av fibrer, i vilket CapZ-proteinet finns, och till vilka ändarna (+) av aktinfilamenten är förankrade. Detta ankare förhindrar depolymerisation av (+) änden.

Å andra sidan är tropomodulin beläget vid ändarna (-) av aktinfilamenten och skyddar dem från depolymerisation. Förutom aktin har tunna filament tropomyosin och troponin, som fungerar för att kontrollera aktomyosin-interaktioner.

Hur uppstår muskelkontraktion?

Under muskelsammandragning utför de tjocka filamenten svängbara rörelser och drar de tunna filamenten mot mitten av sarkomeren. Detta får grova och tunna fibrer att glida.

Således förblir längden på de tjocka och tunna filamenten konstant, men överlappningen mellan båda filamenten ökar. Längden på sarkomeren minskar på grund av förankring av tunna filament på Z-skivorna.

Hur stoppar du muskelsammandragning?

ATP är cellens energivaluta. Därför är det nästan alltid tillgängligt i levande muskelvävnader. Med hänsyn till ovanstående måste det finnas mekanismer som gör det möjligt att slappna av musklerna och stoppa sammandragningar.

Två proteiner, kallad tropomyosin och troponin, spelar en grundläggande roll i detta fenomen. Dessa arbetar tillsammans för att blockera bindningsställena för myosin (så att de förhindrar dess bindning till aktin). Som ett resultat slappnar muskeln av.

Omvänt, när ett djur dör upplever det ett fenomen som kallas rigor mortis. Ansvarig för denna härdning av slaktkroppen är blockeringen av interaktionen mellan myosin och aktin, kort efter djurets död.

En av konsekvenserna av detta fenomen är behovet av ATP för frisättning av de två proteinmolekylerna. Logiskt, i döda vävnader finns det ingen tillgänglighet av ATP och denna frisättning kan inte ske.

Andra typer av rörelse

Samma mekanism som vi beskriver (senare kommer vi att fördjupa den mekanism som ligger bakom rörelsen) är inte begränsad till muskelkontraktioner hos djur. Det är ansvarigt för de amoeboidala rörelserna som vi observerar i amöber och i vissa koloniala formar.

På liknande sätt drivs den cytoplasmiska rörelsen som vi observerar i alger och i landväxter av liknande mekanismer.

Reglering av aktinfilamentpolymerisation och depolymerisation

Kontraktion av slät muskelvävnad och celler ger en ökning av F-aktin och en minskning av G-aktin. Actinpolymerisation sker i tre steg: 1) kärnbildning, ett långsamt steg; 2) förlängning, ett snabbt steg; och 3) jämnt tillstånd. Polymerisationshastigheten är lika med depolymerisationshastigheten.

Aktintråden växer snabbare vid (+) änden än vid (-) änden. Förlängningshastigheten är proportionell mot koncentrationen av aktinmonomerer i jämvikt med aktinfilament, kallad kritisk koncentration (Cc).

Cc för (+) änden är 0,1 | im, och för (-) änden är 0,8 | im. Detta betyder att 8 gånger mindre koncentration av aktinmonomerer krävs för att polymerisera änden (+).

Aktinpolymerisation regleras huvudsakligen av tymosin beta4 (TB4). Detta protein binder G-aktin och behåller det och förhindrar det från att polymerisera. Medan profilin stimulerar aktinpolymerisation. Profilin binder till aktinmonomerer, underlättar polymerisation vid (+) -änden, genom dissociation av aktin-TB4-komplexet.

Andra faktorer såsom ökningen av joner (Na ⁺ , K ⁺ eller Mg ⁺² ) gynnar bildningen av filament.

Bildande av aktincytoskelettet

Bildningen av aktincytoskeletten kräver tvärbindningar mellan aktinfilamenten. Dessa bindningar bildas av proteiner, vars enastående egenskaper är: de har aktinbindande domäner; många har domäner homologa med calponin; och varje typ av protein uttrycks i en viss typ av cell.

I filopodia och stressfibrer görs tvärbindningarna mellan aktinfilament av fascina och filamin. Dessa proteiner orsakar actinfilament att vara parallella eller har olika vinklar. Således definierar aktinfilament cellens form.

Regionen av cellen med det högsta antalet aktinfilament ligger nära plasmamembranet. Denna region kallas cortex. Det kortikala cytoskelettet är organiserat på olika sätt beroende på celltyp och är anslutet till plasmamembranet genom bindande proteiner.

Några av de bäst beskrivna cytoskeletterna är muskelceller, blodplättar, epitelceller och erytrocyter. I muskelceller binder till exempel det dystrofinbindande proteinet actinfilament till ett integrerat glykoproteinkomplex i membranet. Detta komplex binder till extracellulära matrisproteiner.

Actin-myosin interaktion handlingsmodell

Forskarna under ledning av Rayment föreslog en fyrstegsmodell för att förklara interaktionen mellan aktin och myosin. Det första steget sker med bindning av ATP till huvuden på myosin. Denna bindning genererar en konformationell förändring i proteinet och frigör det från aktinet i det lilla filamentet.

ATP hydrolyseras sedan till ADP, vilket frisätter ett oorganiskt fosfat. Myosinmolekylen fäster sig vid en ny aktin-subenhet och genererar ett högenergitillstånd.

Frisättningen av oorganiskt fosfat medför en förändring av myosin, och återgår till den ursprungliga konformationen och rörelsen för de små filamenten, med avseende på de tjocka filamenten, som inträffar. Denna rörelse orsakar rörelsen av de två ändarna av sarkomeren och förenar dem närmare varandra.

Det sista steget innebär att ADP släpps. Vid denna tidpunkt är myosinhuvudet fritt och kan binda till en ny ATP-molekyl.

Cellrörelse drivs av aktinpolymerisation

Genomsökande rörlighet är en typ av cellmotilitet. Stegen för denna typ av rörlighet är: projicering av vidhäftningsledningsaxeln mot underlaget; vidhäftning till underlaget; bakåttrång; och vidhäftning.

Projektionen av ledaraxeln kräver deltagande av proteiner, som deltar i polymerisation och depolymerisation av aktinfilament. Ledaraxeln finns i cellbarken, kallad lamellipodium. Axelprojektionsstegen är:

- Aktivering av receptorer med extracellulär signal.

- Bildning av aktiva GTPaser och 4,5-bisfosfatfosfoinositol (PIP ₂ ).

- Aktivering av WASp / ärr- och Arp2 / 3-proteinerna, som binder till aktinmonomerer för att bilda grenar i aktinfilament.

- snabb tillväxt av aktinfilament i den myosin-dekorerade änden av grenen. Membranet skjuts framåt.

- Slutförande av töjningen producerad av skiktproteiner.

- Hydrolys av ATP bundet till aktin i äldre filament.

- Depolymerisation av aktin-ADP av filamenten som främjas av ADF / cofilin.

- Utbyte av ADP för ATP katalyserat av profilin, vilket genererar G-ATP-aktin redo att börja förlänga grenar.

Aktinrelaterade sjukdomar

Muskeldystrofi

Muskeldystrofi är en degenerativ sjukdom i skelettmuskeln. Den är ärvt och är kopplad till X-kromosomen och drabbar främst män med en hög frekvens i befolkningen (en av var 3 500 män). Mödrarna till dessa män är heterozygota asymptomatiska och kan sakna familjehistoria.

Det finns två former av muskeldystrofi, Duchenne och Becker, och båda orsakas av defekter i dystrofingenen. Dessa defekter består av raderingar som tar bort axoner.

Dystrofin är ett protein (427 KDa) som bildar tvärbindningar mellan aktinfilament. Den har en aktinbindande domän vid N-terminalen och en membranbindande domän vid C-terminalen. Mellan båda domänerna finns det en tredje tubulär domän som består av 24 tandemupprepningar.

I den muskulära kortikala retikulum deltar dystrofin i bindningen av aktinfilament till plasmamembranet genom ett glykoproteinkomplex. Detta komplex binder också till extracellulära matrisproteiner.

Hos patienter som saknar funktionell dystrofin med Duchenne muskeldystrofi stöder inte det kortikala cytoskelettet plasmamembranet. Följaktligen skadas plasmamembranet av spänningen vid upprepade muskelsammandragningar.

referenser

1. Devlin, TM 2000. Biokemi. Redaktör Reverté, Barcelona.
2. Gunst, SJ och Zhang, W. 2008. Actin-cytoskeletaldynamik i glattmuskel: ett nytt paradigm för reglering av sammandragning 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. Redaktion Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexiko, Sao Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Principer för biokemi. WH Freeman, New York.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Actin-filamentombyggnad med aktin-depolymerisationsfaktor / kofilin. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Cellular Motility Driven by Assembly and Demontering of Actin Filaments. Cell, 112: 453-465.