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

De mikrofilament eller aktinfilament, är en av de tre huvudkomponenterna i cytoskelettet av eukaryota celler (mikrofilament, mikrotubuli och intermediära filament) och är sammansatta av små filament av ett protein som kallas aktin (aktin polymerer).

I eukaryoter är generna som kodar för aktinmikrofilamenter mycket konserverade i alla organismer, varför de ofta används som molekylära markörer för studier av olika slag.

Fotografi av aktinfilamenten i en cellfärgad (källa: Howard Vindin via Wikimedia Commons)

Mikrofilamenter distribueras över hela cytosolen, men de är särskilt rikliga i regionen som ligger under plasmamembranet, där de bildar ett komplext nätverk och associerar med andra speciella proteiner för att bilda cytoskeletten.

Mikrofilamentnätverk i cytoplasma hos däggdjursceller kodas av två av de sex generna som beskrivs för aktin, vilka är involverade i dynamiken i mikrofilament och är till och med mycket viktiga under differentieringen av stamceller.

Många författare håller med om att mikrofilament är de mest mångsidiga, mångsidiga och viktiga proteinerna i cytoskeletten hos de flesta eukaryota celler, och det är viktigt att komma ihåg att dessa inte finns i prokaryota mikroorganismer.

I den här typen av celler finns å andra sidan filament som är homologa med mikrofilamenter, men som består av ett annat protein: MreB-proteinet.

För närvarande tros genen som kodar för detta protein vara en möjlig förfädergen för aktin i eukaryoter. Emellertid är sekvenshomologin för aminosyrorna som utgör MreB-proteinet endast 15% med avseende på aktinsekvensen.

Eftersom de är en grundläggande del av cytoskeletten kan varje fenotypisk defekt i både mikrotubulor och mellanfilament och aktinmikrofilamenter (cytoskelett) orsaka olika cellulära och systemiska patologier.

Egenskaper och struktur

Mikrofilamenter består av aktinfamiljproteinmonomerer, som är mycket rikliga kontraktila proteiner i eukaryota celler, eftersom de också deltar i muskelkontraktion.

Dessa filament har en diameter mellan 5 och 7 nm, varför de också kallas tunna filament och består av två former av aktin: den kulaformen (G-aktin) och den trådformade formen (F-aktin).

Proteinerna som deltar i cytoskelettet kallas γ- och ß-aktiner, medan de som deltar i kontraktion vanligtvis är a-aktiner.

Andelen globular aktin och filamentös aktin i cytosolen beror på de cellulära behoven, eftersom mikrofilament är mycket varierande och mångsidiga strukturer, som ständigt växer och förkortas genom polymerisation och depolymerisation.

G actin är ett litet globulärt protein som består av nästan 400 aminosyror och med en molekylvikt av cirka 43 kDa.

G-aktinmonomererna som utgör mikrofilamenten är anordnade i form av en spiralformad tråd, eftersom var och en genomgår en vridning när den är associerad med nästa.

G-aktin förknippas med en molekyl Ca2 + och en annan av ATP, som stabiliserar dess kulaform; medan F-aktin erhålls efter hydrolys av ATP-molekylens terminala fosfat till G-aktin, vilket bidrar till polymerisation.

Organisation

Actinfilament kan organiseras i "paket" eller "nätverk" som har olika funktioner i cellerna. Buntarna bildar parallella strukturer länkade av ganska styva tvärbroar.

Nätverk, å andra sidan, är lösare strukturer, som tredimensionella nät med egenskaperna hos halvfasta geler.

Det finns många proteiner som associerar med aktinfilament eller mikrofilamenter och är kända som ABP (aktinbindande proteiner), som har specifika platser för det.

Många av dessa proteiner tillåter mikrofilamenter att interagera med de andra två komponenterna i cytoskeletten: mikrotubulor och mellanliggande filament, såväl som med de andra komponenterna på den inre ytan av plasmamembranet.

Andra proteiner som mikrofilament interagerar med inkluderar nukleära laminat och spektrin (i röda blodkroppar).

Hur bildas aktinfilament?

Eftersom globulära aktinmonomerer alltid binder på samma sätt, orienterade i samma riktning, har mikrofilament en definierad polaritet, med två ändar: en "mer" och en "mindre".

Dessa filamenters polaritet är mycket viktig eftersom de växer avsevärt snabbare vid sin positiva ände, där de nya G-aktin-monomererna läggs till.

Grafisk representation av bildandet av aktinmikrofilamenter (Källa: derivatarbete: Retama (diskussion) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström via Wikimedia Commons)

Det första som äger rum under polymerisationen av aktinfilament är en process som kallas "kärnbildning", som består av sammanslutningen av tre monomerer av proteinet.

Nya monomerer läggs till i denna trimer i båda ändarna, så att glödtråden växer. G-aktinmonomerer kan hydrolysera ATP med varje bindning, vilket har konsekvenser för polymerisationshastigheten, eftersom aktin-ATP-grupper dissocierar med större svårigheter än aktin-ADP-grupper.

ATP är inte nödvändigt för polymerisation och den specifika rollen för dess hydrolys har ännu inte klargjorts.

Vissa författare anser att eftersom aktinpolymerisationshändelser snabbt är reversibla kan ATP associerad med dessa processer utgöra upp till 40% av den totala cellomsättningen för denna energimolekyl.

förordning

Både polymerisation av aktinfilament och deras depolymerisation är processer som är mycket reglerade av en serie specifika proteiner som ansvarar för ombyggnad av filamenten.

Exempel på proteiner som reglerar depolymerisation är aktin-depolymerisationsfaktorn cofilin. Ett annat protein, profilin, har en motsatt funktion, eftersom det stimulerar föreningen av monomerer (genom att stimulera utbytet av ADP för ATP).

Funktioner

Mikrofilamenter interagerar med myosinfilament som är associerade med transmembranproteiner som har en domän i cytosolen och en annan i cellens yttre, och därmed deltar i processerna för cellmobilitet.

Dessa mikrofilamenter associerade med plasmamembranet medierar olika cellulära svar på olika klasser av stimuli. Exempelvis drivs cellvidhäftning i epitelvävnader av transmembranproteiner kända som kadheriner, som interagerar med mikrofilamenter för att rekrytera svarfaktorer.

Actinfilament interagerar med mellanliggande filament för att orsaka extracellulära stimuli som överförs till nyckelställen såsom ribosomer och kromosomer i kärnan.

Representation av den intracellulära motorfunktionen hos aktinmikrofilamenter (Källa: Boumphreyfr via Wikimedia Commons)

En klassisk och väl studerad funktion av mikrofilamenter är deras förmåga att bilda "broar", "räls" eller "motorvägar" för förflyttning av motorprotein myosin I, som kan ladda transportblåsor från organeller till membranet plasma i utsöndringsvägarna.

Mikrofilamenter interagerar också med myosin II för att etablera den kontraktila ringen som bildas under cytokinesis, exakt under det sista steget av celldelning där cytosolen separeras från stam- och dotterceller.

I allmänhet modulerar F-aktin-mikrofilamenter distributionen av vissa organeller, såsom Golgi-komplexet, endoplasmatisk retikulum och mitokondrier. Dessutom deltar de också i den rumsliga positioneringen av mRNA så att de läses av ribosomer.

Hela den cellulära uppsättningen av mikrofilamenter, särskilt de som är nära besläktade med plasmamembranet, deltar i bildningen av de böljande membranen hos celler som har en konstant aktiv rörelse.

De är också involverade i bildandet av mikrovilli och andra vanliga bulor på ytan av många celler.

Exempel på funktioner i levern

Mikrofilamenter deltar i processen med gallutsöndring i hepatocyter (leverceller) och även i peristaltiska rörelser (koordinerad sammandragning) i leverkanalikuli.

De bidrar till differentiering av plasmamembrandomäner tack vare deras associering med olika cytosoliska element och kontrollen de utövar topografin av dessa intracellulära element.

Relaterade patologier

Det finns få sjukdomar associerade med primära defekter i strukturen eller med reglerande proteiner och enzymer i syntesen av mikrofilamenter, trots att dessa är direkt involverade i ett stort antal funktioner.

Den låga frekvensen av sjukdomar och missbildningar i den primära strukturen för mikrofilament beror på det faktum att det generellt finns flera gener som kodar både aktin och dess reglerande proteiner, ett fenomen som kallas "genetisk redundans".

En av de mest studerade patologierna är förglasningen av oocyterna på deras cytoskelett, där ett avbrott i nätverket av kortikala mikrofilamenter observeras, liksom en depolymerisation och desorganisering av mikrotubulerna i den mitotiska spindeln.

I allmänna termer orsakar denna förglasning en kromosomal dispersion, eftersom den leder till ett förringande i komprimeringen av all kromatin.

Cellerna som har en större organisation och andel av mikrofilament i deras cytoskelett är cellerna i den strippade muskeln, därför är de flesta av patologierna förknippade med en funktionsfel i den kontraktila apparaten.

Defekta eller atypiska mikrofilamenter har också varit associerade med bensjukdomen känd som Pagets sjukdom.

referenser

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., & Vicente-Manzanares, M. (2017). Mikrofilament-koordinerad vidhäftningsdynamik driver migration av enstaka celler och formar hela vävnader. F1000Forskning, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Aktinbindande proteiner: reglering av cytoskeletala mikrofilamenter. Fysiologiska recensioner, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, E. (2018). Bistabilitet vid synkronisering av aktiverade mikrofilamenter. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., & Vacanti, JP (Eds.). (2011). Principer för vävnadsteknik. Akademisk press.
5. Robbins, J. (2017). Sjukdomar i cytoskelettet: Desminopatierna. I kardioskeletala myopatier hos barn och unga vuxna (s. 173-192). Academic Press.