AKTYNA: CHARAKTERYSTYKA, BUDOWA, WŁÓKNA, FUNKCJA - BIOLOGIA - 2025

Aktyny jest białko cytozolowe, które tworzą filamenty. Aktyna jest jednym z najpowszechniejszych białek u eukariontów. Na przykład, stanowi 10% wagowych całkowitego białka w komórkach mięśniowych; i od 1 do 5% białka w komórkach niemięśniowych.

Białko to wraz z pośrednimi włóknami i mikrotubulami tworzy cytoszkielet, którego główną funkcją jest ruchliwość komórki, utrzymanie kształtu komórki, podział komórek oraz ruch organelli u roślin, grzybów i zwierząt.

Źródło: Sarcomere.svg: David Richfield (użytkownik Slashme) praca pochodna: Retama

Izoformy cytoszkieletu aktynowego pełnią różne funkcje, takie jak: regulacja rozwoju aktywnego napięcia mięśni gładkich, cykl komórkowy, rozwój zarodka, rozwój tkanek i gojenie się ran.

Z ewolucyjnego punktu widzenia aktyna jest białkiem wysoce konserwatywnym. U różnych gatunków występuje około 90% homologii sekwencji. W organizmach jednokomórkowych pojedynczy gen koduje izoformę aktyny. Podczas gdy w organizmach wielokomórkowych różne geny kodują wiele izoform aktyny.

Aktyna wraz z miozyną były kluczowymi strukturami w ewolucyjnej ewolucji organizmów eukariotycznych i ich zróżnicowaniu, ponieważ umożliwiały ruch przy braku innych struktur, takich jak wici i rzęski.

Struktura: filamenty aktynowe

Aktyna to globularne jednołańcuchowe białko polipeptydowe. W mięśniach aktyna ma masę cząsteczkową około 42 KDa.

To białko ma dwie domeny. Każda ma dwie subdomeny i lukę między domenami. ATP - Mg ⁺² wiąże się z dnem szczeliny. Końce aminowe i karboksylowe spotykają się w subdomenie 1.

Actin G i actin F.

Istnieją dwie główne formy aktyny: monomer aktyny, zwany G-aktyną; oraz włóknisty polimer złożony z monomerów G-aktyny, zwany aktyną F. Włókna aktyny, obserwowane pod mikroskopem elektronowym, mają wąskie i szerokie obszary o średnicy odpowiednio 7 nm i 9 nm.

Wzdłuż włókna monomery aktyny tworzą ciasno upakowaną podwójną helisę. Powtarzająca się jednostka wzdłuż włókna składa się z 13 helis i 28 monomerów aktyny i ma odległość 72 nm.

Filament aktynowy ma dwa końce. Jedna jest utworzona przez szczelinę łączącą ATP - Mg ⁺² , która jest umieszczona w tym samym kierunku we wszystkich monomerach aktyny we włóknie, zwaną końcem (-); a drugi koniec jest odwrotny, nazywany końcem (+). Dlatego mówi się, że filament aktynowy ma biegunowość.

Składniki te są często nazywane mikrowłóknami, ponieważ są składnikami cytoszkieletu o najmniejszej średnicy.

Gdzie znajdujemy aktynę?

Aktyna jest niezwykle powszechnym białkiem w organizmach eukariotycznych. Ze wszystkich białek komórkowych aktyna stanowi około 5-10% - w zależności od rodzaju komórki. Na przykład w wątrobie każda z tworzących ją komórek ma prawie 5,10 ⁸ cząsteczek aktyny.

cechy

Dwie formy aktyny, monomer i włókno, pozostają w dynamicznej równowadze między polimeryzacją a depolimeryzacją. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją trzy istotne cechy tego zjawiska:

1) Włókna aktynowe są typowe dla budowy tkanki mięśniowej i cytoszkieletu komórek eukariotycznych.

2) Polimeryzacja i depolimeryzacja to dynamiczny proces, który jest regulowany. Gdzie polimeryzacja lub agregacja monomerów G - ATP - Mg ⁺² aktyny zachodzi na obu końcach. To, czy ten proces zachodzi, zależy od warunków środowiska i białek regulatorowych.

3) Tworzenie wiązek i siatek, które tworzą cytoszkielet aktynowy, wzmacnia ruchliwość komórek. Zależy to od białek zaangażowanych w sieciowanie.

cechy

Skurcz mięśnia

Funkcjonalną i strukturalną jednostką mięśnia szkieletowego jest sarkomer, który ma dwa rodzaje włókien: cienkie włókna utworzone przez aktynę i grube włókna utworzone przez miozynę. Oba włókna ułożone są naprzemiennie, w precyzyjny sposób geometryczny. Umożliwiają skurcze mięśni.

Cienkie włókna są zakotwiczone w regionach zwanych dyskami Z. Region ten składa się z sieci włókien, w których znajduje się białko CapZ i do których zakotwiczone są końce (+) filamentów aktyny. Ta kotwica zapobiega depolimeryzacji (+) końca.

Z drugiej strony tropomodulina znajduje się na końcach (-) filamentów aktyny i chroni je przed depolimeryzacją. Oprócz aktyny cienkie włókna zawierają tropomiozynę i troponinę, które kontrolują interakcje aktomiozyny.

Jak następuje skurcz mięśni?

Podczas skurczu mięśni grube włókna wykonują ruchy obrotowe, ciągnąc cienkie włókna w kierunku środka sarkomeru. Powoduje to ślizganie się grubych i cienkich włókien.

W ten sposób długość grubych i cienkich włókien pozostaje stała, ale nakładanie się obu włókien rośnie. Długość sarkomeru zmniejsza się z powodu zakotwiczenia cienkich włókien do dysków Z.

Jak powstrzymujesz skurcze mięśni?

ATP jest walutą energetyczną komórki. Dlatego prawie zawsze jest dostępny w żywych tkankach mięśniowych. Biorąc pod uwagę powyższe, muszą istnieć mechanizmy, które pozwolą na rozluźnienie mięśnia i zahamowanie skurczów.

W tym zjawisku fundamentalną rolę odgrywają dwa białka, zwane tropomiozyną i troponiną. Działają one razem, aby blokować miejsca wiązania miozyny (zapobiegając w ten sposób jej wiązaniu z aktyną). W rezultacie mięsień rozluźnia się.

I odwrotnie, kiedy zwierzę umiera, doświadcza zjawiska znanego jako rigor mortis. Za to twardnienie tuszy odpowiada blokowanie interakcji między miozyną i aktyną, krótko po śmierci zwierzęcia.

Jedną z konsekwencji tego zjawiska jest potrzeba ATP do uwolnienia dwóch cząsteczek białka. Logicznie rzecz biorąc, w martwych tkankach nie ma dostępności ATP i to uwolnienie nie może nastąpić.

Inne rodzaje ruchu

Ten sam mechanizm, który opisujemy (później zagłębimy się w mechanizm leżący u podstaw ruchu) nie ogranicza się do skurczów mięśni u zwierząt. Odpowiada za ruchy ameb, które obserwujemy w amebach i niektórych pleśniach kolonialnych.

Podobnie ruch cytoplazmatyczny, który obserwujemy w algach i roślinach lądowych, jest napędzany podobnymi mechanizmami.

Regulacja polimeryzacji i depolimeryzacji filamentów aktyny

Skurcz tkanki mięśniowej i komórek mięśni gładkich powoduje wzrost F-aktyny i spadek aktyny G. Polimeryzacja aktyny przebiega w trzech etapach: 1) zarodkowanie, powolny krok; 2) wydłużenie, szybki krok; i 3) stan ustalony. Szybkość polimeryzacji jest równa szybkości depolimeryzacji.

Filament aktynowy rośnie szybciej na końcu (+) niż na końcu (-). Szybkość wydłużania jest proporcjonalna do stężenia monomerów aktyny w stanie równowagi z włóknami aktyny, zwanego stężeniem krytycznym (Cc).

Cc dla (+) końca wynosi 0,1 µM, a dla (-) końca wynosi 0,8 µM. Oznacza to, że do polimeryzacji (+) końca wymagane jest 8-krotnie mniejsze stężenie monomerów aktyny.

Polimeryzację aktyny reguluje głównie tymozyna beta4 (TB4). Białko to wiąże aktynę G i zatrzymuje ją, zapobiegając jej polimeryzacji. Natomiast profilina stymuluje polimeryzację aktyny. Profilina wiąże się z monomerami aktyny, ułatwiając polimeryzację na (+) końcu, poprzez dysocjację kompleksu aktyna-TB4.

Inne czynniki, takie jak wzrost jonów (Na ⁺ , K ⁺ lub Mg ⁺² ) sprzyjają tworzeniu się włókien.

Tworzenie cytoszkieletu aktynowego

Tworzenie cytoszkieletu aktynowego wymaga wykonania wiązań poprzecznych między filamentami aktyny. Wiązania te są tworzone przez białka, których wyróżniającymi cechami są: posiadają domeny wiążące aktynę; wiele ma domeny homologiczne do kalponiny; a każdy rodzaj białka jest wyrażany w określonym typie komórki.

We włóknach filopodii i włókien naprężeniowych wiązania poprzeczne między filamentami aktyny są tworzone przez fascynę i filaminę. Białka te powodują, że włókna aktyny są równoległe lub mają różne kąty. W ten sposób włókna aktynowe określają kształt komórki.

Obszar komórki z największą liczbą filamentów aktyny znajduje się w pobliżu błony komórkowej. Ten region nazywany jest korą. Cytoszkielet korowy jest zorganizowany na różne sposoby, w zależności od typu komórki i jest połączony z błoną plazmatyczną poprzez białka wiążące.

Niektóre z najlepiej opisanych cytoszkieletów to komórki mięśniowe, płytki krwi, komórki nabłonka i erytrocyty. Na przykład w komórkach mięśni białko wiążące dystrofinę wiąże włókna aktyny z integralnym kompleksem glikoprotein w błonie. Ten kompleks wiąże się z białkami macierzy zewnątrzkomórkowej.

Model działania interakcji aktyna-miozyna

Badacze pod kierunkiem Raymenta zaproponowali czterostopniowy model wyjaśniający interakcję aktyny i miozyny. Pierwszy krok polega na związaniu ATP z głowami miozyny. To wiązanie generuje zmianę konformacyjną w białku, uwalniając je od aktyny w małym włóknie.

ATP jest następnie hydrolizowany do ADP, uwalniając nieorganiczny fosforan. Cząsteczka miozyny przyłącza się do nowej podjednostki aktyny, generując stan o wysokiej energii.

Uwalnianie nieorganicznego fosforanu powoduje zmianę miozyny, powrót do początkowej konformacji i ruch małych włókien w stosunku do grubych włókien. Ten ruch powoduje ruch dwóch końców sarkomeru, zbliżając je do siebie.

Ostatnim krokiem jest zwolnienie ADP. W tym momencie głowa miozyny jest wolna i może wiązać się z nową cząsteczką ATP.

Ruch komórek napędzany polimeryzacją aktyny

Ruchliwość pełzająca to rodzaj ruchliwości komórek. Etapy tego rodzaju ruchliwości to: rzut osi wiodącej przyczepności w kierunku podłoża; przyczepność do podłoża; chowanie z tyłu; i brak przyczepności.

Projekcja osi lidera wymaga udziału białek, które uczestniczą w polimeryzacji i depolimeryzacji filamentów aktyny. Oś liderowa znajduje się w korze komórkowej, zwanej lamellipodem. Kroki rzutowania osi to:

- Aktywacja receptorów przez sygnał zewnątrzkomórkowy.

- Tworzenie aktywnych GTPaz i 4,5-bisfosforanofosfoinozytolu (PIP ₂ ).

- Aktywacja białek WASp / Scar i Arp2 / 3, które wiążą się z monomerami aktyny, tworząc rozgałęzienia we włóknach aktyny.

- Szybki wzrost włókien aktynowych na ozdobionym miozyną końcu gałęzi. Membrana jest wypychana do przodu.

- Zakończenie wydłużenia wytwarzanego przez białka płaszcza.

- Hydroliza ATP związanego z aktyną w starszych włóknach.

- Depolimeryzacja aktyny-ADP we włóknach pobudzanych przez ADF / kofilinę.

- Wymiana ADP na ATP katalizowany przez profilinę, generując aktynę G-ATP gotową do rozpoczęcia wydłużania gałęzi.

Choroby związane z aktyną

Dystrofia mięśniowa

Dystrofia mięśniowa jest chorobą zwyrodnieniową mięśni szkieletowych. Jest dziedziczony recesywnie i jest powiązany z chromosomem X. W populacji występuje głównie u mężczyzn (jeden na 3500 mężczyzn). Matki tych mężczyzn są heterozygotami bezobjawowymi i mogą nie mieć historii rodzinnej.

Istnieją dwie formy dystrofii mięśniowej, Duchenne i Becker, i obie są spowodowane defektami genu dystrofiny. Te wady składają się z delecji, które usuwają aksony.

Dystrofina to białko (427 kDa), które tworzy wiązania poprzeczne między filamentami aktyny. Ma domenę wiążącą aktynę na N-końcu i domenę wiążącą błonę na C-końcu. Pomiędzy obiema domenami znajduje się trzecia domena kanalikowa złożona z 24 tandemowych powtórzeń.

W siateczce korowej mięśniowej dystrofina uczestniczy w wiązaniu włókien aktyny z błoną plazmatyczną poprzez kompleks glikoprotein. Kompleks ten wiąże się również z białkami macierzy zewnątrzkomórkowej.

U pacjentów bez funkcjonalnej dystrofiny z dystrofią mięśniową Duchenne'a cytoszkielet korowy nie podtrzymuje błony komórkowej. W konsekwencji błona plazmatyczna jest uszkadzana przez stres związany z powtarzającymi się skurczami mięśni.

Bibliografia

1. Devlin, TM 2000. Biochemistry. Od redakcji Reverté, Barcelona.
2. Gunst, SJ i Zhang, W. 2008. Dynamika cytoszkieletu aktyny w mięśniach gładkich: nowy paradygmat regulacji skurczu mięśni gładkich. Am J Physiol Celi Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Cellular and Molecular biology. Od redakcji Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogota, Caracas, Madryt, Meksyk, Sao Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Zasady biochemii. WH Freeman, Nowy Jork.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Remodeling filamentu Actin przez czynnik depolimeryzacji aktyny / cofilin. PNAS, 107: 7299–7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Ruchliwość komórkowa napędzana przez montaż i demontaż filamentów aktyny. Celi, 112: 453–465.