ACTIN: CHARAKTERISTIKA, STRUKTURA, VLÁKNA, FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Aktin je cytosolický protein, který tvoří mikrovlákna. V eukaryotech je aktin jedním z nejhojnějších proteinů. Například představuje 10% hmotnostních celkového proteinu ve svalových buňkách; a mezi 1 a 5% proteinu v ne-svalových buňkách.

Tento protein spolu s meziprodukty a mikrotubuly tvoří cytoskelet, jehož hlavní funkcí je pohyblivost buňky, udržování tvaru buňky, dělení buněk a pohyb organel v rostlinách, houbách a zvířatech.

Zdroj: Sarcomere.svg: Derivát David Richfield (uživatel Slashme): Retama

Izoformy aktinového cytoskeletu mají různé funkce, jako například: regulace ve vývoji aktivního napětí v hladkém svalstvu, buněčný cyklus, vývoj embryí, vývoj tkání a hojení ran.

Z evolučního hlediska je aktin vysoce konzervovaným proteinem. U různých druhů existuje přibližně 90% sekvenční homologie. U jednobuněčných organismů jediný gen kóduje izoformu aktinu. Zatímco u mnohobuněčných organismů kódují různé geny rozmanité izoformy aktinu.

Aktin, společně s myosinem, byly klíčovými strukturami evolučního vývoje eukaryotických organismů a jejich diverzifikace, protože umožňovaly pohyb v nepřítomnosti jiných struktur, jako jsou bičíky a řasinky.

Struktura: aktinová vlákna

Aktin je globulární jednořetězcový polypeptidový protein. Ve svalu má aktin molekulovou hmotnost přibližně 42 KDa.

Tento protein má dvě domény. Každá z nich má dvě subdomény a mezeru mezi doménami. ATP - Mg ^{+2 se} váže na spodní část rozštěpu. Aminové a karboxylové konce se setkávají v subdoméně 1.

Actin G a aktin F

Existují dvě hlavní formy aktinu: aktinový monomer, nazývaný G-aktin; a vláknitý polymer, vyrobený z monomerů G-aktinu, nazývaných F-aktin. Aktinová vlákna, pozorovaná elektronovou mikroskopií, mají úzké a široké oblasti, v daném pořadí, v průměru 7 nm a 9 nm.

Podél vlákna tvoří aktinové monomery pevně zabalenou dvojitou šroubovici. Opakující se jednotka podél vlákna sestává z 13 helixů a 28 aktinových monomerů a má vzdálenost 72 nm.

Aktinové vlákno má dva konce. Jeden je tvořen mezerou, která spojuje ATP - Mg ⁺², který je umístěn ve stejném směru ve všech aktinových monomerech vlákna, nazývaných (-) konec; a druhý konec je opačný, nazývaný (+) konec. Proto se uvádí, že aktinové vlákno má polaritu.

Tyto složky se často nazývají mikrofilamenty, protože jsou to složky cytoskeletu s nejmenším průměrem.

Kde najdeme aktin?

Actin je extrémně běžný protein v eukaryotických organismech. Ze všech buněčných proteinů tvoří aktin asi 5 až 10% - v závislosti na typu buňky. V játrech, například každou z buněk, které ji tvoří má téměř 5,10 ⁸ aktinové molekuly.

vlastnosti

Obě formy aktinu, monomeru a filamentu, jsou neustále v dynamické rovnováze mezi polymerizací a depolymerizací. Obecně existují tři hlavní rysy tohoto jevu:

1) Aktinová vlákna jsou typická pro strukturu svalové tkáně a cytoskeletu eukaryotických buněk.

2) Polymerizace a depolymerizace je dynamický proces, který je regulován. Tam, kde k polymerizaci nebo agregaci monomerů aktinu G - ATP - Mg ⁺² dochází na obou koncích. Zda tento proces nastane, závisí na podmínkách prostředí a regulačních bílkovinách.

3) Tvorba svazků a sítnic, které tvoří aktinový cytoskelet, dává sílu buněčné motilitě. To závisí na proteinech, které se podílejí na tvorbě zesítění.

Funkce

Svalová kontrakce

Funkční a strukturální jednotka kosterního svalu je sarkomér, který má dva typy filamentů: tenká filamenty tvořená aktinem a tlustá filamenty tvořená myosinem. Obě vlákna jsou uspořádána střídavě, přesně geometrickým způsobem. Umožňují svalovou kontrakci.

Tenká vlákna jsou ukotvena k oblastem zvaným disky Z. Tato oblast sestává ze sítě vláken, ve které se nachází CapZ protein a ke kterým jsou ukotveny konce (+) aktinových vláken. Tato kotva brání depolymeraci (+) konce.

Na druhé straně je tropomodulin umístěn na koncích (-) aktinových vláken a chrání je před depolymerací. Kromě aktinu mají tenká vlákna tropomyosin a troponin, které slouží k řízení interakcí aktomyosinu.

Jak dochází ke svalové kontrakci?

Při svalové kontrakci provádějí hustá vlákna otáčecí pohyby a tahají tenká vlákna směrem ke středu sarkomery. To způsobuje prokluzování hrubých a tenkých vláken.

Délka tlustých a tenkých vláken tedy zůstává konstantní, ale překrývání mezi oběma vlákny se zvyšuje. Délka sarkomeru se snižuje v důsledku ukotvení tenkých vláken k Z diskům.

Jak zastavíte svalovou kontrakci?

ATP je energetická měna buňky. Proto je téměř vždy k dispozici v živých svalových tkáních. S ohledem na výše uvedené musí existovat mechanismy, které umožňují relaxaci svalu a zastavení kontrakcí.

V tomto jevu hrají zásadní roli dva proteiny, nazývané tropomyosin a troponin. Tyto látky společně blokují vazebná místa myosinu (čímž brání jeho vazbě na aktin). Výsledkem je uvolnění svalu.

Naopak, když zvíře umře, zažije jev známý jako rigor mortis. Za toto zesílení jatečně upraveného těla je odpovědné blokování interakce mezi myosinem a aktinem, krátce po smrti zvířete.

Jedním z důsledků tohoto jevu je potřeba ATP pro uvolnění dvou molekul proteinu. Logicky v mrtvých tkáních není k dispozici ATP a toto uvolnění nemůže nastat.

Jiné typy pohybu

Stejný mechanismus, který popisujeme (později se ponoříme do mechanismu ležícího v pohybu), se neomezuje na svalové kontrakce u zvířat. Je zodpovědný za amoeboidální pohyby, které pozorujeme u améb a některých koloniálních plísní.

Podobně je cytoplazmatický pohyb, který pozorujeme v řasách a rostlinách, poháněn podobnými mechanismy.

Regulace polymerizace a depolymerace aktinového vlákna

Kontrakce tkáně a buněk hladkého svalstva vede ke zvýšení F-aktinu a ke snížení G-aktinu. Polymerizace aktinu nastává ve třech fázích: 1) nukleace, pomalý krok; 2) prodloužení, rychlý krok; a 3) v ustáleném stavu. Rychlost polymerace je stejná jako rychlost depolymerace.

Aktinové vlákno roste rychleji na (+) konci než na (-) konci. Rychlost protažení je úměrná koncentraci aktinových monomerů v rovnováze s aktinovými filamenty, která se nazývá kritická koncentrace (Cc).

Cc pro (+) konec je 0,1 uM a pro (-) konec je 0,8 uM. To znamená, že k polymeraci (+) konce je zapotřebí 8krát nižší koncentrace aktinových monomerů.

Polymerace aktinu je regulována hlavně thymosinem beta4 (TB4). Tento protein váže G aktin a zachovává si ho, což mu brání polymerizovat. Zatímco profilin stimuluje polymeraci aktinu. Profilin se váže na aktinové monomery, což usnadňuje polymeraci na (+) konci, disociací komplexu aktin-TB4.

Další faktory, jako je zvýšení iontů (Na ⁺, K ⁺ nebo Mg ⁺²), podporují tvorbu vláken.

Tvorba aktinového cytoskeletu

Tvorba aktinového cytoskeletu vyžaduje vytvoření zesítění mezi aktinovými filamenty. Tyto vazby jsou tvořeny proteiny, jejichž vynikající vlastnosti jsou: mají domény vázající aktin; mnoho z nich má domény homologní s calponinem; a každý typ proteinu je exprimován v určitém typu buňky.

U filopodií a stresových vláken jsou příčné vazby mezi aktinovými filamenty provedeny fascinou a filaminem. Tyto proteiny způsobují, že aktinová vlákna jsou paralelní nebo mají různé úhly. Aktinová vlákna tedy definují tvar buňky.

Oblast buňky s největším počtem aktinových filamentů je umístěna poblíž plazmatické membrány. Tato oblast se nazývá kůra. Kortikální cytoskelet je organizován různými způsoby v závislosti na typu buňky a je vázán na plazmatickou membránu prostřednictvím vazebných proteinů.

Mezi nejlépe popsané cytoskeletony patří svalové buňky, krevní destičky, epiteliální buňky a erytrocyty. Například ve svalových buňkách se protein vázající dystrofin váže na aktinová vlákna na integrální glykoproteinový komplex v membráně. Tento komplex se váže na proteiny extracelulární matrix.

Akční model interakce aktin-myosin

Vědci vedeni Raymentem navrhli čtyřkrokový model vysvětlující interakci aktinu a myosinu. První krok nastane navázáním ATP na hlavy myosinu. Tato vazba vytváří konformační změnu v proteinu a uvolňuje ji z aktinu v malém vlákně.

ATP se pak hydrolyzuje na ADP a uvolní se anorganický fosfát. Molekula myosinu se připojuje k nové aktinové podjednotce, čímž vytváří vysokoenergetický stav.

Uvolňování anorganického fosfátu způsobuje změnu myosinu, vrací se k počáteční konformaci a dochází k pohybu malých filamentů vzhledem k hustým filamentům. Tento pohyb způsobuje pohyb obou konců sarkomery a přibližuje je k sobě.

Poslední krok zahrnuje vydání ADP. V tomto okamžiku je hlava myosinu volná a může se vázat na novou molekulu ATP.

Pohyb buněk poháněný aktinovou polymerizací

Procházení pohyblivosti je typ pohyblivosti buněk. Kroky tohoto typu pohyblivosti jsou: promítání hlavní vedoucí adheze směrem k substrátu; přilnavost k substrátu; zadní zasunutí; a neadheze.

Projekce vedoucí osy vyžaduje účast proteinů, které se účastní polymerace a depolymerace aktinových vláken. Vedoucí osa se nachází v buněčné kůře, zvané lamellipodium. Kroky promítání osy jsou:

- Aktivace receptorů extracelulárním signálem.

- Tvorba aktivních GTPáz a 4,5-bisfosfát fosfoinositolu (PIP ₂).

- Aktivace proteinů WASp / Scar a Arp2 / 3, které se vážou k aktinovým monomerům za vzniku větví v aktinových filamentech.

- Rychlý růst aktinových vláken na konci větve zdobeného myosinem. Membrána je tlačena dopředu.

- Dokončení prodloužení produkovaného obalovými proteiny.

- Hydrolýza ATP vázaného na aktin ve starších vláknech.

- Depolymerace aktin-ADP vláken podporovaných ADF / kofilinem.

- Výměna ADP za ATP katalyzovaná profilinem, čímž se vytvoří aktin G-ATP připravený začít prodlužovat větve.

Nemoci související s aktinem

Svalová dystrofie

Svalová dystrofie je degenerativní onemocnění kosterního svalu. Je recesivně zděděný a je spojen s chromozomem X. Ovlivňuje hlavně muže s vysokou frekvencí v populaci (jeden z každých 3 500 mužů). Matky těchto mužů jsou heterozygotní asymptomatické a mohou jim chybět rodinné anamnézy.

Existují dvě formy svalové dystrofie, Duchenne a Becker, a obě jsou způsobeny defekty v genu pro dystrofiny. Tyto defekty sestávají z delecí, které odstraňují axony.

Dystrofin je protein (427 KDa), který vytváří zesítění mezi aktinovými vlákny. Má doménu vázající aktin na N-konci a membránovou vazebnou doménu na C-konci. Mezi oběma doménami je třetí tubulární doména tvořená 24 tandemovými opakováními.

Ve svalovém kortikálním retikulu se dystrofin účastní vazby aktinových filamentů na plazmatickou membránu prostřednictvím glykoproteinového komplexu. Tento komplex se také váže na proteiny extracelulární matrix.

U pacientů postrádajících funkční dystrofin s Duchennovou svalovou dystrofií kortikální cytoskelet nepodporuje plazmatickou membránu. V důsledku toho je plazmatická membrána poškozena stresem opakovaných svalových kontrakcí.

Reference

1. Devlin, TM 2000. Biochemistry. Editorial Reverté, Barcelona.
2. Gunst, SJ a Zhang, W. 2008. Aktinová cytoskeletální dynamika v hladkém svalstvu: nové paradigma pro regulaci kontrakce hladkého svalstva. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Buněčná a molekulární biologie. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogota, Caracas, Madrid, Mexiko, Sāo Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Principy biochemie. WH Freeman, New York.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Remodelace vlákna aktinového depolymerizačního faktoru / kofilin. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Buněčná pohyblivost poháněná sestavením a demontáží aktinových vláken. Cell, 112: 453-465.