AKTIN: KARAKTERISTIKE, STRUKTURA, VLAKNA, FUNKCIJA - BIOLOGIJA - 2026

Aktin je u citosolu protein koji tvori mikrofilamenata. U eukariotama je aktin jedan od najzastupljenijih proteina. Na primjer, predstavlja 10 masenih% ukupnog proteina u mišićnim stanicama; i između 1 i 5% proteina u ne-mišićnim stanicama.

Ovaj protein, zajedno s intermedijarnim filamentima i mikrotubulima, tvori citoskelet, čija je glavna funkcija mobilnost stanice, održavanje oblika stanice, dioba stanica i kretanje organela u biljkama, gljivama i životinjama.

Izvor: Sarcomere.svg: David Richfield (Slashme korisnik) izvedenica: Retama

Izoforme citoskeleta aktina imaju različite funkcije, kao što su: regulacija u razvoju aktivne napetosti glatkih mišića, stanični ciklus, razvoj embrija, razvoj tkiva i zacjeljivanje rana.

S evolucijskog stajališta, aktin je visoko očuvan protein. Postoji oko 90% homologije sekvenci u različitim vrstama. U jednoćelijskih organizama jedan gen kodira aktinsku izoformu. Dok u višećelijskim organizmima različiti geni kodiraju više izoformi aktina.

Aktin, zajedno s miozinom, bili su presudne strukture u evolucijskoj evoluciji eukariotskih organizama i u njihovoj raznolikosti, jer su dopuštali kretanje u nedostatku drugih struktura, poput flagela i cilija.

Struktura: aktinski filamenti

Actin je globularni jednolančani polipeptidni protein. U mišićima, aktin ima molekularnu masu od oko 42 KDa.

Ovaj protein ima dvije domene. Svaka ima dvije poddomene i razmak između domena. ATP - Mg ⁺² veže se za dno rasjeda. Amino i karboksilni termini susreću se u poddomeni 1.

Actin G i aktin F

Postoje dva glavna oblika aktina: aktinski monomer, nazvan G-aktin; i filamentoni polimer, koji se sastoji od G-aktinskih monomera, zvanih F-aktin. Aktinova vlakna, promatrana elektronskom mikroskopijom, imaju uska i široka područja, odnosno promjera 7 nm i 9 nm.

Duž niti, aktinski monomeri tvore čvrsto zbijenu dvostruku spiralu. Jedinica koja se ponavlja duž niti se sastoji od 13 spirala i 28 aktinskih monomera, a ima udaljenost od 72 nm.

Aktinova nit ima dva kraja. Jedan je formiran razmakom koji spaja ATP - Mg ⁺², koji je smješten u istom smjeru u svim aktinskim monomerima niti, nazvanim (-) kraj; a drugi kraj je suprotan, naziva se (+) kraj. Stoga se kaže da aktinski filament ima polaritet.

Te su komponente često poznate kao mikrofilamenti, budući da su one komponente citoskeleta s najmanjim promjerom.

Gdje možemo pronaći aktin?

Aktin je izuzetno čest protein u eukariotskim organizmima. Od svih staničnih proteina, aktin čini oko 5-10% - ovisno o vrsti stanice. Na primjer, u jetri svaka stanica koja je čini ima gotovo 5,10 ⁸ molekula aktina.

karakteristike

Dva oblika aktina, monomera i filamenta kontinuirano su u dinamičnoj ravnoteži između polimerizacije i depolimerizacije. Postoje općenito tri karakteristike ovog fenomena:

1) Aktinski filamenti su tipični za strukturu mišićnog tkiva i citoskeleta eukariotskih stanica.

2) Polimerizacija i depolimerizacija dinamičan je proces koji je reguliran. Gdje se polimerizacija ili agregacija G - ATP - Mg ⁺² monomera aktina događa na oba kraja. Hoće li se taj proces dogoditi ovisi o uvjetima okoline i regulatornim proteinima.

3) Stvaranje snopa i mrežnica koji čine citoskelet aktina daje snagu pokretljivosti stanica. To ovisi o proteinima koji su uključeni u stvaranje umreženih veza.

Značajke

Kontrakcija mišića

Funkcionalna i strukturna cjelina skeletnog mišića je sarcomere koji ima dvije vrste filamenata: tanke niti, oblikovane aktinom, i debele niti koje tvore miozin. Oba filamenta raspoređena su naizmjenično, na precizno geometrijski način. Omogućuju kontrakciju mišića.

Tanki filamenti učvršćeni su na područja zvana Z diskovi, koja se sastoji od mreže vlakana u kojoj se nalazi protein CapZ i na kojoj su krajevi (+) aktinski filamenti usidreni. Ovo sidro sprječava depolimerizaciju kraja (+).

S druge strane, tropomodulin se nalazi na krajevima (-) aktinskih filamenata i štiti ih od depolimerizacije. Osim aktina, tanki filamenti posjeduju tropomiozin i troponin, koji djeluju za kontrolu interakcije aktomiozina.

Kako nastaje kontrakcija mišića?

Tijekom mišićne kontrakcije, debeli filamenti izvode okretne pokrete, povlačeći tanke niti prema sredini sarcomera. Zbog toga se gruba i tanka vlakna slijevaju.

Tako duljina gustih i tankih niti ostaje stalna, ali se preklapanje između oba vlakna povećava. Duljina sarcomera smanjuje se zbog usidrenja tankih niti na Z diskovima.

Kako zaustaviti kontrakciju mišića?

ATP je energetska valuta stanice. Stoga je gotovo uvijek dostupan u živim mišićnim tkivima. Uzimajući u obzir gore navedeno, moraju postojati mehanizmi koji omogućuju opuštanje mišića i zaustavljanje kontrakcija.

Dva proteina, nazvana tropomiozin i troponin, igraju temeljnu ulogu u ovom fenomenu. Oni zajedno djeluju na blokiranju mjesta vezivanja miozina (čime se sprječava njegovo vezanje na aktin). Kao rezultat toga, mišić se opušta.

Suprotno tome, kada životinja ugine, doživljava fenomen poznat kao rigor mortis. Za ovo otvrdnjavanje trupa odgovorno je blokiranje interakcije miozina i aktina, nedugo nakon smrti životinje.

Jedna od posljedica ove pojave je potreba za ATP-om za oslobađanje dvije proteinske molekule. Logično je da u mrtvim tkivima nema dostupnosti ATP-a i do ovog oslobađanja ne može doći.

Ostale vrste kretanja

Isti mehanizam koji opisujemo (kasnije ćemo istražiti mehanizam koji se temelji na kretanju) nije ograničen na mišićne kontrakcije. Odgovorna je za ameboidne pokrete koje opažamo kod ameba i nekih kolonijalnih plijesni.

Slično, citoplazmatski pokret koji primjećujemo u algama i u kopnenim biljkama pokreće slične mehanizme.

Regulacija polimerizacije i depolimerizacije filamentskih alata

Kontrakcija tkiva i stanica glatkog mišića uzrokuje porast F-aktina i smanjenje G-aktina. Polimerizacija aktina odvija se u tri stupnja: 1) nukleacija, polagani korak; 2) izduženje, brz korak; i 3) postojano stanje. Brzina polimerizacije jednaka je brzini depolimerizacije.

Aktinski filament raste brže na (+) kraju nego na (-) kraju. Brzina istezanja proporcionalna je koncentraciji aktinskih monomera u ravnoteži s aktinskim vlaknima, koja se naziva kritična koncentracija (Cc).

Cc za (+) kraj je 0,1 uM, a za (-) kraj je 0,8 uM. To znači da je za polimerizaciju (+) kraja potrebna 8 puta manja koncentracija aktinskih monomera.

Polimerizacija aktina uglavnom je regulirana timozin beta4 (TB4). Ovaj protein veže G aktin i zadržava ga, sprečavajući ga da polimerizira. Dok profilin potiče polimerizaciju aktina. Profilin se veže na monomere aktina, olakšavajući polimerizaciju na (+) kraju, disocijacijom kompleksa aktin-TB4.

Ostali čimbenici poput povećanja iona (Na ⁺, K ⁺ ili Mg ⁺²) pogoduju stvaranju filamenata.

Stvaranje citoskeleta aktina

Da bi se stvorio citoskelet aktina zahtijeva uspostavljanje umreženih aktinskih filamenata. Ove veze formiraju proteini, čije su izvanredne karakteristike: imaju domene koje vežu aktin; mnoge imaju domene homologne kalponinu; a svaka vrsta proteina se eksprimira u određenoj vrsti stanica.

U filopodiji i stresnim vlaknima, umreženost između aktinskih filamenata čine fasina i filamin. Ovi proteini uzrokuju da su aktinski filamenti paralelni ili imaju različite kutove. Dakle, aktinski filamenti definiraju oblik stanice.

Područje stanice s najvećim brojem aktinskih filamenata nalazi se u blizini plazma membrane. Ova regija se naziva korteks. Kortikalni citoskelet organiziran je na različite načine, ovisno o vrsti stanice, i povezan je s plazma membranom preko vezivnih proteina.

Neki od najbolje opisanih citoskeleta su mišićne stanice, trombociti, epitelne stanice i eritrociti. Na primjer, u mišićnim stanicama, protein koji veže distrofin veže se aktinski filamenti na integralni glikoproteinski kompleks u membrani. Ovaj se kompleks veže na proteine ​​izvanćelijskog matriksa.

Akcijski model interakcije aktin-miozin

Istraživači predvođeni Raymentom predložili su model u četiri koraka kako bi objasnili interakciju aktina i miozina. Prvi korak se događa vezanjem ATP-a na glave miozina. Ovo vezanje stvara konformacijsku promjenu proteina, oslobađajući ga iz aktina u malom filcu.

ATP se zatim hidrolizira u ADP, oslobađajući anorganski fosfat. Molekula miozina veže se za novu aktinsku podjedinicu, stvarajući visokoenergetsko stanje.

Oslobađanje anorganskog fosfata uzrokuje promjenu miozina, vraćanje na početnu konformaciju i kretanje malih niti, s obzirom na guste niti. Ovaj pokret uzrokuje pomicanje oba kraja sarkomera, zbližavajući ih.

Posljednji korak uključuje oslobađanje ADP-a. U ovom je trenutku glava miozina slobodna i može se vezati za novu ATP molekulu.

Kretanje stanica pokretano polimerizacijom aktina

Motilnost puzanja je vrsta pokretljivosti stanica. Koraci ove vrste pokretljivosti su: projekcija osi vodeće adhezije prema supstratu; prijanjanje na podlogu; povlačenje straga; i odljepljivanje.

Projekcija vodeće osi zahtijeva sudjelovanje proteina koji sudjeluju u polimerizaciji i depolimerizaciji aktinskih filamenata. Vodeća os nalazi se u staničnoj kore, nazvanoj lamelipodijum. Koraci projekcije osi su:

- Aktivacija receptora izvanstaničnim signalom.

- Stvaranje aktivnih GTPaza i 4,5-bisfosfat fosfoinozitola (PIP ₂).

- Aktivacija proteina WASp / Scar i Arp2 / 3, koji se vežu na monomere aktina i formiraju grane u aktinskim vlaknima.

- Brz rast aktinskih filamenata, na kraju grana ukrašenom miozinom. Membrana se gura naprijed.

- Završetak produženja produženog proteinskim slojem.

- Hidroliza ATP-a vezana za aktin u starijim filamentima.

- Depolimerizacija aktina-ADP filamenata koju promovira ADF / kofilin.

- Razmjena ADP-a za ATP kataliziranog profilinom, stvarajući G-ATP aktin spreman za početak izduživanja grana.

Bolesti povezane s aktinom

Mišićna distrofija

Mišićna distrofija je degenerativna bolest koštanog mišića. Recesivno se nasljeđuje i vezan je za X kromosom, a uglavnom pogađa muškarce s velikom učestalošću u populaciji (jedan na 3.500 muškaraca). Majke ovih muškaraca heterozigotne su asimptomatske i možda im nedostaje obiteljska anamneza.

Postoje dva oblika mišićne distrofije, Duchenne i Becker, a oba su uzrokovana defektima gena distrofina. Ove se mane sastoje od brisanja kojima se uklanjaju aksoni.

Dystrophin je protein (427 KDa) koji formira umreženost između aktinskih filamenata. Ima domenu koja veže aktin na N-terminusu i domenu koja veže membranu na C-kraju. Između obje domene nalazi se treća cjevasta domena koju čine 24 tandemska ponavljanja.

U mišićnom kortikalnom retikulu, distrofin sudjeluje u vezanju aktinskih filamenata na plazma membranu putem glikoproteinskog kompleksa. Ovaj se kompleks veže i za proteine ​​izvanstanične matrice.

U bolesnika kojima nedostaje funkcionalni distrofin s Duchenne-ovom mišićnom distrofijom, kortikalni citoskelet ne podržava plazma membranu. Posljedično, plazma membrana je oštećena stresom opetovanih kontrakcija mišića.

Reference

1. Devlin, TM 2000. Biokemija. Uredništvo Reverté, Barcelona.
2. Gunst, SJ i Zhang, W. 2008. Aktin citoskeletne dinamike u glatkim mišićima: nova paradigma za regulaciju kontrakcije glatkih mišića. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Stanična i molekularna biologija. Uredništvo Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogota, Caracas, Madrid, Meksiko, Sāo Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Načela biokemije. WH Freeman, New York.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Pregradnja akutnih filamenta pomoću faktora depolimerizacije aktina / kofilin. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Stanična pokretljivost vođena sastavljanjem i demontažom aktinskih filamenata. Cell, 112: 453-465.