АКТИН: ХАРАКТЕРИСТИКА, СТРОЕНИЕ, ВОЛОКНА, ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2024

Актина является цитозольными белками , который образует микрофиламенты. У эукариот актин - один из самых распространенных белков. Например, он составляет 10% от общего веса белка в мышечных клетках; и от 1 до 5% белка в немышечных клетках.

Этот белок вместе с промежуточными филаментами и микротрубочками образует цитоскелет, основной функцией которого является подвижность клетки, поддержание формы клетки, деление клеток и перемещение органелл у растений, грибов и животных.

Источник: Sarcomere.svg: Дэвид Ричфилд (пользователь Slashme), производная работа: Retama

Изоформы актинового цитоскелета выполняют различные функции, такие как: регулирование развития активного напряжения в гладких мышцах, клеточный цикл, развитие эмбриона, развитие тканей и заживление ран.

С эволюционной точки зрения актин - высококонсервативный белок. Гомология последовательностей у разных видов составляет около 90%. У одноклеточных организмов один ген кодирует изоформу актина. В то время как в многоклеточных организмах разные гены кодируют несколько изоформ актина.

Актин вместе с миозином были решающими структурами в эволюционной эволюции эукариотических организмов и в их диверсификации, поскольку они позволяли движение в отсутствие других структур, таких как жгутики и реснички.

Структура: актиновые нити

Актин представляет собой глобулярный одноцепочечный полипептидный белок. В мышцах актин имеет молекулярную массу примерно 42 кДа.

Этот белок имеет два домена. У каждого есть два поддомена и промежуток между доменами. АТФ - Mg ⁺² связывается со дном щели. Амино- и карбоксильные концы встречаются в субдомене 1.

Актин G и актин F

Есть две основные формы актина: мономер актина, называемый G-актином; и нитевидный полимер, состоящий из мономеров G-актина, называемый F-актином.Филаменты актина, наблюдаемые с помощью электронной микроскопии, имеют узкие и широкие области, соответственно 7 нм и 9 нм в диаметре.

Вдоль филамента мономеры актина образуют плотно упакованную двойную спираль. Повторяющаяся единица вдоль филамента состоит из 13 спиралей и 28 мономеров актина и находится на расстоянии 72 нм.

Актиновая нить имеет два конца. Один образован разрывом, который соединяет АТФ - Mg ⁺² , который расположен в одном направлении во всех актиновых мономерах филамента, и называется (-) концом; а другой конец - противоположный, называемый (+) концом. Следовательно, актиновая нить имеет полярность.

Эти компоненты часто называют микрофиламентами, поскольку они представляют собой компоненты цитоскелета с наименьшим диаметром.

Где мы находим актин?

Актин - чрезвычайно распространенный белок в эукариотических организмах. Из всех клеточных белков актин составляет около 5-10% - в зависимости от типа клетки. В печени, например, каждый из клеток , которые делают его имеет почти 5,10 ⁸ молекул актина.

характеристики

Две формы актина, мономер и филамент, постоянно находятся в динамическом балансе между полимеризацией и деполимеризацией. В целом, это явление можно выделить три основных характеристики:

1) Актиновые нити характерны для строения мышечной ткани и цитоскелета эукариотических клеток.

2) Полимеризация и деполимеризация - это динамический процесс, который регулируется. Когда полимеризация или агрегация мономеров актина G - ATP - Mg ⁺² происходит на обоих концах. Произойдет ли этот процесс, зависит от условий окружающей среды и регуляторных белков.

3) Образование пучков и сеток, составляющих актиновый цитоскелет, придает силу подвижности клеток. Это зависит от белков, которые участвуют в образовании поперечных связей.

Характеристики

Сокращение мышц

Функциональной и структурной единицей скелетных мышц является саркомер, который имеет два типа волокон: тонкие волокна, образованные актином, и толстые волокна, образованные миозином. Обе нити расположены поочередно, точно геометрически. Они позволяют сокращаться мышцам.

Тонкие нити прикреплены к участкам, называемым дисками Z. Эта область состоит из сети волокон, в которых находится белок CapZ, и к которым прикреплены концы (+) актиновых нитей. Этот якорь предотвращает деполимеризацию (+) конца.

С другой стороны, тропомодулин находится на концах (-) актиновых филаментов и защищает их от деполимеризации. Помимо актина, тонкие филаменты содержат тропомиозин и тропонин, которые контролируют взаимодействия актомиозина.

Как происходит сокращение мышц?

Во время сокращения мышц толстые нити совершают вращательные движения, вытягивая тонкие нити к середине саркомера. Это вызывает скольжение грубых и тонких волокон.

Таким образом, длина толстых и тонких нитей остается постоянной, но перекрытие между обеими нитями увеличивается. Длина саркомера уменьшается из-за прикрепления тонких нитей к Z-дискам.

Как остановить сокращение мышц?

АТФ - это энергетическая валюта клетки. Следовательно, он почти всегда присутствует в живых мышечных тканях. Принимая во внимание вышесказанное, должны быть механизмы, позволяющие расслабить мышцу и прекратить сокращение.

Два белка, называемые тропомиозином и тропонином, играют фундаментальную роль в этом явлении. Они работают вместе, чтобы блокировать сайты связывания миозина (тем самым предотвращая его связывание с актином). В результате мышца расслабляется.

И наоборот, когда животное умирает, оно испытывает явление, известное как трупное окоченение. За это упрочнение тушки отвечает блокирование взаимодействия миозина и актина вскоре после смерти животного.

Одним из следствий этого явления является потребность в АТФ для высвобождения двух белковых молекул. Логично, что в мертвых тканях АТФ недоступен, и его высвобождение не может произойти.

Другие виды движения

Тот же механизм, который мы описываем (позже мы углубимся в механизм, лежащий в основе движения), не ограничивается сокращениями мышц у животных. Он отвечает за амебоидные движения, которые мы наблюдаем у амеб и некоторых колониальных форм.

Точно так же движение цитоплазмы, которое мы наблюдаем у водорослей и наземных растений, управляется аналогичными механизмами.

Регулирование полимеризации и деполимеризации актиновых филаментов

Сокращение гладкой мышечной ткани и клеток вызывает увеличение F-актина и уменьшение G-актина.Полимеризация актина происходит в три стадии: 1) зародышеобразование, медленная стадия; 2) удлинение, быстрый шаг; и 3) устойчивое состояние. Скорость полимеризации равна скорости деполимеризации.

Актиновая нить растет быстрее на (+) конце, чем на (-). Скорость удлинения пропорциональна концентрации мономеров актина, находящихся в равновесии с актиновыми филаментами, называемой критической концентрацией (Cc).

Cc для (+) конца составляет 0,1 мкМ, а для (-) конца составляет 0,8 мкМ. Это означает, что для полимеризации (+) конца требуется в 8 раз меньшая концентрация мономеров актина.

Полимеризация актина в основном регулируется тимозином бета4 (ТВ4). Этот белок связывает G-актин и удерживает его, предотвращая его полимеризацию. Профилин же стимулирует полимеризацию актина. Профилин связывается с мономерами актина, облегчая полимеризацию на (+) конце за счет диссоциации комплекса актин-TB4.

Другие факторы, такие как увеличение количества ионов (Na ⁺ , K ⁺ или Mg ⁺² ), способствуют образованию волокон.

Формирование актинового цитоскелета

Формирование актинового цитоскелета требует создания поперечных связей между актиновыми филаментами. Эти связи образованы белками, выдающимися характеристиками которых являются: они имеют актин-связывающие домены; многие имеют домены, гомологичные кальпонину; и каждый тип белка экспрессируется в определенном типе клетки.

В филоподиях и стрессовых волокнах поперечные связи между актиновыми филаментами осуществляются фасциной и филамином. Эти белки, соответственно, заставляют актиновые филаменты располагаться параллельно или иметь разные углы. Таким образом, актиновые филаменты определяют форму клетки.

Область клетки с наибольшим количеством актиновых филаментов расположена рядом с плазматической мембраной. Эта область называется корой. Кортикальный цитоскелет организован по-разному, в зависимости от типа клетки, и связан с плазматической мембраной через связывающие белки.

Некоторые из наиболее описанных цитоскелетов - это мышечные клетки, тромбоциты, эпителиальные клетки и эритроциты. Например, в мышечных клетках белок, связывающий дистрофин, связывает актиновые филаменты с целостным гликопротеиновым комплексом в мембране. Этот комплекс связывается с белками внеклеточного матрикса.

Модель действия актин-миозинового взаимодействия

Исследователи под руководством Реймента предложили четырехступенчатую модель для объяснения взаимодействия актина и миозина. Первый шаг происходит при связывании АТФ с головками миозина. Это связывание вызывает конформационное изменение белка, высвобождая его из актина в тонком филаменте.

Затем АТФ гидролизуется до АДФ с высвобождением неорганического фосфата. Молекула миозина присоединяется к новой субъединице актина, создавая высокоэнергетическое состояние.

Выделение неорганического фосфата вызывает изменение миозина, возвращение к исходной конформации и движение мелких нитей относительно толстых нитей. Это движение вызывает движение двух концов саркомера, сближая их.

Последний шаг включает выпуск ADP. На этом этапе головка миозина свободна и может связываться с новой молекулой АТФ.

Движение клеток за счет полимеризации актина

Ползучая подвижность - это тип подвижности клеток. Шагами этого типа подвижности являются: проекция оси лидера адгезии к субстрату; адгезия к основанию; задний втягивание; и отторжение.

Проекция лидерной оси требует участия белков, которые участвуют в полимеризации и деполимеризации актиновых филаментов. Ось лидера находится в коре клеток, называемой ламеллиподиумом. Шаги проецирования оси:

- Активация рецепторов внеклеточным сигналом.

- Образование активных GTPases и 4,5-бисфосфатфосфоинозитола (PIP ₂ ).

- Активация белков WASp / Scar и Arp2 / 3, которые связываются с мономерами актина с образованием ответвлений в актиновых филаментах.

- Быстрый рост актиновых филаментов на конце ветви, украшенной миозином. Мембрана выдвигается вперед.

- Завершение удлинения, производимого белками оболочки.

- Гидролиз АТФ, связанного с актином, в старых филаментах.

- Деполимеризация актин-АДФ филаментов, вызванная АДФ / кофилином.

- Обмен АДФ на АТФ, катализируемый профилином, генерирующий актин Г-АТФ, готовый начать удлинение ответвлений.

Заболевания, связанные с актином

Мышечная дистрофия

Мышечная дистрофия - дегенеративное заболевание скелетных мышц. Он наследуется рецессивно и связан с хромосомой X. В основном он поражает мужчин с высокой частотой в популяции (один на каждые 3500 мужчин). Матери этих мужчин гетерозиготны, бессимптомны и могут не иметь семейного анамнеза.

Есть две формы мышечной дистрофии, Дюшенна и Беккера, и обе они вызваны дефектами гена дистрофина. Эти дефекты состоят из делеций, которые удаляют аксоны.

Дистрофин - это белок (427 кДа), который образует поперечные связи между актиновыми филаментами. Он имеет актин-связывающий домен на N-конце и мембранно-связывающий домен на C-конце. Между обоими доменами находится третий трубчатый домен, состоящий из 24 тандемных повторов.

В мышечном кортикальном ретикулуме дистрофин участвует в связывании актиновых филаментов с плазматической мембраной через гликопротеиновый комплекс. Этот комплекс также связывается с белками внеклеточного матрикса.

У пациентов с дефицитом функционального дистрофина с мышечной дистрофией Дюшенна кортикальный цитоскелет не поддерживает плазматическую мембрану. Следовательно, плазматическая мембрана повреждается стрессом от повторяющихся мышечных сокращений.

Ссылки

1. Девлин, TM 2000. Биохимия. Редакция Reverté, Барселона.
2. Gunst, SJ, и Zhang, W. 2008. Актиновая динамика цитоскелета в гладких мышцах: новая парадигма для регулирования сокращения гладких мышц. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Лодиш, Х., Берк, А., Зипурски, С.Л., Мацудария, П., Балтимор, Д., Дарнелл, Дж. 2003. Клеточная и молекулярная биология. От редакции Medica Panamericana, Буэнос-Айрес, Богота, Каракас, Мадрид, Мексика, Сан-Паулу.
4. Нельсон, Д.Л., Кокс, М.М. 2008. Ленингер - Принципы биохимии. WH Freeman, Нью-Йорк.
5. Пфаендтнер, Дж., Де Ла Круз, Э.М., Вот, Г. 2010. Ремоделирование актиновых филаментов под действием фактора деполимеризации актина / кофилина. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Поллард, Т.Д., Бориси, Г.Г. 2003. Подвижность клеток, управляемая сборкой и разборкой актиновых нитей. Cell, 112: 453-465.