АКТИН: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, НИШКИ, ФУНКЦИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

В актин е цитозолен протеин, който образува микрофиламенти. В еукариотите актинът е един от най-изобилните протеини. Например, той представлява 10 тегловни% от общия протеин в мускулните клетки; и между 1 и 5% от протеина в немускулните клетки.

Този протеин, заедно с междинните нишки и микротрубочките образуват цитоскелета, чиято основна функция е подвижността на клетката, поддържането на клетъчната форма, клетъчното делене и движението на органели в растения, гъби и животни.

Източник: Sarcomere.svg: Дейвид Ричфийлд (Slashme потребител) производна работа: Retama

Изоформите на актиновия цитоскелет имат различни функции като: регулиране в развитието на активно напрежение в гладката мускулатура, клетъчен цикъл, развитие на ембриони, развитие на тъкани и зарастване на рани.

От еволюционна гледна точка актинът е силно запазен протеин. При различни видове има около 90% хомология на последователността. В едноклетъчните организми един ген кодира актинова изоформа. Докато в многоклетъчните организми, различни гени кодират множество изоформи на актин.

Актинът, заедно с миозина, са били решаващи структури в еволюционната еволюция на еукариотните организми и в тяхната диверсификация, тъй като позволяват движение в отсъствие на други структури, като например жгутици и реснички.

Структура: актинови нишки

Актинът е глобуларен едноверижен полипептиден протеин. В мускулите актинът има молекулна маса приблизително 42 KDa.

Този протеин има два домейна. Всеки има два поддомена и празнина между домейните. ATP - Mg ^{+2 се} свързва към дъното на цепнатината. Амино и карбоксилните термини се срещат в поддомейн 1.

Актин G и актин F

Има две основни форми на актин: актиновият мономер, наречен G-актин; и нишковидни полимери, съставени от G-актинови мономери, наречени F-актин. Актиновите нишки, наблюдавани чрез електронна микроскопия, имат тесни и широки области, съответно 7 nm и 9 nm в диаметър.

По протежение на нишката актиновите мономери образуват плътно опакована двойна спирала. Повтарящата се единица по протежение на нишката се състои от 13 спирали и 28 актинови мономера и има разстояние 72 nm.

Актиновата нишка има два края. Единият се образува от пролуката, която се присъединява към ATP - Mg ⁺², която е разположена в една и съща посока във всички актинови мономери на нишката, наречена (-) край; а другият край е обратният, наречен (+) край. Следователно се казва, че актиновата нишка има полярност.

Тези компоненти често са известни като микрофиламенти, тъй като те са компонентите на цитоскелета с най-малък диаметър.

Къде можем да намерим актин?

Актинът е изключително често срещан протеин в еукариотни организми. От всички клетъчни протеини актинът представлява около 5-10% - в зависимост от типа на клетката. В черния дроб, например, всяка от клетките, които го съставят, има почти 5,10 ⁸ молекули актин.

характеристики

Двете форми на актин, мономер и нишки са непрекъснато в динамичен баланс между полимеризация и деполимеризация. Като цяло има три забележителни характеристики на това явление:

1) Актиновите нишки са характерни за структурата на мускулната тъкан и цитоскелета на еукариотните клетки.

2) Полимеризацията и деполимеризацията е динамичен процес, който се регулира. Когато полимеризацията или агрегирането на G - ATP - Mg ⁺² актинови мономери се среща в двата края. Дали този процес се случва, зависи от условията на околната среда и регулаторните протеини.

3) Образуването на снопове и ретикули, съставляващи цитоскелета на актина, придава сила на клетъчната подвижност. Това зависи от протеините, които участват във формирането на кръстосани връзки.

Характеристика

Мускулно свиване

Функционалната и структурна единица на скелетния мускул е саркомерът, който има два вида нишки: тънките нишки, образувани от актин, и дебелите нишки, образувани от миозин. И двата нишки са подредени последователно, по точно геометричен начин. Те позволяват свиване на мускулите.

Тънките нишки са закотвени към области, наречени дискове Z. Този регион се състои от мрежа от влакна, в които се намира протеинът CapZ и към които краищата (+) на актиновите нишки са закотвени. Това котва предотвратява деполимеризация на (+) края.

От друга страна, тропомодулинът е разположен в краищата (-) на актиновите нишки и ги предпазва от деполимеризация. В допълнение към актина, тънките нишки притежават тропомиозин и тропонин, които функционират за контрол на взаимодействията на актомиозин.

Как протича свиването на мускулите?

По време на свиването на мускулите дебелите нишки извършват завъртащи движения, издърпвайки тънките нишки към средата на саркомера. Това причинява изплъзване на груби и тънки влакна.

По този начин дължината на дебелите и тънки нишки остава постоянна, но припокриването между двете нишки се увеличава. Дължината на саркомера се намалява чрез закрепване на тънки нишки към Z дисковете.

Как спирате свиването на мускулите?

ATP е енергийната валута на клетката. Следователно, той почти винаги е наличен в живи мускулни тъкани. Като се вземат предвид горното, трябва да има механизми, които позволяват отпускането на мускула и спирането на контракциите.

Два протеина, наречени тропомиозин и тропонин, играят основна роля в това явление. Те работят заедно, за да блокират свързващите места на миозина (като по този начин предотвратяват свързването му с актин). В резултат на това мускулът се отпуска.

И обратно, когато едно животно умре, то изпитва феномен, известен като строга мортес. Отговорен за това втвърдяване на трупа е блокирането на взаимодействието между миозин и актин, малко след смъртта на животното.

Едно от последствията от това явление е необходимостта от АТФ за освобождаване на двете протеинови молекули. Логично е, че в мъртвите тъкани няма наличие на АТФ и това освобождаване не може да се случи.

Други видове движение

Същият механизъм, който описваме (по-късно ще се задълбочим в механизма, който лежи в основата на движението), не се ограничава до мускулни контракции при животните. Той е отговорен за амебоидалните движения, които наблюдаваме в амебите и в някои колониални плесени.

По подобен начин цитоплазменото движение, което наблюдаваме в водораслите и в сухоземните растения, се задвижва от подобни механизми.

Регулиране на полимеризацията на актиновите нишки и деполимеризацията

Свиването на гладката мускулна тъкан и клетките води до увеличаване на F-актина и намаляване на G-актина.Полимеризацията на актин протича на три етапа: 1) нуклеиране, бавен етап; 2) удължение, бърза стъпка; и 3) стабилно състояние. Скоростта на полимеризация е равна на скоростта на деполимеризация.

Актиновата нишка расте по-бързо в края (+), отколкото в (-) края. Скоростта на удължаване е пропорционална на концентрацията на актиновите мономери в равновесие с актиновите нишки, наречена критична концентрация (Сс).

Cc за (+) края е 0.1 цМ, а за (-) края е 0.8 цМ. Това означава, че за полимеризиране на (+) края е необходима 8 пъти по-малка концентрация на актинови мономери.

Актиновата полимеризация се регулира главно от тимозин бета4 (TB4). Този протеин свързва G актин и го задържа, предотвратявайки полимеризацията му. Докато профилинът стимулира полимеризацията на актина. Профилинът се свързва с мономери на актина, улеснява полимеризацията в (+) края чрез дисоциация на комплекса актин-ТВ4.

Други фактори като увеличаването на йони (Na ⁺, K ⁺ или Mg ⁺²) благоприятстват образуването на нишки.

Образуване на актиновия цитоскелет

Образуването на актиновия цитоскелет изисква осъществяването на кръстосани връзки между актиновите нишки. Тези връзки се образуват от протеини, чиито изключителни характеристики са: те имат свързващи актини домени; много имат домейни, хомологични на калпонин; и всеки вид протеин се експресира в определен тип клетки.

При филоподиите и стрес влакната кръстосаните връзки между актиновите нишки се правят от фашина и филамин. Тези протеини, съответно, причиняват актиновите нишки да бъдат успоредни или да имат различни ъгли. По този начин, актиновите нишки определят формата на клетката.

Районът на клетката с най-голям брой актинови нишки е разположен близо до плазмената мембрана. Този регион се нарича кора. Кортовият цитоскелет е организиран по различни начини, в зависимост от типа на клетката и е свързан с плазмената мембрана чрез свързващи протеини.

Някои от най-добре описаните цитоскелети са мускулни клетки, тромбоцити, епителни клетки и еритроцити. Например, в мускулните клетки, протеинът, свързващ дистрофина, свързва актиновите нишки с интегрален гликопротеинов комплекс в мембраната. Този комплекс се свързва с протеини на извънклетъчна матрица.

Модел за действие за взаимодействие между актин и миозин

Изследователите, водени от Реймент, предложиха четиристепенен модел, който да обясни взаимодействието на актин и миозин. Първата стъпка става със свързването на АТФ с главите на миозина. Това свързване поражда конформационна промяна в протеина, освобождавайки го от актина в малката нишка.

След това ATP се хидролизира до ADP, отделяйки неорганичен фосфат. Молекулата на миозина се прикрепя към нова актинова субединица, генерирайки високо енергийно състояние.

Освобождаването на неорганичен фосфат води до промяна на миозина, връщане към първоначалната конформация и движението на малките нишки по отношение на дебелите нишки. Това движение причинява движението на двата края на саркомера, като ги сближава.

Последната стъпка включва освобождаването на ADP. В този момент главата на миозина е свободна и може да се свърже с нова ATP молекула.

Движението на клетките, задвижвано от полимеризация на актина

Подвижността на пълзенето е вид подвижност на клетките. Стъпките на този тип подвижност са: проекция на оста на адхезионния водач към субстрата; адхезия към основата; отдръпване отзад; и несъединяване.

Проекцията на лидерната ос изисква участието на протеини, които участват в полимеризацията и деполимеризацията на актиновите нишки. Водещата ос се намира в клетъчната кора, наречена ламелиподиум. Стъпките за проектиране на оста са:

- Активиране на рецепторите чрез извънклетъчен сигнал.

- Образуване на активни GTPази и 4,5-бисфосфат фосфоинозитол (PIP ₂).

- Активиране на протеините WASp / Scar и Arp2 / 3, които се свързват с актиновите мономери за образуване на клони в актинови нишки.

- Бърз растеж на актиновите нишки в края, украсен с миозин. Мембраната се изтласква напред.

- Завършване на удължението, произведено от протеините от козината.

- Хидролиза на АТФ, свързан с актин в по-стари нишки.

- Деполимеризация на актин-ADP на нишките, промотирани от ADF / кофилин.

- Обмяна на ADP за ATP, катализиран от профилин, генериращ G-ATP актин, готов да започне да удължава клоните.

Актинови заболявания

Мускулна дистрофия

Мускулната дистрофия е дегенеративно заболяване на скелетния мускул. Рецесивно се наследява и е свързан с хромозомата X. Засяга главно мъже с висока честота в популацията (един на всеки 3500 мъже). Майките на тези мъже са хетерозиготни безсимптомни и може да им липсва фамилна анамнеза.

Има две форми на мускулна дистрофия, Дюшен и Бекер, и двете са причинени от дефекти в дистрофиновия ген. Тези дефекти се състоят от заличавания, които премахват аксоните.

Дистрофинът е протеин (427 KDa), който образува кръстосани връзки между актиновите нишки. Той има домен, свързващ актина в N-края, и мембранно-свързващ домен в С-края. Между двата домейна има трети тръбен домен, състоящ се от 24 повторения в тандем.

В мускулния кортикален ретикулум дистрофинът участва в свързването на актиновите нишки с плазмената мембрана чрез гликопротеинов комплекс. Този комплекс се свързва и с протеини на извънклетъчен матрикс.

При пациенти с липса на функционален дистрофин с мускулна дистрофия на Дюшен кортикалният цитоскелет не поддържа плазмената мембрана. Следователно плазмената мембрана се уврежда от стреса от многократни мускулни контракции.

Препратки

1. Devlin, TM 2000. Биохимия. Редакционно Реверте, Барселона.
2. Gunst, SJ и Zhang, W. 2008. Actin цитоскелетна динамика в гладката мускулатура: нова парадигма за регулиране на свиването на гладката мускулатура. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Лодиш, Х., Берк, А., Зипурски, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Клетъчна и молекулярна биология. Редакция Медика Панамерикана, Буенос Айрес, Богота, Каракас, Мадрид, Мексико, Сао Пауло.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Принципи на биохимията. WH Freeman, Ню Йорк.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Ремоделиране на активни нишки чрез фактор на деполимеризация на актина / кофилин. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Клетъчната подвижност, задвижвана чрез сглобяване и разглобяване на актинови нишки. Клетка, 112: 453-465.