AKTÍN: VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, VLÁKNA, FUNKCIA - BIOLÓGIE - 2024

Aktínu je cytosolický proteín, ktorý tvorí mikrovlákna. V eukaryotoch je aktín jedným z najhojnejších proteínov. Napríklad predstavuje 10% hmotnosti celkového proteínu vo svalových bunkách; a medzi 1 a 5% proteínu v ne svalových bunkách.

Tento proteín spolu so strednými vláknami a mikrotubulami tvorí cytoskelet, ktorého hlavnou funkciou je mobilita bunky, udržiavanie tvaru bunky, bunkové delenie a pohyb organel v rastlinách, hubách a zvieratách.

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

Izoformy aktínového cytoskeletu majú rôzne funkcie, ako napríklad: regulácia vo vývoji aktívneho napätia v hladkom svalstve, bunkový cyklus, vývoj embryí, vývoj tkanív a hojenie rán.

Z evolučného hľadiska je aktín vysoko konzervovaný proteín. Existuje asi 90% sekvenčná homológia u rôznych druhov. V jednobunkových organizmoch jediný gén kóduje izoformu aktínu. Zatiaľ čo v mnohobunkových organizmoch rôzne gény kódujú viac izoforiem aktínu.

Aktín, spolu s myozínom, boli kľúčovými štruktúrami evolučnej evolúcie eukaryotických organizmov a ich diverzifikácie, pretože umožňovali pohyb v neprítomnosti iných štruktúr, ako sú bičíky a cilia.

Štruktúra: aktínové vlákna

Aktín je globulárny jednoreťazcový polypeptidový proteín. V svale má aktín molekulovú hmotnosť približne 42 KDa.

Tento proteín má dve domény. Každá z nich má dve subdomény a medzeru medzi doménami. ATP - Mg ^{+2 sa} viaže na spodnú časť štrbiny. Aminové a karboxylové konce sa stretávajú v subdoméne 1.

Aktín G a aktín F

Existujú dve hlavné formy aktínu: aktínový monomér, nazývaný G-aktín; a vláknitý polymér, vyrobený z G-aktínových monomérov, nazývaný F. aktín. Aktínové vlákna, pozorované elektrónovou mikroskopiou, majú úzke a široké oblasti, respektíve priemer 7 nm a 9 nm.

Pozdĺž vlákna tvoria aktínové monoméry pevne zabalenú dvojitú špirálu. Opakujúca sa jednotka pozdĺž vlákna pozostáva z 13 helixov a 28 aktínových monomérov a má vzdialenosť 72 nm.

Aktínové vlákno má dva konce. Jeden je tvorený medzerou, ktorá spája ATP - Mg ⁺² , ktorý je umiestnený v rovnakom smere vo všetkých aktínových monoméroch vlákna, nazývaných (-) koniec; a druhý koniec je opačný, nazývaný (+) koniec. Preto sa uvádza, že aktínové vlákno má polaritu.

Tieto zložky sa často označujú ako mikrofilamenty, pretože sú to zložky cytoskeletu s najmenším priemerom.

Kde nájdeme aktín?

Actin je extrémne bežný proteín v eukaryotických organizmoch. Zo všetkých bunkových proteínov predstavuje aktín asi 5 až 10% - v závislosti od typu bunky. Napríklad v pečeni má každá bunka, ktorá ju tvorí, takmer ⁵ 108 molekúl aktínu.

vlastnosti

Obidve formy aktínu, monoméru a vlákna, sú neustále v dynamickej rovnováhe medzi polymerizáciou a depolymerizáciou. Vo všeobecnosti existujú tri hlavné charakteristiky tohto javu:

1) Aktínové vlákna sú typické pre štruktúru svalového tkaniva a cytoskelet eukaryotických buniek.

2) Polymerizácia a depolymerizácia je dynamický proces, ktorý je regulovaný. Ak k polymerizácii alebo agregácii monomérov aktínu G - ATP - Mg ⁺² dochádza na oboch koncoch. Či tento proces nastane, závisí od podmienok prostredia a regulačných proteínov.

3) Tvorba zväzkov a sietníc, ktoré tvoria aktínový cytoskelet, dáva silu bunkovej motilite. Závisí to od proteínov, ktoré sa podieľajú na tvorbe zosieťovania.

Vlastnosti

Svalová kontrakcia

Funkčnou a štrukturálnou jednotkou kostrového svalu je sarkomér, ktorý má dva typy vlákien: tenké vlákna tvorené aktínom a hrubé vlákna tvorené myozínom. Obe vlákna sú usporiadané striedavo, presne geometrickým spôsobom. Umožňujú kontrakciu svalov.

Tenké vlákna sú ukotvené k oblastiam nazývaným Disky Z. Táto oblasť pozostáva zo siete vlákien, v ktorých sa nachádza proteín CapZ a ku ktorým sú zakotvené konce (+) aktínových vlákien. Táto kotva bráni depolymerizácii (+) konca.

Na druhej strane sa tropomodulín nachádza na koncoch aktinových vlákien (-) a chráni ich pred depolymerizáciou. Tenké vlákna obsahujú okrem aktínu tropomyozín a troponín, ktoré slúžia na reguláciu interakcií aktomyozínu.

Ako dochádza k svalovej kontrakcii?

Počas sťahovania svalov silné vlákna vykonávajú otáčavé pohyby a ťahajú tenké vlákna smerom do stredu sarkoméry. To spôsobuje skĺzavanie hrubých a tenkých vlákien.

Dĺžka hrubých a tenkých vlákien teda zostáva konštantná, ale prekrývanie medzi oboma vláknami sa zvyšuje. Dĺžka sarkoméru sa zmenšuje v dôsledku ukotvenia tenkých vlákien k Z diskom.

Ako zastavíte svalovú kontrakciu?

ATP je energetická mena bunky. Preto je takmer vždy k dispozícii v živých svalových tkanivách. Berúc do úvahy vyššie uvedené, musia existovať mechanizmy, ktoré umožňujú relaxáciu svalu a zastavenie kontrakcií.

Dva proteíny nazývané tropomyozín a troponín zohrávajú v tomto fenoméne zásadnú úlohu. Tieto látky spolu blokujú väzobné miesta myozínu (čím bránia jeho väzbe na aktín). Výsledkom je uvoľnenie svalu.

Naopak, keď uhynie zviera, objaví sa jav známy ako rigor mortis. Za toto stvrdnutie jatočného tela je zodpovedné blokovanie interakcie medzi myozínom a aktínom krátko po smrti zvieraťa.

Jedným z dôsledkov tohto javu je potreba ATP na uvoľnenie týchto dvoch proteínových molekúl. Logicky v mŕtvych tkanivách nie je k dispozícii ATP a toto uvoľnenie nemôže nastať.

Iné druhy pohybu

Rovnaký mechanizmus, ktorý opisujeme (neskôr sa ponoríme do mechanizmu, ktorý tvorí základný pohyb), sa neobmedzuje na svalové kontrakcie u zvierat. Je zodpovedný za amoeboidálne pohyby, ktoré pozorujeme v amébách a niektorých koloniálnych plesniach.

Podobne je cytoplazmatický pohyb, ktorý pozorujeme v riasach a rastlinách rastlín, poháňaný podobnými mechanizmami.

Regulácia polymerizácie a depolymerizácie aktinového vlákna

Kontrakcia tkaniva a buniek hladkého svalstva vedie k zvýšeniu F-aktínu a k poklesu aktínu G. Polymerizácia aktínu sa vyskytuje v troch štádiách: 1) nukleace, pomalý krok; 2) predĺženie, rýchly krok; a 3) ustálený stav. Rýchlosť polymerizácie sa rovná rýchlosti depolymerizácie.

Aktínové vlákno rastie rýchlejšie na (+) konci ako na (-) konci. Rýchlosť predĺženia je úmerná koncentrácii aktínových monomérov v rovnováhe s aktínovými vláknami, ktorá sa nazýva kritická koncentrácia (Cc).

Cc pre (+) koniec je 0,1 uM a pre (-) koniec je 0,8 uM. To znamená, že na polymerizáciu (+) konca je potrebná 8krát nižšia koncentrácia aktínových monomérov.

Polymerizácia aktínu je regulovaná hlavne tymozínom beta4 (TB4). Tento proteín viaže G aktín a zachováva ho, čo mu bráni polymerizácii. Zatiaľ čo profilín stimuluje polymerizáciu aktínu. Profilín sa viaže na aktínové monoméry, čím uľahčuje polymerizáciu na (+) konci disociáciou komplexu aktín-TB4.

Iné faktory, ako je zvýšenie iónov (Na ⁺ , K ⁺ alebo Mg ⁺² ), podporujú tvorbu vlákien.

Tvorba aktínového cytoskeletu

Tvorba aktínového cytoskeletu vyžaduje vytvorenie priečnych väzieb medzi aktínovými vláknami. Tieto väzby sú tvorené proteínmi, ktorých vynikajúce vlastnosti sú: majú domény viažuce aktín; mnohé z nich majú domény homológne s kalponínom; a každý typ proteínu je exprimovaný v určitom type bunky.

Vo filopódiách a stresových vláknach sú priečne väzby medzi aktínovými vláknami uskutočňované fascinou a filaminom. Tieto proteíny spôsobujú, že aktínové vlákna sú rovnobežné alebo majú rôzne uhly. Aktínové vlákna teda definujú tvar bunky.

Oblasť bunky s najvyšším počtom aktínových vlákien sa nachádza v blízkosti plazmovej membrány. Táto oblasť sa nazýva kortex. Kortikálny cytoskelet je organizovaný rôznymi spôsobmi v závislosti od typu bunky a je spojený s plazmatickou membránou prostredníctvom väzbových proteínov.

Niektoré z najlepšie opísaných cytoskeletónov sú svalové bunky, krvné doštičky, epitelové bunky a erytrocyty. Napríklad vo svalových bunkách proteín viažuci dystrofín viaže aktínové vlákna na integrálny glykoproteínový komplex v membráne. Tento komplex sa viaže na proteíny extracelulárnej matrice.

Akčný model interakcie aktín-myozín

Vedci vedci Rayment navrhli štvorkrokový model na vysvetlenie interakcie aktínu a myozínu. Prvý krok nastáva naviazaním ATP na hlavy myozínu. Táto väzba vytvára konformačnú zmenu v proteíne a uvoľňuje ju z aktínu v malom vlákne.

ATP sa potom hydrolyzuje na ADP, pričom sa uvoľní anorganický fosfát. Molekula myozínu sa pripája k novej aktínovej podjednotke, čím vytvára vysokoenergetický stav.

Uvoľňovanie anorganického fosfátu spôsobuje zmenu myozínu, vracia sa do pôvodnej konformácie a dochádza k pohybu malých filamentov vzhľadom na silné filamenty. Tento pohyb spôsobí pohyb obidvoch koncov sarkoméry, čím sa zblížia.

Posledným krokom je vydanie ADP. V tomto okamihu je hlava myozínu voľná a môže sa viazať na novú molekulu ATP.

Pohyb buniek riadený aktínovou polymerizáciou

Pásová pohyblivosť je typ pohyblivosti buniek. Kroky tohto typu pohyblivosti sú: premietnutie vodiacej osi adhézie smerom k substrátu; priľnavosť k substrátu; zadné zasunutie; a dis-adhézia.

Projekcia vodiacej osi vyžaduje účasť proteínov, ktoré sa podieľajú na polymerizácii a depolymerizácii aktínových vlákien. Vodiaca os sa nachádza v bunkovej kôre nazývanej lamellipodium. Kroky premietania osi sú:

- Aktivácia receptorov extracelulárnym signálom.

- Tvorba aktívnych GTPáz a 4,5-bisfosfát fosfoinozitolu (PIP ₂ ).

- Aktivácia proteínov WASp / Scar a Arp2 / 3, ktoré sa viažu na aktínové monoméry za vzniku vetiev v aktínových vláknach.

- Rýchly rast aktínových vlákien na konci vetvy zdobeného myozínom. Membrána sa posúva dopredu.

- Ukončenie predlžovania produkovaného obalovými proteínmi.

- Hydrolýza ATP viazaného na aktín v starších vláknach.

- depolymerizácia aktínu-ADP vlákien propagovaných pomocou ADF / kofilínu.

- Výmena ADP za ATP katalyzovaná profilom, čím sa vytvára aktín G-ATP pripravený začať predlžovať vetvy.

Choroby súvisiace s aktínom

Svalová dystrofia

Svalová dystrofia je degeneratívne ochorenie kostrového svalu. Je recesívne zdedený a súvisí s chromozómom X. Ovplyvňuje hlavne mužov s vysokou frekvenciou v populácii (jeden z každých 3 500 mužov). Matky týchto mužov sú heterozygotné asymptomatické a môže im chýbať rodinná anamnéza.

Existujú dve formy svalovej dystrofie, Duchenne a Becker, a obe sú spôsobené poruchami génu dystrofínu. Tieto defekty pozostávajú z delécií, ktoré odstraňujú axóny.

Dystrofín je proteín (427 KDa), ktorý vytvára zosieťovanie medzi aktínovými vláknami. Má doménu viažucu aktín na N-konci a doménu viažucu membránu na C-konci. Medzi oboma doménami je tretia tubulárna doména vytvorená z 24 tandemových opakovaní.

Vo svalovom kortikálnom retikule sa dystrofín podieľa na viazaní aktínových filamentov na plazmatickú membránu prostredníctvom glykoproteínového komplexu. Tento komplex sa tiež viaže na proteíny extracelulárnej matrice.

U pacientov bez funkčného dystrofínu s Duchennovou svalovou dystrofiou kortikálny cytoskelet nepodporuje plazmatickú membránu. V dôsledku toho je plazmová membrána poškodená stresom opakovaných svalových kontrakcií.

Referencie

1. Devlin, TM 2000. Biochemistry. Redakcia Reverté, Barcelona.
2. Gunst, SJ a Zhang, W. 2008. Aktínová cytoskeletálna dynamika v hladkom svalstve: nové paradigma na reguláciu kontrakcie hladkého svalstva. Am J Physiol Celí Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Bunková a molekulárna biológia. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogota, Caracas, Madrid, Mexiko, Sāo Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Základy biochémie. WH Freeman, New York.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Remodelovanie aktinového vlákna pomocou aktínového depolymerizačného faktora / kofilínu. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Bunková pohyblivosť poháňaná montážou a demontážou aktínových vlákien. Cell, 112: 453 - 465.