AKTĪNS: RAKSTURLIELUMI, STRUKTŪRA, PAVEDIENI, FUNKCIJA - BIOLOĢIJA - 2025

Aktīna ir citosoliskais proteīns, kas veido microfilaments. Eikariotos aktīns ir viens no visbagātākajiem olbaltumvielām. Piemēram, tas veido 10% no svara kopējā svara olbaltumvielās muskuļu šūnās; un no 1 līdz 5% olbaltumvielu šūnās, kas nav muskuļi.

Šis proteīns kopā ar starpposma pavedieniem un mikrotubulēm veido citoskeletu, kura galvenā funkcija ir šūnas mobilitāte, šūnas formas saglabāšana, šūnu dalīšana un organellu pārvietošanās augos, sēnītēs un dzīvniekos.

Avots: Sarcomere.svg: David Richfield (Slashme lietotājs) atvasinātais darbs: Retama

Aktīna citoskeleta izoformām ir dažādas funkcijas, piemēram: regulēšana gludo muskuļu aktīvās spriedzes attīstībā, šūnu cikls, embriju attīstība, audu attīstība un brūču dzīšana.

No evolūcijas viedokļa aktīns ir ļoti konservēts proteīns. Dažādās sugās homologija ir aptuveni 90%. Vienšūnu organismos viens gēns kodē aktīna izoformu. Tā kā daudzšūnu organismos dažādi gēni kodē vairākas aktīna izoformas.

Aktīns kopā ar miozīnu bija izšķirošas struktūras eikariotu organismu evolucionālajā attīstībā un to dažādošanā, jo tie ļāva kustēties, ja nebija citu struktūru, piemēram, flagellas un cilia.

Struktūra: aktīna pavedieni

Aktīns ir globāls vienas ķēdes polipeptīdu proteīns. Muskulī aktīna molekulmasa ir aptuveni 42 KDa.

Šim proteīnam ir divi domēni. Katram no tiem ir divi apakšdomēni un atšķirība starp domēniem. ATP - Mg ⁺² saistās ar plaisas apakšdaļu. Amino- un karboksiltermi sakrīt 1. apakšdomēnā.

Aktīns G un aktīns F

Ir divas galvenās aktīna formas: aktīna monomērs, ko sauc par G-aktīnu; un šķiedru polimērs, kas sastāv no G-aktīna monomēriem, ko sauc par F-aktīnu. Aktīna pavedieniem, kas novēroti ar elektronu mikroskopiju, ir šauri un plaši reģioni, attiecīgi 7 nm un 9 nm diametrā.

Aktīna monomēri gar kvēldiegu veido cieši iesaiņotu dubultu spirāli. Atkārtojoša vienība gar kvēldiegu sastāv no 13 spirālēm un 28 aktīna monomēriem, un tās attālums ir 72 nm.

Aktīna pavedienam ir divi gali. Vienu veido sprauga, kas savieno ATP - Mg ⁺² , kas atrodas vienā virzienā visos kvēldiega aktīna monomēros, ko sauc par (-) galu; un otrs gals ir pretējs, ko sauc par (+) galu. Tāpēc aktīna pavedienam ir polaritāte.

Šīs sastāvdaļas bieži sauc par mikrošķiedrām, jo ​​tās ir citoskeleta sastāvdaļas ar vismazāko diametru.

Kur mēs atrodam aktīnu?

Aktīns ir ārkārtīgi izplatīts proteīns eikariotu organismos. No visiem šūnu proteīniem aktīns veido apmēram 5-10% - atkarībā no šūnas veida. Piemēram, aknās katrā šūnā, kas to veido, ir gandrīz 510 ⁸ aktīna molekulas.

raksturojums

Divas aktīna formas, monomērs un pavedieni, nepārtraukti atrodas dinamiskā līdzsvarā starp polimerizāciju un depolimerizāciju. Kopumā šai parādībai ir trīs galvenās iezīmes:

1) Aktīna pavedieni ir raksturīgi muskuļu audu struktūrai un eikariotu šūnu citoskeletonam.

2) Polimerizācija un depolimerizācija ir dinamisks process, kuru regulē. Kur G-ATP-Mg ⁺² aktīna monomēru polimerizācija vai agregācija notiek abos galos. Tas, vai notiek šis process, ir atkarīgs no vides apstākļiem un proteīniem.

3) saišķu un tīkliņu veidošanās, kas veido aktīna citoskeletu, dod spēku šūnu kustībai. Tas ir atkarīgs no olbaltumvielām, kas ir iesaistītas krustenisko saišu veidošanā.

Iespējas

Muskuļu kontrakcijas

Skeleta muskuļa funkcionālā un strukturālā vienība ir sarkometrs, kam ir divu veidu pavedieni: plānie pavedieni, ko veido aktīns, un biezie pavedieni, ko veido miozīns. Abi pavedieni ir izvietoti pārmaiņus precīzi ģeometriskā veidā. Tie ļauj muskuļu kontrakcijas.

Tievie pavedieni ir noenkuroti reģionos, kurus sauc par Z diskiem.Šo reģionu veido šķiedru tīkls, kurā ir atrodams CapZ proteīns un pie kura tiek noenkuroti aktīna pavedienu gali (+). Šis enkurs novērš (+) gala depolimerizāciju.

No otras puses, tropomodulīns atrodas aktīna pavedienu galos (-) un aizsargā tos no depolimerizācijas. Papildus aktīnam, plāniem pavedieniem ir tropomiozīns un troponīns, kas darbojas, lai kontrolētu aktomiozīnu mijiedarbību.

Kā notiek muskuļu kontrakcijas?

Muskuļu kontrakcijas laikā biezie pavedieni veic grozāmās kustības, velkot plānos pavedienus uz sarkomēra vidusdaļu. Tas izraisa rupju un plānu šķiedru slīdēšanu.

Tādējādi biezu un plānu šķiedru garums paliek nemainīgs, bet palielinās pārklāšanās starp abiem pavedieniem. Sarkomēra garums samazinās, pateicoties plāniem pavedieniem un Z stiprinājumiem.

Kā jūs pārtraucat muskuļu kontrakcijas?

ATP ir šūnas enerģijas valūta. Tāpēc tas gandrīz vienmēr ir pieejams dzīvos muskuļu audos. Ņemot vērā iepriekš minēto, jābūt mehānismiem, kas ļauj atslābināt muskuļus un apstādināt kontrakcijas.

Divas olbaltumvielas, ko sauc par tropomiozīnu un troponīnu, spēlē galveno lomu šajā parādībā. Tie darbojas kopā, lai bloķētu miozīna saistīšanās vietas (tādējādi novēršot tā saistīšanos ar aktīnu). Rezultātā muskuļi atslābinās.

Un otrādi, kad dzīvnieks nomirst, tas piedzīvo parādību, kas pazīstama kā rigor mortis. Atbildība par šo liemeņa sacietēšanu ir miozīna un aktīna mijiedarbības bloķēšana neilgi pēc dzīvnieka nāves.

Viena no šīs parādības sekām ir nepieciešamība pēc ATP, lai atbrīvotu abas olbaltumvielu molekulas. Loģiski, ka mirušos audos ATP nav pieejams, un šī izdalīšanās nevar notikt.

Citi pārvietošanās veidi

Tas pats mehānisms, ko mēs aprakstam (vēlāk mēs iedziļināsimies kustības pamatā esošajā mehānismā), neaprobežojas tikai ar muskuļu kontrakcijām dzīvniekiem. Tas ir atbildīgs par amēboidālajām kustībām, kuras novērojam amēbās un dažās koloniālajās veidnēs.

Arī citoplazmas kustību, ko novērojam aļģēs un sauszemes augos, virza līdzīgi mehānismi.

Aktīna pavedienu polimerizācijas un depolimerizācijas regulēšana

Gludo muskuļu audu un šūnu kontrakcija rada F-aktīna palielināšanos un G-aktīna samazināšanos.Aktīna polimerizācija notiek trīs posmos: 1) kodolēšana, lēns solis; 2) pagarinājums, ātrs solis; un 3) līdzsvara stāvoklis. Polimerizācijas ātrums ir vienāds ar depolimerizācijas ātrumu.

Aktīna pavediens (+) galā aug ātrāk nekā (-) galā. Izstiepšanās ātrums ir proporcionāls aktīna monomēru koncentrācijai līdzsvarā ar aktīna pavedieniem, ko sauc par kritisko koncentrāciju (Cc).

(+) Gala Cc ir 0,1 µM, bet (-) gala - 0,8 µM. Tas nozīmē, ka (+) gala polimerizēšanai nepieciešama 8 reizes mazāka aktīna monomēru koncentrācija.

Aktīnu polimerizāciju galvenokārt regulē beta4 timosīns (TB4). Šis proteīns saista G aktīnu un saglabā to, neļaujot tam polimerizēties. Tā kā profilīns stimulē aktīna polimerizāciju. Profilīns saistās ar aktīna monomēriem, atvieglojot polimerizāciju (+) galā ar aktīna-TB4 kompleksa disociācijas palīdzību.

Filamentu veidošanos veicina citi faktori, piemēram, jonu (Na ⁺ , K ⁺ vai Mg ⁺² ) palielināšanās.

Aktīna citoskeleta veidošanās

Aktīna citoskeleta veidošanai ir nepieciešams izveidot krusteniskās saites starp aktīna pavedieniem. Šīs saites veido olbaltumvielas, kuru izcilās īpašības ir: tām ir aktiīnus saistošie domēni; daudziem ir domēni, kas ir homologi ar kalponīnu; un katrs olbaltumvielu tips tiek izteikts noteikta veida šūnās.

Filopodijas un stresa šķiedrās krustveida saites starp aktīna pavedieniem veido fascina un filamīns. Šie proteīni attiecīgi izraisa aktīna pavedienus, kas ir paralēli vai ar dažādiem leņķiem. Tādējādi aktīna pavedieni nosaka šūnas formu.

Šūnas reģions ar lielāko aktīna pavedienu skaitu atrodas netālu no plazmas membrānas. Šo reģionu sauc par garozu. Kortikālā citoskelets tiek organizēts dažādos veidos, atkarībā no šūnas veida, un caur saistošajiem proteīniem ir savienots ar plazmas membrānu.

Daži no vislabāk aprakstītajiem citoskeletiem ir muskuļu šūnas, trombocīti, epitēlija šūnas un eritrocīti. Piemēram, muskuļu šūnās distrofīnu saistošais proteīns saista aktīna pavedienus ar integrālu glikoproteīnu kompleksu membrānā. Šis komplekss saistās ar ārpusšūnu matricas olbaltumvielām.

Aktīna-miozīna mijiedarbības darbības modelis

Raymenta vadītie pētnieki ierosināja četrpakāpju modeli, lai izskaidrotu aktīna un miozīna mijiedarbību. Pirmais solis notiek ar ATP saistīšanos ar miozīna galvām. Šī saistīšanās rada olbaltumvielu konformācijas izmaiņas, atbrīvojot tās no aktīna mazajā pavedienā.

Pēc tam ATP tiek hidrolizēts līdz ADP, atbrīvojot neorganisku fosfātu. Miozīna molekula piestiprinās jaunai aktīna apakšvienībai, radot augstas enerģijas stāvokli.

Neorganiskā fosfāta izdalīšanās izraisa miozīna izmaiņas, kas atgriežas pie sākotnējās konformācijas un mazo pavedienu kustības attiecībā pret bieziem pavedieniem. Šī kustība izraisa sarkomēra divu galu kustību, satuvinot tos.

Pēdējais solis ir ADP atbrīvošana. Šajā brīdī miozīna galva ir brīva un var saistīties ar jaunu ATP molekulu.

Šūnu kustība, ko veicina aktīna polimerizācija

Rāpojošā kustīgums ir šūnu kustīgumu veids. Šāda veida kustīguma pakāpes ir: saķeres līdera ass projekcija uz pamatni; saķere ar pamatni; aizmugures ievilkšana; un adhēzija.

Līdera ass projekcijai nepieciešama olbaltumvielu līdzdalība, kas piedalās aktīna pavedienu polimerizācijā un depolimerizācijā. Līdera ass ir atrodama šūnu garozā, ko sauc par lamellipodium. Asu projekcijas soļi ir:

- Receptoru aktivizēšana ar ārpusšūnu signālu.

- Aktīvo GTPāžu un 4,5-bisfosfāta fosfoinositola (PIP ₂ ) veidošanās.

- WASp / Scar un Arp2 / 3 olbaltumvielu aktivizēšana, kas saistās ar aktīna monomēriem, veidojot zarus aktīna pavedienos.

- strauja aktīna pavedienu augšana filiāles miozīnu rotātajā zarā. Membrāna tiek stumta uz priekšu.

- apvalka olbaltumvielu radītā pagarinājuma pabeigšana.

- ATP, kas saistās ar aktīnu, hidrolīze vecākajos pavedienos.

- ADF / kofilīna veicināto pavedienu aktīna-ADP depolimerizācija.

- ADP apmaiņa ar ATP, ko katalizē profilīns, radot G-ATP aktīnu, kas gatavs sākt pagarināt zarus.

Ar aktīniem saistītas slimības

Muskuļu distrofija

Muskuļu distrofija ir skeleta muskuļa deģeneratīva slimība. Tas ir recesīvi iedzimts un saistīts ar X hromosomu, un tas galvenokārt ietekmē vīriešus ar lielu biežumu populācijā (viens no katriem 3500 vīriešiem). Šo vīriešu mātes ir heterozigotas asimptomātiskas, un tām var nebūt ģimenes anamnēzes.

Ir divas muskuļu distrofijas formas, Dušenne un Bekers, un abas tās izraisa distrofīna gēna defekti. Šie defekti sastāv no dzēsumiem, kas noņem aksonus.

Distrofīns ir olbaltumviela (427 KDa), kas veido krusteniskās saites starp aktīna pavedieniem. Tam ir aktīnus saistošs domēns N-galā un membrānu saistošs domēns C-galā. Starp abiem domēniem ir trešais cauruļveida domēns, kas sastāv no 24 tandēma atkārtojumiem.

Muskuļu garozas retikulumā distrofīns piedalās aktīna pavedienu saistīšanā ar plazmas membrānu caur glikoproteīnu kompleksu. Šis komplekss saistās arī ar ārpusšūnu matricas olbaltumvielām.

Pacientiem, kuriem trūkst funkcionālā distrofīna ar Duchenne muskuļu distrofiju, garozas citoskelets neatbalsta plazmas membrānu. Līdz ar to plazmas membrāna ir bojāta atkārtotu muskuļu kontrakciju stresa dēļ.

Atsauces

1. Devlin, TM 2000. Bioķīmija. Redakcijas redakcija, Barselona.
2. Gunst, SJ un Zhang, W. 2008. Aktīna citoskeleta dinamika gludos muskuļos: jauna paradigma gludo muskuļu kontrakcijas regulēšanai. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Šūnu un molekulārā bioloģija. Redakcija Medica Panamericana, Buenosairesa, Bogota, Karakasa, Madride, Meksika, Sāo Paulo.
4. Nelsons, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - bioķīmijas principi. WH Freeman, Ņujorka.
5. Pfaendtners, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Aktīna pavedienu pārtaisīšana ar aktīna depolimerizācijas koeficientu / kofilīnu. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollards, TD, Borisijs, GG 2003. Šūnu motilitāte, ko veicina aktīna pavedienu montāža un demontāža. Cell, 112: 453-465.