АКТИН: ХАРАКТЕРИСТИКИ, БУДОВА, НИТКИ, ФУНКЦІЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

Актину є цитозольними білками , який утворює мікрофіламенти. У еукаріотів актин є одним з найпоширеніших білків. Наприклад, він становить 10% по масі всього білка в м’язових клітинах; і від 1 до 5% білка в клітинах, що не мають м’язів.

Цей білок разом з проміжними нитками та мікротрубочками утворює цитоскелет, основною функцією якого є рухливість клітини, підтримка клітинної форми, поділ клітин та рух органел у рослин, грибів та тварин.

Джерело: Sarcomere.svg: Девід Річфілд (користувач Slashme) похідний твір: Retama

Ізоформи цитоскелету актину виконують різні функції, такі як: регуляція розвитку активної напруги в гладкій мускулатурі, клітинний цикл, розвиток ембріона, розвиток тканин та загоєння ран.

З еволюційної точки зору, актин є висококонсервованим білком. Існує близько 90% гомології послідовності у різних видів. У одноклітинних організмах один ген кодує ізоформ актину. Тоді як у багатоклітинних організмів різні гени кодують безліч ізоформ актину.

Актин разом з міозином були вирішальними структурами в еволюційному розвитку еукаріотичних організмів та в їх диверсифікації, оскільки вони дозволяли рух за відсутності інших структур, таких як джгутики та вії.

Будова: актинові нитки

Актин - глобулярний одноланцюговий поліпептидний білок. У м’язах актин має молекулярну масу приблизно 42 КДа.

Цей білок має два домени. У кожного є два піддомена та проміжок між доменами. АТФ - Mg ⁺² прив’язується до дна щілини. Аміно та карбоксильні терміни зустрічаються в піддомені 1.

Актин G і актин F

Існує дві основні форми актину: мономер актину, званий G-актином; і ниткоподібний полімер, що складається з мономерів G-актину, званих F-актином. Актинові нитки, що спостерігаються за допомогою електронної мікроскопії, мають вузькі та широкі області, відповідно діаметром 7 нм та 9 нм.

Вздовж нитки актинові мономери утворюють щільно упаковану подвійну спіраль. Повторюваний блок уздовж нитки складається з 13 спіралей та 28 актинових мономерів і має відстань 72 нм.

Актинова нитка має два кінці. Один утворюється зазором, який приєднується до АТФ - Mg ⁺² , який розташований у тому ж напрямку у всіх актинових мономерах нитки, що називається (-) кінцем; а інший кінець - протилежний, називається (+) кінцем. Тому, як кажуть, актинові нитки мають полярність.

Ці компоненти часто називають мікрофілами, оскільки вони є компонентами цитоскелету з найменшим діаметром.

Де ми знаходимо актин?

Актин - надзвичайно поширений білок у еукаріотичних організмах. З усіх клітинних білків на актин припадає близько 5-10% - залежно від типу клітини. Наприклад, у печінці кожна з клітин, що входять до її складу, має майже 5,10 ⁸ молекул актину.

характеристики

Дві форми актину, мономер і нитка постійно перебувають у динамічному балансі між полімеризацією та деполімеризацією. Загалом, є три важливі характеристики цього явища:

1) Актинові нитки характерні для будови м’язової тканини та цитоскелету еукаріотичних клітин.

2) Полімеризація та деполімеризація - це динамічний процес, який регулюється. Там, де полімеризація або агрегація G-ATP - Mg ⁺² мономерів актину відбувається на обох кінцях. Чи відбудеться цей процес, залежить від умов навколишнього середовища та регулятивних білків.

3) Утворення пучків і сітківки, які складають цитоскелет актину, надає сили мобільності клітин. Це залежить від білків, які беруть участь у формуванні перехресних зв’язків.

Особливості

Скорочення м'язів

Функціональною і структурною одиницею скелетного м’яза є саркомер, який має два типи ниток: тонкі нитки, утворені актином, і товсті нитки, утворені міозином. Обидва нитки розташовані по черзі, точно геометричним способом. Вони дозволяють скоротити м’язи.

Тонкі нитки прикріплені до областей, званих дисками Z. Ця область складається з мережі волокон, в якій знаходиться білок CapZ, і до якої (+) кінці ниток актину закріплені. Цей якор запобігає деполімеризації кінця (+).

З іншого боку, тропомодулін розташований на кінцях (-) актинових ниток і захищає їх від деполімеризації. Крім актину, тонкі нитки володіють тропоміозином і тропоніном, які функціонують для контролю взаємодій актиноміозину.

Як відбувається скорочення м’язів?

Під час скорочення м’язів товсті нитки виконують поворотні рухи, тягнучи тонкі нитки до середини саркомеру. Це призводить до ковзання грубих і тонких волокон.

Таким чином, довжина товстих і тонких ниток залишається постійною, але збільшується перекриття між обома нитками. Довжина саркомеру зменшується за рахунок кріплення тонких ниток до Z-дисків.

Як зупинити скорочення м’язів?

АТФ - енергетична валюта клітини. Тому він майже завжди є в живих м’язових тканинах. Враховуючи викладене, повинні існувати механізми, що дозволяють розслабити м’яз і зупинити скорочення.

Два білки, звані тропоміозином і тропоніном, відіграють фундаментальну роль у цьому явищі. Вони працюють разом, щоб блокувати місця зв'язування міозину (запобігаючи тим самим його зв'язування з актином). В результаті м'яз розслабляється.

І навпаки, коли тварина гине, вона відчуває явище, відоме як жорсткість мортиса. Відповідальним за це затвердіння туші є блокування взаємодії між міозином та актином, незабаром після смерті тварини.

Одним із наслідків цього явища є потреба в АТФ для вивільнення двох білкових молекул. За логікою, у відмерлих тканинах немає наявності АТФ, і це вивільнення не може відбутися.

Інші види руху

Той самий механізм, який ми описуємо (пізніше ми заглибимося в механізм, що лежить в основі), не обмежується м'язовими скороченнями у тварин. Він відповідає за амебоїдні рухи, які ми спостерігаємо в амебах і в деяких колоніальних цвілі.

Так само цитоплазматичний рух, який ми спостерігаємо у водоростях та наземних рослинах, рухається за подібними механізмами.

Регулювання полімеризації актинових ниток і деполімеризації

Скорочення гладком'язової тканини та клітин призводить до збільшення F-актину та зниження G-актину.Полімеризація актином відбувається в три етапи: 1) зародження, повільний крок; 2) подовження, швидкий крок; і 3) стаціонарний стан. Швидкість полімеризації дорівнює швидкості деполімеризації.

Актинова нитка росте швидше на (+) кінці, ніж на (-) кінці. Швидкість подовження пропорційна концентрації мономерів актину в рівновазі з актиновими нитками, званої критичною концентрацією (Cc).

Cc для (+) кінця дорівнює 0,1 мкМ, а для (-) кінця - 0,8 мкМ. Це означає, що для полімеризації (+) кінця потрібно 8 разів менша концентрація актинових мономерів.

Полімеризація актином в основному регулюється тимозином бета4 (TB4). Цей білок зв’язує G актин і затримує його, не даючи йому полімеризуватися. Тоді як профілін стимулює полімеризацію актину. Профілін зв'язується з мономерами актину, полегшуючи полімеризацію на (+) кінці, шляхом дисоціації комплексу актин-ТВ4.

Інші фактори, такі як збільшення іонів (Na ⁺ , K ⁺ або Mg ⁺² ), сприяють утворенню ниток.

Утворення цитоскелету актину

Утворення цитоскелету актину вимагає встановлення перехресних зв’язків між актиновими нитками. Ці зв’язки утворюються білками, видатними характеристиками яких є: вони мають актин-зв'язуючі домени; у багатьох є домени, гомологічні кальпоніну; і кожен тип білка експресується в певному типі клітини.

У філоподії та стресових волокнах перехресні зв’язки між актиновими нитками здійснюють фасина та філамін. Ці білки, відповідно, викликають паралельні актинові нитки або мають різні кути. Таким чином, актинові нитки визначають форму клітини.

Область клітини з найбільшою кількістю актинових ниток розташована поблизу плазматичної мембрани. Ця область називається кором. Корковий цитоскелет організований по-різному, залежно від типу клітини, і з'єднується з плазматичною мембраною через зв'язуючі білки.

Одними з найкращо описаних цитоскелетів є клітини м’язів, тромбоцити, епітеліальні клітини та еритроцити. Наприклад, у м’язових клітинах білок, що зв'язує дистрофін, зв'язує актинові нитки з інтегральним глікопротеїновим комплексом мембрани. Цей комплекс зв'язується з білками позаклітинного матриксу.

Модель дії взаємодії актин-міозин

Дослідники під керівництвом Реймента запропонували чотиришагову модель для пояснення взаємодії актину та міозину. Перший крок відбувається з прив’язкою АТФ до голів міозину. Це зв'язування породжує конформаційну зміну білка, вивільняючи його з актину в дрібній нитці.

Потім АТФ гідролізується до АДФ, вивільняючи неорганічний фосфат. Молекула міозину приєднується до нової субодиниці актину, породжуючи стан високої енергії.

Вивільнення неорганічного фосфату призводить до зміни міозину, повернення до початкової конформації та руху дрібних ниток щодо товстих ниток, що відбуваються. Цей рух викликає рух обох кінців саркомеру, зближуючи їх.

Останній крок передбачає вивільнення АДП. У цей момент головка міозину вільна і може зв'язуватися з новою молекулою АТФ.

Рух клітин, керований полімеризацією актином

Моторика повзання - це тип рухливості клітин. Етапами цього типу рухливості є: проекція осі лідера адгезії на підкладку; адгезія до підкладки; втягування ззаду; і відхилення.

Проекція лідерної осі вимагає участі білків, які беруть участь у полімеризації та деполімеризації актинових ниток. Вісь лідера знаходиться в корі клітини, яка називається ламеліподіум. Етапи проекції на вісь:

- Активація рецепторів позаклітинним сигналом.

- Утворення активних ГТФаз та 4,5-бісфосфатного фосфоінозитолу (PIP ₂ ).

- Активація білків WASp / Scar та Arp2 / 3, які зв'язуються з мономерами актину і утворюють гілки в актинових нитках.

- Швидке зростання актинових ниток на прикрашеному міозином кінці гілки. Мембрана висувається вперед.

- завершення подовження, що виробляється білками оболонки.

- Гідроліз АТФ, пов'язаний з актином, у старих нитках.

- Деполімеризація актину-АДФ ниток, що промотуються АДФ / кофіліном.

- Обмін АДФ на АТФ, каталізований профіліном, генеруючи актин G-ATP, готовий почати видовжувати гілки.

Актинові захворювання

М'язова дистрофія

М'язова дистрофія - це дегенеративне захворювання скелетного м’яза. Він рецесивно успадковується і пов'язаний з хромосомою X. В основному вражає чоловіків з високою частотою в популяції (кожен із 3500 чоловіків). Матері цих чоловіків гетерозиготні безсимптомно і можуть бракувати сімейного анамнезу.

Існує дві форми м’язової дистрофії, Дюшенна і Беккера, і обидві викликані дефектами гена дистрофіну. Ці дефекти складаються з делецій, які видаляють аксони.

Дистрофін - це білок (427 кДа), який утворює зшиті зв'язки між актиновими нитками. Він має домен, що зв'язує актин на N-кінці, і мембранно-зв'язуючий домен на С-кінці. Між обома доменами є третій трубчастий домен, що складається з 24 тандемних повторів.

У м’язовому кірковому ретикулумі дистрофін бере участь у зв’язуванні актинових ниток із плазматичною мембраною через глікопротеїновий комплекс. Цей комплекс також зв'язується з білками позаклітинного матриксу.

У пацієнтів, яким не вистачає функціонального дистрофіну з м'язовою дистрофією Дюшен, кортикальний цитоскелет не підтримує плазматичну мембрану. Отже, плазматична мембрана пошкоджується напругою повторних скорочень м’язів.

Список літератури

1. Devlin, TM 2000. Біохімія. Редакція Реверте, Барселона.
2. Gunst, SJ, and Zhang, W. 2008. Актинічна цитоскелетна динаміка в гладкій мускулатурі: нова парадигма регуляції скорочення гладких м'язів. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Лодіш, Х., Берк, А., Зіпурський, С. Л., Мацударія, П., Балтімор, Д., Дарнелл, Дж. 2003. Клітинна і молекулярна біологія. Редакція Medica Panamericana, Буенос-Айрес, Богота, Каракас, Мадрид, Мексика, Сао Пауло.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Ленінгер - Принципи біохімії. WH Freeman, Нью-Йорк.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Реконструкція ниток актинових за допомогою фактора деполімеризації актином / кофілін. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Поллард, Т.Д., Борис, Г.Г. 2003. Клітинна моторика, керована складанням та розбиранням актинових ниток. Клітка, 112: 453-465.