ACTIN: CIRI, STRUKTUR, FILAMEN, FUNGSI - BIOLOGI - 2025

The actin adalah protein yang membentuk cytosolic microfilaments. Dalam eukariota, aktin adalah salah satu protein yang paling banyak. Sebagai contoh, ia mewakili 10% berat keseluruhan protein dalam sel otot; dan antara 1 hingga 5% protein dalam sel bukan otot.

Protein ini, bersama-sama dengan filamen dan mikrotubulus menengah, membentuk sitoskeleton, yang fungsi utamanya adalah mobiliti sel, pemeliharaan bentuk sel, pembelahan sel dan pergerakan organel pada tumbuhan, jamur dan haiwan.

Sumber: Sarcomere.svg: Hasil karya terbitan David Richfield (pengguna Slashme): Retama

Isoform sitoskeleton aktin mempunyai fungsi yang berbeza, seperti: peraturan dalam pengembangan ketegangan aktif pada otot licin, kitaran sel, perkembangan embrio, pengembangan tisu dan penyembuhan luka.

Dari sudut evolusi, aktin adalah protein yang sangat terpelihara. Terdapat kira-kira 90% homologi urutan pada spesies yang berbeza. Dalam organisma uniselular, satu gen mengekod isoform aktin. Manakala dalam organisma multiselular, gen yang berbeza mengekodkan banyak isoform aktin.

Actin, bersama dengan myosin, adalah struktur penting dalam evolusi evolusi organisma eukariotik dan dalam kepelbagaian mereka, kerana mereka membenarkan pergerakan tanpa adanya struktur lain, seperti flagella dan silia.

Struktur: filamen aktin

Actin adalah protein polipeptida rantai tunggal globular. Pada otot, aktin mempunyai jisim molekul sekitar 42 KDa.

Protein ini mempunyai dua domain. Masing-masing mempunyai dua subdomain, dan jurang antara domain. ATP - Mg ⁺² mengikat ke bahagian bawah celah. Termini amino dan karboksil bertemu di subdomain 1.

Actin G dan actin F

Terdapat dua bentuk aktin utama: monomer aktin, yang dipanggil G-aktin; dan polimer filamen, terdiri daripada monomer G-aktin, yang disebut F-aktin. Filamen aktin, yang diperhatikan oleh mikroskopi elektron, mempunyai kawasan sempit dan lebar, masing-masing berdiameter 7 nm dan 9 nm.

Sepanjang filamen, monomer aktin membentuk heliks berganda yang kemas. Unit berulang sepanjang filamen terdiri daripada 13 heliks dan 28 monomer aktin, dan mempunyai jarak 72 nm.

Filamen aktin mempunyai dua hujung. Satu terbentuk oleh jurang yang bergabung dengan ATP - Mg ⁺² , yang terletak pada arah yang sama di semua monomer aktin filamen, yang disebut hujung (-); dan hujung yang lain adalah sebaliknya, yang disebut hujung (+). Oleh itu, filamen aktin dikatakan mempunyai kekutuban.

Komponen-komponen ini sering dikenali sebagai mikrofilamen, kerana komponen-komponen sitoskeleton dengan diameter terkecil.

Di mana kita dapati aktin?

Actin adalah protein yang sangat biasa dalam organisma eukariotik. Dari semua protein selular, aktin menyumbang kira-kira 5-10% - bergantung pada jenis sel. Di hati, misalnya, setiap sel yang membentuknya mempunyai hampir 5,10 ⁸ molekul aktin.

ciri

Dua bentuk aktin, monomer dan filamen, secara berterusan dalam keseimbangan dinamik antara polimerisasi dan depolimerisasi. Secara umum, terdapat tiga ciri utama fenomena ini:

1) Filamen aktin adalah tipikal dari struktur tisu otot dan sitoskeleton sel eukariotik.

2) Polimerisasi dan depolimerisasi adalah proses dinamik yang diatur. Di mana polimerisasi atau pengagregatan monomer aktin G - ATP - Mg ⁺² berlaku di kedua-dua hujungnya. Adakah proses ini berlaku bergantung pada keadaan persekitaran dan protein pengawalseliaan.

3) Pembentukan bundel dan retikel, yang membentuk sitoskeleton aktin, memberi kekuatan pada motilitas sel. Ini bergantung pada protein yang terlibat dalam pembentukan pautan silang.

ciri-ciri

Pengecutan otot

Unit fungsional dan struktur otot rangka adalah sarcomere, yang mempunyai dua jenis filamen: filamen nipis, dibentuk oleh aktin, dan filamen tebal, yang dibentuk oleh myosin. Kedua-dua filamen disusun secara bergantian, dengan cara geometri yang tepat. Mereka membenarkan pengecutan otot.

Filamen nipis berlabuh ke kawasan yang disebut cakera Z. Kawasan ini terdiri daripada rangkaian serat, di mana protein CapZ dijumpai, dan di mana hujung (+) filamen aktin berlabuh. Penambat ini menghalang penyahpolimeran hujung (+).

Sebaliknya, tropomodulin terletak di hujung (-) filamen aktin, dan melindunginya dari depolimerisasi. Selain aktin, filamen tipis mempunyai tropomiosin dan troponin, yang berfungsi untuk mengawal interaksi aktomiosin.

Bagaimana pengecutan otot berlaku?

Semasa pengecutan otot, filamen tebal melakukan pergerakan berpusing, menarik filamen nipis ke arah tengah sarcomere. Ini menyebabkan gentian kasar dan nipis tergelincir.

Oleh itu, panjang filamen tebal dan nipis tetap berterusan, tetapi pertindihan antara kedua filamen bertambah. Panjang sarcomere menurun kerana penahan filamen nipis ke cakera Z.

Bagaimana anda menghentikan pengecutan otot?

ATP adalah mata wang tenaga sel. Oleh itu, ia hampir selalu terdapat dalam tisu otot hidup. Dengan mengambil kira perkara di atas, mesti ada mekanisme yang membolehkan kelonggaran otot dan penahanan kontraksi.

Dua protein, yang disebut tropomyosin dan troponin, memainkan peranan penting dalam fenomena ini. Ini berfungsi bersama untuk menyekat laman pengikat myosin (sehingga menghalang pengikatannya dengan aktin). Akibatnya, otot mengendur.

Sebaliknya, apabila seekor haiwan mati, ia mengalami fenomena yang dikenali sebagai rigor mortis. Bertanggungjawab untuk pengerasan bangkai ini adalah penyekat interaksi antara myosin dan aktin, sejurus selepas kematian haiwan itu.

Salah satu akibat dari fenomena ini adalah keperluan ATP untuk pembebasan dua molekul protein. Secara logiknya, dalam tisu mati tidak ada ketersediaan ATP dan pelepasan ini tidak dapat berlaku.

Jenis pergerakan lain

Mekanisme yang sama yang kita jelaskan (kita akan menyelidiki mekanisme yang mendasari pergerakannya nanti) tidak terhad kepada pengecutan otot pada haiwan. Ia bertanggungjawab untuk pergerakan amoeboid yang kita amati di amuba dan di beberapa acuan kolonial.

Begitu juga, pergerakan sitoplasma yang kita amati di alga dan di tanaman tanah didorong oleh mekanisme yang serupa.

Peraturan polimerisasi dan depolimerisasi filamen aktin

Pengecutan tisu dan sel otot licin menghasilkan peningkatan F-aktin dan penurunan G-aktin. Pempolimeran aktin berlaku dalam tiga peringkat: 1) nukleasi, langkah perlahan; 2) pemanjangan, langkah cepat; dan 3) keadaan stabil. Kadar polimerisasi sama dengan kadar depolimerisasi.

Filamen aktin tumbuh lebih cepat di hujung (+) daripada di hujung (-). Kadar pemanjangan berkadar dengan kepekatan monomer aktin dalam keseimbangan dengan filamen aktin, yang disebut kepekatan kritikal (Cc).

Cc untuk hujung (+) ialah 0.1 µM, dan untuk hujung (-) adalah 0.8 µM. Ini bermaksud kepekatan monomer aktin 8 kali lebih sedikit diperlukan untuk memolimerisasi hujung (+).

Polimerisasi aktin terutamanya diatur oleh timosin beta4 (TB4). Protein ini mengikat aktin G dan mengekalkannya, menghalangnya daripada berpolimerisasi. Manakala profilin merangsang polimerisasi aktin. Profilin mengikat monomer aktin, memudahkan pempolimeran pada hujung (+), melalui pemisahan kompleks aktin-TB4.

Faktor lain seperti peningkatan ion (Na ⁺ , K ⁺ atau Mg ⁺² ) menggemari pembentukan filamen.

Pembentukan sitoskeleton aktin

Pembentukan sitoskeleton aktin memerlukan pembuatan hubungan silang antara filamen aktin. Ikatan ini dibentuk oleh protein, yang mempunyai ciri khas: mereka mempunyai domain pengikat aktin; banyak mempunyai domain yang homolog kepada calponin; dan setiap jenis protein dinyatakan dalam jenis sel tertentu.

Dalam filopodia dan gentian tekanan, hubungan silang antara filamen aktin dibuat oleh fasina dan filamin. Protein ini, masing-masing, menyebabkan filamen aktin selari atau mempunyai sudut yang berbeza. Oleh itu, filamen aktin menentukan bentuk sel.

Kawasan sel dengan jumlah filamen aktin tertinggi terletak berhampiran membran plasma. Kawasan ini dipanggil korteks. Sitoskeleton kortikal disusun dengan cara yang berbeza, bergantung pada jenis sel, dan dihubungkan ke membran plasma melalui protein yang mengikat.

Beberapa sitoskeleton yang paling baik dijelaskan adalah sel otot, platelet, sel epitelium, dan eritrosit. Sebagai contoh, dalam sel otot, protein pengikat distrofin mengikat filamen aktin ke kompleks glikoprotein tidak terpisahkan dalam membran. Kompleks ini mengikat protein matriks ekstraselular.

Model tindakan interaksi Actin-myosin

Para penyelidik yang diketuai oleh Rayment mencadangkan model empat langkah untuk menjelaskan interaksi aktin dan myosin. Langkah pertama berlaku dengan pengikatan ATP ke kepala myosin. Pengikatan ini menghasilkan perubahan konformasi protein, membebaskannya dari aktin dalam filamen kecil.

ATP kemudian dihidrolisis menjadi ADP, melepaskan fosfat bukan organik. Molekul myosin melekat pada subunit aktin baru, menghasilkan keadaan tenaga tinggi.

Pembebasan fosfat anorganik membawa perubahan dalam myosin, kembali ke penyesuaian awal dan pergerakan filamen kecil, berkenaan dengan filamen tebal, yang berlaku. Pergerakan ini menyebabkan pergerakan kedua-dua hujung sarcomere, mendekatkan mereka bersama.

Langkah terakhir melibatkan pembebasan ADP. Pada ketika ini kepala myosin bebas dan boleh mengikat molekul ATP baru.

Pergerakan sel didorong oleh polimerisasi aktin

Motilitas merangkak adalah sejenis motilitas sel. Langkah-langkah pergerakan jenis ini adalah: unjuran paksi pemimpin lekatan ke arah substrat; lekatan ke substrat; penarikan belakang; dan lekatan.

Unjuran paksi pemimpin memerlukan penyertaan protein, yang mengambil bahagian dalam polimerisasi dan depolimerisasi filamen aktin. Paksi pemimpin terdapat di korteks sel, yang disebut lamellipodium. Langkah unjuran paksi adalah:

- Pengaktifan reseptor dengan isyarat ekstraselular.

- Pembentukan GTPases aktif dan 4,5-bifosfat fosfoinositol (PIP ₂ ).

- Pengaktifan protein WASp / Scar dan Arp2 / 3, yang mengikat monomer aktin untuk membentuk cabang dalam filamen aktin.

- Pertumbuhan pesat filamen aktin, di hujung cawangan yang dihiasi myosin. Membran ditolak ke hadapan.

- Penyempurnaan pemanjangan yang dihasilkan oleh protein lapisan.

- Hidrolisis ATP terikat untuk bertindak dalam filamen yang lebih tua.

- Depolimerisasi aktin-ADP filamen yang dipromosikan oleh ADF / cofilin.

- Pertukaran ADP untuk ATP yang dikatalisis oleh profilin, menghasilkan aktin G-ATP yang siap untuk mula memanjang cawangan.

Penyakit yang berkaitan dengan aktin

Distrofi otot

Distrofi otot adalah penyakit degeneratif otot rangka. Ia diwariskan dan dihubungkan dengan kromosom X. Ia terutama mempengaruhi lelaki dengan frekuensi tinggi dalam populasi (satu dari setiap 3,500 lelaki). Ibu-ibu lelaki ini adalah asimtomatik heterozigot, dan mungkin tidak mempunyai sejarah keluarga.

Terdapat dua bentuk distrofi otot, Duchenne dan Becker, dan kedua-duanya disebabkan oleh kecacatan pada gen distrofin. Kecacatan ini terdiri daripada penghapusan yang menghilangkan akson.

Dystrophin adalah protein (427 KDa) yang membentuk hubungan silang antara filamen aktin. Ia mempunyai domain pengikat aktin di terminal-N, dan domain pengikat membran di terminal-C. Di antara kedua domain tersebut terdapat domain tubular ketiga yang terdiri dari 24 pengulangan tandem.

Dalam retikulum kortikal otot, distrofin mengambil bahagian dalam pengikatan filamen aktin ke membran plasma melalui kompleks glikoprotein. Kompleks ini juga mengikat protein matriks ekstraselular.

Pada pesakit yang kekurangan distrofin berfungsi dengan distrofi otot Duchenne, sitoskeleton kortikal tidak menyokong membran plasma. Akibatnya, membran plasma rosak akibat tekanan pengecutan otot berulang.

Rujukan

1. Devlin, TM 2000. Biokimia. Reverté editorial, Barcelona.
2. Gunst, SJ, dan Zhang, W. 2008. Aktin sitoskeletal dinamik dalam otot licin: paradigma baru untuk pengaturan kontraksi otot licin. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Biologi selular dan molekul. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sāo Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Prinsip biokimia. WH Freeman, New York.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Pembentukan semula filamen aktin oleh faktor depolimerisasi aktin / cofilin. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Motilitas Selular Didorong oleh Perhimpunan dan Pembongkaran Filamen Actin. Sel, 112: 453-465.