ACTINE: KENMERKEN, STRUCTUUR, FILAMENTEN, FUNCTIE - BIOLOGIE - 2024

De actine is een cytosolisch eiwit dat microfilamenten vormt. In eukaryoten is actine een van de meest voorkomende eiwitten. Het vertegenwoordigt bijvoorbeeld 10 gew.% Van het totale eiwit in spiercellen; en tussen 1 en 5% van het eiwit in niet-spiercellen.

Dit eiwit vormt samen met de tussenliggende filamenten en microtubuli het cytoskelet, waarvan de belangrijkste functie de beweeglijkheid van de cel is, het behoud van de celvorm, celdeling en de beweging van organellen in planten, schimmels en dieren.

Bron: Sarcomere.svg: David Richfield (gebruiker van Slashme) afgeleid werk: Retama

De isovormen van het actine-cytoskelet hebben verschillende functies, zoals: regulering van de ontwikkeling van actieve spanning in gladde spieren, celcyclus, embryonale ontwikkeling, weefselontwikkeling en wondgenezing.

Vanuit evolutionair oogpunt is actine een sterk geconserveerd eiwit. Er is ongeveer 90% sequentiehomologie in verschillende soorten. In eencellige organismen codeert een enkel gen voor een actine-isovorm. Terwijl in meercellige organismen verschillende genen coderen voor meerdere isovormen van actine.

Actine, samen met myosine, waren cruciale structuren in de evolutionaire evolutie van eukaryote organismen en in hun diversificatie, aangezien ze beweging mogelijk maakten in afwezigheid van andere structuren, zoals flagella en cilia.

Structuur: actinefilamenten

Actine is een globulair polypeptide-eiwit met een enkele keten. In spieren heeft actine een molecuulmassa van ongeveer 42 KDa.

Dit eiwit heeft twee domeinen. Elk heeft twee subdomeinen en een opening tussen de domeinen. ATP - Mg ⁺² bindt zich aan de onderkant van de spleet. De amino- en carboxyl-termini ontmoeten elkaar op subdomein 1.

Actin G en actin F

Er zijn twee hoofdvormen van actine: het actinemonomeer, G-actine genaamd; en een filamenteus polymeer, bestaande uit G-actine monomeren, genaamd F-actine Actine filamenten, waargenomen door elektronenmicroscopie, hebben smalle en brede gebieden, respectievelijk 7 nm en 9 nm in diameter.

Langs het filament vormen de actinemonomeren een dicht opeengepakte dubbele helix. Een zich herhalende eenheid langs het filament bestaat uit 13 helices en 28 actinemonomeren en heeft een afstand van 72 nm.

Het actinefilament heeft twee uiteinden. De ene wordt gevormd door de opening die ATP - Mg ⁺² verbindt , die zich in dezelfde richting bevindt in alle actinemonomeren van het filament, het (-) uiteinde genoemd; en het andere uiteinde is het tegenovergestelde, het (+) uiteinde genoemd. Daarom wordt gezegd dat het actinefilament polariteit heeft.

Deze componenten staan ​​vaak bekend als microfilamenten, omdat ze de componenten zijn van het cytoskelet met de kleinste diameter.

Waar vinden we actine?

Actine is een zeer veel voorkomend eiwit in eukaryote organismen. Van alle cellulaire eiwitten is actine goed voor ongeveer 5-10% - afhankelijk van het celtype. In de lever, bijvoorbeeld, elk van de cellen waaruit ze bestaat bijna 5,10 ⁸ actine moleculen.

kenmerken

De twee vormen van actine, monomeer en filament, bevinden zich continu in een dynamisch evenwicht tussen polymerisatie en depolymerisatie. Over het algemeen zijn er drie opvallende kenmerken van dit fenomeen:

1) Actinefilamenten zijn kenmerkend voor de structuur van spierweefsel en het cytoskelet van eukaryote cellen.

2) Polymerisatie en depolymerisatie is een dynamisch proces dat wordt gereguleerd. Waar de polymerisatie of aggregatie van G - ATP - Mg ^{+ 2} actinemonomeren aan beide uiteinden plaatsvindt. Of dit proces plaatsvindt, hangt af van de omstandigheden in de omgeving en de regulerende eiwitten.

3) De vorming van bundels en dradenkruizen, die het actine-cytoskelet vormen, geeft kracht aan de celmotiliteit. Dit hangt af van eiwitten die betrokken zijn bij de vorming van crosslinks.

Kenmerken

Spiercontractie

De functionele en structurele eenheid van de skeletspier is het sarcomeer, dat twee soorten filamenten heeft: de dunne filamenten, gevormd door actine, en de dikke filamenten, gevormd door myosine. Beide filamenten zijn afwisselend gerangschikt, op een precieze geometrische manier. Ze laten spiercontractie toe.

De dunne filamenten zijn verankerd in gebieden die schijven Z worden genoemd. Dit gebied bestaat uit een netwerk van vezels, waarin het CapZ-eiwit wordt aangetroffen en waaraan de uiteinden (+) van de actinefilamenten zijn verankerd. Dit anker voorkomt depolymerisatie van het (+) uiteinde.

Aan de andere kant bevindt tropomoduline zich aan de uiteinden (-) van actinefilamenten en beschermt het ze tegen depolymerisatie. Naast actine bezitten dunne filamenten tropomyosine en troponine, die functioneren om actomyosine-interacties te beheersen.

Hoe treedt spiercontractie op?

Tijdens spiercontractie voeren de dikke filamenten draaibewegingen uit, waarbij de dunne filamenten naar het midden van het sarcomeer worden getrokken. Hierdoor glijden grove en dunne vezels.

De lengte van de dikke en dunne filamenten blijft dus constant, maar de overlap tussen beide filamenten neemt toe. De lengte van het sarcomeer neemt af door de verankering van dunne filamenten aan de Z-schijven.

Hoe stop je spiercontractie?

ATP is de energiemunteenheid van de cel. Daarom is het bijna altijd beschikbaar in levend spierweefsel. Rekening houdend met het bovenstaande, moeten er mechanismen zijn die de ontspanning van de spier en het stoppen van contracties mogelijk maken.

Twee eiwitten, tropomyosine en troponine genaamd, spelen een fundamentele rol bij dit fenomeen. Deze werken samen om de bindingsplaatsen van myosine te blokkeren (waardoor de binding aan actine wordt voorkomen). Als gevolg hiervan ontspant de spier.

Omgekeerd, wanneer een dier sterft, ervaart het een fenomeen dat bekend staat als rigor mortis. Verantwoordelijk voor deze verharding van het karkas is het blokkeren van de interactie tussen myosine en actine, kort na de dood van het dier.

Een van de gevolgen van dit fenomeen is de behoefte aan ATP voor het vrijkomen van de twee eiwitmoleculen. Logischerwijs is er in dode weefsels geen beschikbaarheid van ATP en kan deze afgifte niet plaatsvinden.

Andere soorten bewegingen

Hetzelfde mechanisme dat we beschrijven (later zullen we ingaan op het mechanisme dat ten grondslag ligt aan beweging) is niet beperkt tot spiercontracties bij dieren. Het is verantwoordelijk voor de amoeboidale bewegingen die we waarnemen in amoeben en in sommige koloniale schimmels.

Evenzo wordt de cytoplasmatische beweging die we waarnemen in algen en in landplanten aangedreven door vergelijkbare mechanismen.

Regulatie van actine filament polymerisatie en depolymerisatie

Contractie van glad spierweefsel en cellen veroorzaakt een toename van F-actine en een afname van G-actine Actinepolymerisatie vindt plaats in drie fasen: 1) nucleatie, een langzame stap; 2) verlenging, een snelle stap; en 3) stabiele toestand. De polymerisatiesnelheid is gelijk aan de depolymerisatiesnelheid.

Het actinefilament groeit sneller aan het (+) uiteinde dan aan het (-) uiteinde. De snelheid van verlenging is evenredig met de concentratie van actinemonomeren in evenwicht met actinefilamenten, de kritische concentratie (Cc) genoemd.

De Cc voor het (+) uiteinde is 0,1 µM en voor het (-) uiteinde 0,8 µM. Dit betekent dat er 8 keer minder concentratie actinemonomeren nodig is om het (+) uiteinde te polymeriseren.

Actinepolymerisatie wordt voornamelijk gereguleerd door thymosine beta4 (TB4). Dit eiwit bindt G-actine en houdt het vast, waardoor het niet polymeriseert. Terwijl profilin actine-polymerisatie stimuleert. Profilin bindt zich aan actinemonomeren, waardoor polymerisatie aan het (+) uiteinde wordt vergemakkelijkt door dissociatie van het actine-TB4-complex.

Andere factoren zoals de toename van ionen (Na ⁺ , K ⁺ of Mg ^{+ 2} ) bevorderen de vorming van filamenten.

Vorming van het actine-cytoskelet

De vorming van het actine-cytoskelet vereist het maken van kruisverbindingen tussen actinefilamenten. Deze bindingen worden gevormd door eiwitten, waarvan de uitstekende kenmerken zijn: ze hebben actine-bindende domeinen; velen hebben domeinen die homoloog zijn aan calponine; en elk type eiwit komt tot expressie in een bepaald type cel.

In filopodia en stressvezels worden de kruisverbindingen tussen actinefilamenten gemaakt door fascina en filamine. Deze eiwitten zorgen ervoor dat actinefilamenten parallel zijn of verschillende hoeken hebben. Actinefilamenten bepalen dus de vorm van de cel.

Het gebied van de cel met het hoogste aantal actinefilamenten bevindt zich nabij het plasmamembraan. Dit gebied wordt de cortex genoemd. Het corticale cytoskelet is op verschillende manieren georganiseerd, afhankelijk van het type cel, en is via bindende eiwitten verbonden met het plasmamembraan.

Enkele van de best beschreven cytoskeletten zijn spiercellen, bloedplaatjes, epitheelcellen en erytrocyten. In spiercellen bindt het dystrofine-bindende eiwit bijvoorbeeld actinefilamenten aan een integraal glycoproteïnecomplex in het membraan. Dit complex bindt zich aan extracellulaire matrixeiwitten.

Actine-myosine interactie-actiemodel

De onderzoekers onder leiding van Rayment stelden een vierstappenmodel voor om de interactie van actine en myosine te verklaren. De eerste stap vindt plaats met de binding van ATP aan de koppen van myosine. Deze binding genereert een conformatieverandering in het eiwit, waardoor het vrijkomt van het actine in het kleine filament.

Het ATP wordt vervolgens gehydrolyseerd tot ADP, waarbij een anorganisch fosfaat vrijkomt. Het myosinemolecuul hecht zich aan een nieuwe actinesubeenheid en genereert een hoogenergetische toestand.

Het vrijkomen van anorganisch fosfaat veroorzaakt een verandering in myosine, die terugkeert naar de oorspronkelijke conformatie en de beweging van de kleine filamenten ten opzichte van de dikke filamenten optreedt. Deze beweging veroorzaakt de beweging van de twee uiteinden van de sarcomeer, waardoor ze dichter bij elkaar komen.

De laatste stap betreft het vrijgeven van de ADP. Op dit punt is de myosinekop vrij en kan hij binden aan een nieuw ATP-molecuul.

Celbeweging aangedreven door actinepolymerisatie

Kruipende beweeglijkheid is een soort celmotiliteit. De stappen van dit type beweeglijkheid zijn: projectie van de as van de adhesiegraad naar het substraat; hechting aan het substraat; intrekken achter; en onthechting.

De projectie van de leider-as vereist de deelname van eiwitten, die deelnemen aan de polymerisatie en depolymerisatie van actinefilamenten. De leider-as bevindt zich in de celcortex, het lamellipodium genaamd. De asprojectiestappen zijn:

- Activering van receptoren door extracellulair signaal.

- Vorming van actieve GTPases en 4,5-bisfosfaatfosfoinositol (PIP ₂ ).

- Activering van de WASp / Scar- en Arp2 / 3-eiwitten, die binden aan actinemonomeren om vertakkingen in actinefilamenten te vormen.

- Snelle groei van actinefilamenten, aan het met myosine versierde uiteinde van de tak. Het membraan wordt naar voren geschoven.

- Voltooiing van de rek geproduceerd door manteleiwitten.

- Hydrolyse van ATP gebonden aan actine in oudere filamenten.

- Depolymerisatie van actine-ADP van de filamenten bevorderd door ADF / cofilin.

- Uitwisseling van ADP voor ATP gekatalyseerd door profiline, waardoor G-ATP-actine wordt gegenereerd die klaar is om takken te verlengen.

Actine-gerelateerde ziekten

Spierdystrofie

Spierdystrofie is een degeneratieve aandoening van de skeletspier. Het wordt recessief overgeërfd en is gekoppeld aan chromosoom X. Het treft vooral mannen met een hoge frequentie in de populatie (één op de 3.500 mannen). De moeders van deze mannen zijn heterozygoot asymptomatisch en hebben mogelijk geen familiegeschiedenis.

Er zijn twee vormen van spierdystrofie, Duchenne en Becker, en beide worden veroorzaakt door defecten in het dystrofinegen. Deze defecten bestaan ​​uit deleties die axonen verwijderen.

Dystrofine is een eiwit (427 KDa) dat kruisverbindingen vormt tussen actinefilamenten. Het heeft een actine-bindend domein aan de N-terminus en een membraan-bindend domein aan de C-terminus. Tussen beide domeinen bevindt zich een derde buisvormig domein dat bestaat uit 24 tandemherhalingen.

In het musculaire corticale reticulum neemt dystrofine deel aan de binding van actinefilamenten aan het plasmamembraan via een glycoproteïnecomplex. Dit complex bindt ook aan extracellulaire matrixeiwitten.

Bij patiënten zonder functionele dystrofine met Duchenne-spierdystrofie ondersteunt het corticale cytoskelet het plasmamembraan niet. Bijgevolg wordt het plasmamembraan beschadigd door de spanning van herhaalde spiercontracties.

Referenties

1. Devlin, TM 2000. Biochemistry. Redactioneel Reverté, Barcelona.
2. Gunst, SJ, en Zhang, W. 2008. Actine-cytoskelet-dynamiek in gladde spieren: een nieuw paradigma voor de regulatie van contractie van gladde spieren. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Cellulaire en moleculaire biologie. Redactioneel Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sāo Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Principes van biochemie. WH Freeman, New York.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Remodellering van actinefilamenten door actine-depolymerisatiefactor / cofiline. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Cellulaire beweeglijkheid aangedreven door montage en demontage van actinefilamenten. Cell, 112: 453-465.