ACTINĂ: CARACTERISTICI, STRUCTURĂ, FILAMENTE, FUNCȚIE - BIOLOGIE - 2025

Actin este o proteină citozolică care formează microfilamente. În eucariote, actina este una dintre cele mai abundente proteine. De exemplu, reprezintă 10% din greutatea proteinei totale din celulele musculare; și între 1 și 5% din proteine ​​în celulele non-musculare.

Această proteină, împreună cu filamentele intermediare și microtubulele, formează citoscheletul, a cărui funcție principală este mobilitatea celulei, menținerea formei celulare, diviziunea celulară și mișcarea organelelor la plante, ciuperci și animale.

Sursa: Sarcomere.svg: lucrarea derivată a lui David Richfield (utilizator Slashme): Retama

Izoformele citoscheletului de actină au funcții diferite, precum: reglarea dezvoltării tensiunii active în mușchi neted, ciclul celular, dezvoltarea embrionului, dezvoltarea țesuturilor și vindecarea rănilor.

Din punct de vedere evolutiv, actina este o proteină extrem de conservată. Există aproximativ 90% omologie de secvență la diferite specii. În organismele unicelulare, o singură genă codifică o izoformă de actină. În timp ce în organismele multicelulare, diferite gene codifică mai multe izoforme de actină.

Actina, împreună cu miozina, au fost structuri cruciale în evoluția evolutivă a organismelor eucariote și în diversificarea lor, deoarece au permis mișcarea în absența altor structuri, cum ar fi flagelul și cilia.

Structura: filamente de actină

Actina este o proteină polipeptidică unică lanț globular. În mușchi, actina are o masă moleculară de aproximativ 42 KDa.

Această proteină are două domenii. Fiecare are două subdomenii și un decalaj între domenii. ATP - Mg ⁺² se leagă la partea inferioară a fisurii. Terminele amino și carboxilice se întâlnesc la subdomeniul 1.

Actina G și actina F

Există două forme principale de actină: monomerul de actină, numit G-actină; și un polimer filamentos, format din monomeri cu actină G., numită actină F. Filamentele de actină, observate prin microscopie electronică, au regiuni înguste și respectiv 7 nm și 9 nm în diametru.

De-a lungul filamentului, monomerii de actină formează o dublă helixă ambalată strâns. O unitate de repetare de-a lungul filamentului este formată din 13 elice și 28 de monomeri de actină și are o distanță de 72 nm.

Filamentul de actină are două capete. Unul este format din golul care unește ATP - Mg ⁺² , care este situat în aceeași direcție în toate monomerii de actină ai filamentului, numiți capătul (-); iar celălalt capăt este opus, numit capătul (+). Prin urmare, se spune că filamentul de actină are polaritate.

Aceste componente sunt adesea cunoscute sub numele de microfilamente, deoarece sunt componentele citoscheletului cu cel mai mic diametru.

Unde găsim actina?

Actina este o proteină extrem de comună în organismele eucariote. Dintre toate proteinele celulare, actina reprezintă aproximativ 5-10% - în funcție de tipul de celule. În ficat, de exemplu, fiecare dintre celulele care o alcătuiesc are aproape 5,10 ⁸ molecule de actină.

caracteristici

Cele două forme de actină, monomer și filament, se află într-un echilibru dinamic între polimerizare și depolimerizare. În general, există trei caracteristici principale ale acestui fenomen:

1) Filamentele de actină sunt tipice structurii țesutului muscular și citoscheletului celulelor eucariote.

2) Polimerizarea și depolimerizarea este un proces dinamic care este reglementat. În cazul în care polimerizarea sau agregarea monomerilor de actină G-ATP - Mg ⁺² are loc la ambele capete. Dacă acest proces are loc depinde de condițiile mediului și de proteinele de reglementare.

3) Formarea mănunchilor și reticulelor, care alcătuiesc citoscheletul de actină, dă putere motilității celulare. Aceasta depinde de proteinele care sunt implicate în formarea legăturilor încrucișate.

Caracteristici

Contractie musculara

Unitatea funcțională și structurală a mușchiului scheletului este sarcomerul, care are două tipuri de filamente: filamentele subțiri, formate din actină, și filamentele groase, formate din miozină. Ambele filamente sunt dispuse alternativ, într-un mod geometric precis. Ele permit contracția musculară.

Filamentele subțiri sunt ancorate la regiunile numite discuri Z. Această regiune constă dintr-o rețea de fibre, în care se găsește proteina CapZ și la care sunt ancorate capetele (+) ale filamentelor de actină. Această ancoră previne depolimerizarea capătului (+).

Pe de altă parte, tropomodulina este localizată la capetele (-) a filamentelor de actină și le protejează de depolimerizare. Pe lângă actină, filamentele subțiri au tropomiozină și troponină, care funcționează pentru a controla interacțiunile actomiozinei.

Cum apare contracția musculară?

În timpul contracției musculare, filamentele groase execută mișcări de pivotare, trăgând filamentele subțiri spre mijlocul sarcomerei. Acest lucru face ca fibrele grosiere și subțiri să alunece.

Astfel, lungimea filamentelor groase și subțiri rămâne constantă, dar suprapunerea dintre ambele filamente crește. Lungimea sarcomerului scade datorită ancorarea filamentelor subțiri la discurile Z.

Cum opriți contracția musculară?

ATP este moneda energetică a celulei. Prin urmare, este aproape întotdeauna disponibil în țesuturile musculare vii. Ținând cont de cele de mai sus, trebuie să existe mecanisme care să permită relaxarea mușchilor și arestarea contracțiilor.

Două proteine, numite tropomiozină și troponină, joacă un rol fundamental în acest fenomen. Acestea lucrează împreună pentru a bloca site-urile de legare ale miozinei (împiedicând astfel legarea ei la actină). Drept urmare, mușchiul se relaxează.

În schimb, atunci când un animal moare, el experimentează un fenomen cunoscut sub numele de rigide mortis. Responsabil de această întărire a carcasei este blocarea interacțiunii dintre miozină și actină, la scurt timp după moartea animalului.

Una dintre consecințele acestui fenomen este nevoia de ATP pentru eliberarea celor două molecule proteice. În mod logic, în țesuturile moarte nu există disponibilitate de ATP și această eliberare nu poate apărea.

Alte tipuri de mișcare

Același mecanism pe care l-am descris (mai târziu vom aprofunda mecanismul care stă la baza mișcării) nu se limitează la contracțiile musculare la animale. Este responsabil pentru mișcările amoeboidale pe care le observăm în amebe și în unele matrite coloniale.

În mod similar, mișcarea citoplasmatică pe care o observăm în alge și în plantele terestre este condusă de mecanisme similare.

Reglarea polimerizării și depolimerării cu filament de actină

Contracția țesutului muscular neted și a celulelor produce o creștere a actinei F și o scădere a actinei G. Polimerizarea actinei are loc în trei etape: 1) nuclearea, o etapă lentă; 2) alungirea, un pas rapid; și 3) starea de echilibru. Viteza de polimerizare este egală cu rata de depolimerizare.

Filamentul de actină crește mai repede la capătul (+) decât la capătul (-). Viteza de alungire este proporțională cu concentrația monomerilor de actină în echilibru cu filamentele de actină, numită concentrație critică (Cc).

Cc pentru capătul (+) este 0,1 pM, iar pentru capătul (-) este 0,8 pM. Aceasta înseamnă că este necesară o concentrație de 8 ori mai mică de monomeri de actină pentru polimerizarea capătului (+).

Polimerizarea actinei este reglementată în principal de tiosin beta4 (TB4). Această proteină leagă actina G și o păstrează, împiedicând-o să se polimerizeze. Întrucât profilina stimulează polimerizarea actinei. Profilina se leagă de monomeri de actină, facilitând polimerizarea la capătul (+), prin disocierea complexului actină-TB4.

Alți factori precum creșterea ionilor (Na ⁺ , K ⁺ sau Mg ⁺² ) favorizează formarea filamentelor.

Formarea citoscheletului de actină

Formarea citoscheletului de actină necesită crearea de legături încrucișate între filamentele de actină. Aceste legături sunt formate din proteine, ale căror caracteristici deosebite sunt: ​​au domenii de legare la actină; mulți au domenii omoloage cu calponina; și fiecare tip de proteină este exprimat într-un anumit tip de celule.

În fibrele de filopodie și de stres, legăturile încrucișate dintre filamentele de actină sunt făcute de fascină și filamină. Aceste proteine, determină ca filamentele de actină să fie paralele sau să aibă unghiuri diferite. Astfel, filamentele de actină definesc forma celulei.

Regiunea celulei cu cel mai mare număr de filamente de actină este localizată în apropierea membranei plasmatice. Această regiune se numește cortex. Citoscheletul cortical este organizat în moduri diferite, în funcție de tipul de celulă, și este conectat la membrana plasmatică prin proteine ​​de legare.

Unele dintre cele mai descrise citoscheletele sunt celulele musculare, trombocitele, celulele epiteliale și eritrocitele. De exemplu, în celulele musculare, proteina de legare a distrofinei leagă filamentele de actină de un complex integral de glicoproteină din membrană. Acest complex se leagă de proteinele matricei extracelulare.

Model de acțiune de interacțiune actină-miozină

Cercetătorii conduși de Rayment au propus un model în patru etape pentru a explica interacțiunea actinei și a miozinei. Primul pas apare cu legarea ATP la capetele miosinei. Această legătură generează o modificare conformațională a proteinei, eliberând-o de actină în filamentul mic.

ATP este apoi hidrolizat la ADP, eliberând un fosfat anorganic. Molecula de miozină se atașează de o nouă subunitate de actină, generând o stare de mare energie.

Eliberarea fosfatului anorganic produce o schimbare a miozinei, revenind la conformația inițială și la mișcarea filamentelor mici, în raport cu filamentele groase. Această mișcare determină mișcarea celor două capete ale sarcomerului, aducându-le mai aproape.

Ultimul pas implică eliberarea ADP. În acest moment, capul de miozină este liber și se poate lega la o nouă moleculă de ATP.

Mișcarea celulară determinată de polimerizarea actinei

Motilitatea crawling-ului este un tip de motilitate celulară. Etapele acestui tip de motilitate sunt: ​​proiecția axei conducătorului de aderență către substrat; aderența la substrat; retragere spate; si dezaderenta.

Proiecția axei lider necesită participarea proteinelor, care participă la polimerizarea și depolimerizarea filamentelor de actină. Axa lider se găsește în cortexul celular, numit lamellipodiu. Etapele proiecției axei sunt:

- Activarea receptorilor prin semnal extracelular.

- Formarea GTPazelor active și a fosfositositolului 4,5-bisfosfat (PIP ₂ ).

- Activarea proteinelor WASp / Scar și Arp2 / 3, care se leagă de monomerii de actină pentru a forma ramuri în filamentele de actină.

- Creșterea rapidă a filamentelor de actină, la capătul ramurii decorate cu miozină. Membrana este împinsă înainte.

- Completarea alungirii produse de proteinele stratului.

- Hidroliza ATP legată de actină în filamentele mai vechi.

- Depolimerizarea actinei-ADP a filamentelor promovate de ADF / cofilină.

- Schimbul de ADP pentru ATP catalizat de profilină, generând actină G-ATP gata să înceapă să alunge ramurile.

Boli legate de actină

Distrofie musculara

Distrofia musculară este o boală degenerativă a mușchiului scheletului. Este moștenit recesiv și este legat de cromozomul X. Afectează în principal bărbații cu o frecvență ridicată în populație (unul din fiecare 3.500 de bărbați). Mamele acestor bărbați sunt heterozigote asimptomatice și pot să nu aibă antecedente familiale.

Există două forme de distrofie musculară, Duchenne și Becker și ambele sunt cauzate de defecte ale genei distrofinei. Aceste defecte constau în ștergeri care îndepărtează axonii.

Distrofina este o proteină (427 KDa) care formează legături încrucișate între filamentele de actină. Are un domeniu de legare la actină la terminalul N și un domeniu de legare la membrană la capătul C. Între ambele domenii există un al treilea domeniu tubular format din 24 de repetări tandem.

În reticulul cortical muscular, distrofina participă la legarea filamentelor de actină la membrana plasmatică printr-un complex de glicoproteină. Acest complex se leagă, de asemenea, de proteinele matricei extracelulare.

La pacienții lipsiți de distrofină funcțională cu distrofie musculară Duchenne, citoscheletul cortical nu suportă membrana plasmatică. În consecință, membrana plasmatică este afectată de stresul contracțiilor musculare repetate.

Referințe

1. Devlin, TM 2000. Biochimie. Editorial Reverté, Barcelona.
2. Gunst, SJ și Zhang, W. 2008. Actină cito-scheletică dinamică în mușchiul neted: o nouă paradigmă pentru reglarea contracției musculare netede. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Biologie celulară și moleculară. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexic, São Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Principiile biochimiei. WH Freeman, New York.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Remodelarea filamentului de actină prin factorul de depolimerizare a actinei / cofilină. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Motilitatea celulară condusă de asamblarea și demontarea filamentelor de actină. Cell, 112: 453-465.