AKTIN: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, FILAMENTE, FUNKTION - BIOLOGIE - 2025

Das Aktin ist ein zytosolisches Protein, das Mikrofilamente bildet. In Eukaryoten ist Aktin eines der am häufigsten vorkommenden Proteine. Zum Beispiel macht es 10 Gew .-% des Gesamtproteins in Muskelzellen aus; und zwischen 1 und 5% des Proteins in Nicht-Muskelzellen.

Dieses Protein bildet zusammen mit den Zwischenfilamenten und Mikrotubuli das Zytoskelett, dessen Hauptfunktion die Mobilität der Zelle, die Aufrechterhaltung der Zellform, die Zellteilung und die Bewegung von Organellen in Pflanzen, Pilzen und Tieren ist.

Quelle: Sarcomere.svg: David Richfield (Slashme-Benutzer) abgeleitete Arbeit: Retama

Die Isoformen des Aktin-Zytoskeletts haben verschiedene Funktionen, wie z. B.: Regulierung der Entwicklung aktiver Spannungen in glatten Muskeln, Zellzyklus, Embryonalentwicklung, Gewebeentwicklung und Wundheilung.

Aus evolutionärer Sicht ist Actin ein hochkonserviertes Protein. Es gibt ungefähr 90% Sequenzhomologie in verschiedenen Spezies. In einzelligen Organismen codiert ein einzelnes Gen eine Aktin-Isoform. Während in mehrzelligen Organismen verschiedene Gene mehrere Isoformen von Aktin codieren.

Actin war zusammen mit Myosin eine entscheidende Struktur für die evolutionäre Evolution eukaryotischer Organismen und für ihre Diversifizierung, da sie Bewegung ohne andere Strukturen wie Flagellen und Zilien ermöglichte.

Struktur: Aktinfilamente

Actin ist ein globuläres einkettiges Polypeptidprotein. Im Muskel hat Aktin eine Molekülmasse von ungefähr 42 KDa.

Dieses Protein hat zwei Domänen. Jede hat zwei Subdomains und eine Lücke zwischen den Domains. ATP - Mg ⁺² bindet an den Boden der Spalte. Die Amino- und Carboxyltermini treffen sich in Subdomäne 1.

Aktin G und Aktin F.

Es gibt zwei Hauptformen von Aktin: das Aktinmonomer, genannt G-Aktin; und ein filamentöses Polymer, das aus G-Actin-Monomeren besteht und F-Actin genannt wird. Aktinfilamente, die durch Elektronenmikroskopie beobachtet wurden, haben enge und breite Bereiche mit einem Durchmesser von 7 nm bzw. 9 nm.

Entlang des Filaments bilden die Aktinmonomere eine dicht gepackte Doppelhelix. Eine sich wiederholende Einheit entlang des Filaments besteht aus 13 Helices und 28 Aktinmonomeren und hat einen Abstand von 72 nm.

Das Aktinfilament hat zwei Enden. Eine wird durch die Lücke gebildet, die ATP - Mg ^{+2 verbindet} , das sich in allen Aktinmonomeren des Filaments in der gleichen Richtung befindet und als (-) Ende bezeichnet wird. und das andere Ende ist das Gegenteil, das (+) Ende genannt wird. Daher soll das Aktinfilament eine Polarität haben.

Diese Komponenten werden oft als Mikrofilamente bezeichnet, da sie die Komponenten des Zytoskeletts mit dem kleinsten Durchmesser sind.

Wo finden wir Aktin?

Actin ist ein äußerst häufiges Protein in eukaryotischen Organismen. Von allen zellulären Proteinen macht Actin etwa 5-10% aus - abhängig vom Zelltyp. In der Leber zum Beispiel hat jede der Zellen, aus denen sie besteht, fast 5,10 ⁸ Aktinmoleküle.

Eigenschaften

Die beiden Formen von Aktin, Monomer und Filament, befinden sich kontinuierlich in einem dynamischen Gleichgewicht zwischen Polymerisation und Depolymerisation. Im Allgemeinen gibt es drei hervorstechende Merkmale dieses Phänomens:

1) Aktinfilamente sind typisch für die Struktur des Muskelgewebes und das Zytoskelett eukaryotischer Zellen.

2) Polymerisation und Depolymerisation ist ein dynamischer Prozess, der reguliert wird. Wenn die Polymerisation oder Aggregation von G-ATP-Mg ^{+ 2-} Actinmonomeren an beiden Enden erfolgt. Ob dieser Prozess stattfindet, hängt von den Umgebungsbedingungen und den regulatorischen Proteinen ab.

3) Die Bildung von Bündeln und Fadenkreuzen, aus denen das Aktin-Zytoskelett besteht, stärkt die Zellmotilität. Dies hängt von Proteinen ab, die an der Bildung von Vernetzungen beteiligt sind.

Eigenschaften

Muskelkontraktion

Die funktionelle und strukturelle Einheit des Skelettmuskels ist das Sarkomer, das zwei Arten von Filamenten aufweist: die dünnen Filamente, die durch Aktin gebildet werden, und die dicken Filamente, die durch Myosin gebildet werden. Beide Filamente sind abwechselnd präzise geometrisch angeordnet. Sie ermöglichen eine Muskelkontraktion.

Die dünnen Filamente sind in Regionen verankert, die als Z-Scheiben bezeichnet werden. Diese Region besteht aus einem Netzwerk von Fasern, in denen sich das CapZ-Protein befindet und an denen die Enden (+) der Aktinfilamente verankert sind. Dieser Anker verhindert die Depolymerisation des (+) Endes.

Andererseits befindet sich Tropomodulin an den Enden (-) der Aktinfilamente und schützt sie vor Depolymerisation. Dünne Filamente besitzen neben Actin auch Tropomyosin und Troponin, die die Actomyosin-Wechselwirkungen steuern.

Wie kommt es zur Muskelkontraktion?

Während der Muskelkontraktion führen die dicken Filamente Schwenkbewegungen aus und ziehen die dünnen Filamente zur Mitte des Sarkomers. Dadurch rutschen grobe und dünne Fasern ab.

Somit bleibt die Länge der dicken und dünnen Filamente konstant, aber die Überlappung zwischen beiden Filamenten nimmt zu. Die Länge des Sarkomers nimmt aufgrund der Verankerung dünner Filamente an den Z-Scheiben ab.

Wie stoppen Sie die Muskelkontraktion?

ATP ist die Energiewährung der Zelle. Daher ist es fast immer in lebenden Muskelgeweben verfügbar. Unter Berücksichtigung des oben Gesagten müssen Mechanismen vorhanden sein, die die Entspannung des Muskels und das Anhalten von Kontraktionen ermöglichen.

Zwei Proteine, Tropomyosin und Troponin, spielen bei diesem Phänomen eine grundlegende Rolle. Diese arbeiten zusammen, um die Bindungsstellen von Myosin zu blockieren (wodurch dessen Bindung an Actin verhindert wird). Dadurch entspannt sich der Muskel.

Wenn ein Tier dagegen stirbt, tritt ein Phänomen auf, das als Totenstarre bekannt ist. Die Person, die für diese Verhärtung der Leiche verantwortlich ist, ist die Blockierung der Wechselwirkung zwischen Myosin und Actin kurz nach dem Tod des Tieres.

Eine der Folgen dieses Phänomens ist der Bedarf an ATP für die Freisetzung der beiden Proteinmoleküle. In toten Geweben ist logischerweise kein ATP verfügbar, und diese Freisetzung kann nicht auftreten.

Andere Arten von Bewegung

Der gleiche Mechanismus, den wir beschreiben (später werden wir uns mit dem Mechanismus befassen, der der Bewegung zugrunde liegt), ist nicht auf Muskelkontraktionen bei Tieren beschränkt. Es ist verantwortlich für die amöboidalen Bewegungen, die wir bei Amöben und in einigen Kolonialformen beobachten.

In ähnlicher Weise wird die zytoplasmatische Bewegung, die wir bei Algen und Landpflanzen beobachten, von ähnlichen Mechanismen angetrieben.

Regulation der Polymerisation und Depolymerisation von Aktinfilamenten

Die Kontraktion von glattem Muskelgewebe und Zellen führt zu einer Zunahme von F-Actin und einer Abnahme von G-Actin. Die Actin-Polymerisation erfolgt in drei Stufen: 1) Keimbildung, ein langsamer Schritt; 2) Dehnung, ein schneller Schritt; und 3) stationärer Zustand. Die Polymerisationsgeschwindigkeit ist gleich der Depolymerisationsgeschwindigkeit.

Das Aktinfilament wächst am (+) Ende schneller als am (-) Ende. Die Dehnungsrate ist proportional zur Konzentration von Aktinmonomeren im Gleichgewicht mit Aktinfilamenten, die als kritische Konzentration (Cc) bezeichnet wird.

Der Cc für das (+) Ende beträgt 0,1 uM und für das (-) Ende 0,8 uM. Dies bedeutet, dass eine 8-mal geringere Konzentration an Aktinmonomeren erforderlich ist, um das (+) Ende zu polymerisieren.

Die Actin-Polymerisation wird hauptsächlich durch Thymosin Beta4 (TB4) reguliert. Dieses Protein bindet G-Actin und hält es zurück, wodurch verhindert wird, dass es polymerisiert. Während Profilin die Aktinpolymerisation stimuliert. Profilin bindet an Actinmonomere und erleichtert die Polymerisation am (+) Ende durch Dissoziation des Actin-TB4-Komplexes.

Andere Faktoren wie die Zunahme der Ionen (Na ⁺ , K ⁺ oder Mg ^{+ 2} ) begünstigen die Bildung von Filamenten.

Bildung des Aktin-Zytoskeletts

Die Bildung des Aktin-Zytoskeletts erfordert die Herstellung von Vernetzungen zwischen Aktinfilamenten. Diese Bindungen werden von Proteinen gebildet, deren herausragende Eigenschaften sind: Sie haben Aktin-Bindungsdomänen; viele haben Domänen, die zu Calponin homolog sind; und jeder Proteintyp wird in einem bestimmten Zelltyp exprimiert.

In Filopodien und Stressfasern werden die Vernetzungen zwischen Aktinfilamenten durch Faszina und Filamin hergestellt. Diese Proteine ​​bewirken, dass Aktinfilamente parallel sind oder unterschiedliche Winkel haben. Somit definieren Aktinfilamente die Form der Zelle.

Der Bereich der Zelle mit der höchsten Anzahl von Aktinfilamenten befindet sich in der Nähe der Plasmamembran. Diese Region wird als Cortex bezeichnet. Das kortikale Zytoskelett ist je nach Zelltyp unterschiedlich organisiert und über Bindungsproteine ​​mit der Plasmamembran verbunden.

Einige der am besten beschriebenen Zytoskelette sind Muskelzellen, Blutplättchen, Epithelzellen und Erythrozyten. Beispielsweise bindet das Dystrophin-Bindungsprotein in Muskelzellen Aktinfilamente an einen integralen Glykoproteinkomplex in der Membran. Dieser Komplex bindet an extrazelluläre Matrixproteine.

Aktin-Myosin-Interaktionsaktionsmodell

Die von Rayment geleiteten Forscher schlugen ein vierstufiges Modell vor, um die Wechselwirkung von Actin und Myosin zu erklären. Der erste Schritt erfolgt mit der Bindung von ATP an die Köpfe von Myosin. Diese Bindung erzeugt eine Konformationsänderung im Protein und setzt es aus dem Aktin im kleinen Filament frei.

Das ATP wird dann zu ADP hydrolysiert, wobei ein anorganisches Phosphat freigesetzt wird. Das Myosinmolekül bindet sich an eine neue Aktinuntereinheit und erzeugt einen hochenergetischen Zustand.

Die Freisetzung von anorganischem Phosphat bewirkt eine Änderung des Myosins und kehrt zur ursprünglichen Konformation und Bewegung der kleinen Filamente in Bezug auf die dicken Filamente zurück. Diese Bewegung bewirkt die Bewegung der beiden Enden des Sarkomers und bringt sie näher zusammen.

Der letzte Schritt beinhaltet die Freigabe des ADP. Zu diesem Zeitpunkt ist der Myosinkopf frei und kann an ein neues ATP-Molekül binden.

Zellbewegung durch Aktinpolymerisation

Krabbelmotilität ist eine Art von Zellmotilität. Die Schritte dieser Art von Beweglichkeit sind: Projektion der Adhäsionsleiterachse in Richtung des Substrats; Haftung auf dem Substrat; Rückzug hinten; und Disadhäsion.

Die Projektion der Leitachse erfordert die Beteiligung von Proteinen, die an der Polymerisation und Depolymerisation von Aktinfilamenten beteiligt sind. Die Leitachse befindet sich im Zellcortex, dem Lamellipodium. Die Achsenprojektionsschritte sind:

- Aktivierung von Rezeptoren durch extrazelluläres Signal.

- Bildung von aktiven GTPasen und 4,5-Bisphosphatphosphoinositol (PIP ₂ ).

- Aktivierung der WASp / Scar- und Arp2 / 3-Proteine, die an Actinmonomere binden, um Verzweigungen in Actinfilamenten zu bilden.

- Schnelles Wachstum von Aktinfilamenten am mit Myosin dekorierten Ende des Zweigs. Die Membran wird nach vorne gedrückt.

- Vervollständigung der durch Hüllproteine ​​erzeugten Dehnung.

- Hydrolyse von ATP, das in älteren Filamenten an Actin gebunden ist.

- Depolymerisation von Actin-ADP der durch ADF / Cofilin geförderten Filamente.

- Austausch von ADP gegen durch Profilin katalysiertes ATP, wodurch G-ATP-Actin erzeugt wird, das bereit ist, die Verzweigung zu verlängern.

Aktinbedingte Krankheiten

Muskelschwund

Muskeldystrophie ist eine degenerative Erkrankung des Skelettmuskels. Es wird rezessiv vererbt und ist mit dem X-Chromosom verbunden. Es betrifft hauptsächlich Männer mit einer hohen Häufigkeit in der Bevölkerung (einer von 3.500 Männern). Die Mütter dieser Männer sind heterozygot asymptomatisch und haben möglicherweise keine Familienanamnese.

Es gibt zwei Formen der Muskeldystrophie, Duchenne und Becker, und beide werden durch Defekte im Dystrophin-Gen verursacht. Diese Defekte bestehen aus Deletionen, die Axone entfernen.

Dystrophin ist ein Protein (427 KDa), das Vernetzungen zwischen Aktinfilamenten bildet. Es hat eine Aktin-Bindungsdomäne am N-Terminus und eine Membran-Bindungsdomäne am C-Terminus. Zwischen beiden Domänen befindet sich eine dritte röhrenförmige Domäne, die aus 24 Tandem-Wiederholungen besteht.

Im muskulären kortikalen Retikulum ist Dystrophin an der Bindung von Aktinfilamenten an die Plasmamembran über einen Glykoproteinkomplex beteiligt. Dieser Komplex bindet auch an extrazelluläre Matrixproteine.

Bei Patienten ohne funktionelles Dystrophin mit Duchenne-Muskeldystrophie unterstützt das kortikale Zytoskelett die Plasmamembran nicht. Folglich wird die Plasmamembran durch die Belastung durch wiederholte Muskelkontraktionen beschädigt.

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