אקטין: מאפיינים, מבנה, חוטים, פונקציה - ביולוגיה - 2025

אקטין הוא חלבון cytosolic המהווה microfilaments. באיקריוטות, אקטין הוא אחד החלבונים השכיחים ביותר. לדוגמה, הוא מייצג 10% לפי משקל החלבון הכולל בתאי השריר; ובין 1 ל- 5% מהחלבון בתאים שאינם שרירים.

חלבון זה, יחד עם חוטים ביניים ומיקרו-צינורות, יוצרים את שלד הציטוס, שתפקידו העיקרי הוא ניידות התא, שמירה על צורת התא, חלוקת התא ותנועת האברונים בצמחים, פטריות ובעלי חיים.

מקור: Sarcomere.svg: עבודה נגזרת של דייוויד ריצ'פילד (משתמש Slashme): Retama

לאיזופורמות של האצטין ציטוס שלד פונקציות שונות, כגון: ויסות בהתפתחות מתח פעיל בשריר חלק, מחזור תאים, התפתחות עוברים, התפתחות רקמות וריפוי פצעים.

מנקודת מבט אבולוציונית, אקטין הוא חלבון שמור ביותר. קיימת כ- 90% הומולוגיה של רצף במינים שונים. באורגניזמים חד-תאיים, גן בודד מקודד איזו-פורם של אקטין. ואילו באורגניזמים רב-תאיים, גנים שונים מקודדים איזאפורמים מרובים של אקטין.

אקטין, יחד עם מיוזין, היו מבנים מכריעים בהתפתחות האבולוציונית של אורגניזמים אוקריוטים ובגיוון שלהם, מכיוון שהם איפשרו תנועה בהיעדר מבנים אחרים, כמו סמלונים וכיסיות.

מבנה: חוטי אקטין

אקטין הוא חלבון פוליפפטידי גלילי יחיד. בשריר יש לאקטין מסה מולקולרית של כ 42 KDa.

לחלבון זה שני תחומים. לכל אחד מהם שני תת-דומיינים, ופער בין התחומים. ATP - Mg ⁺² נקשר לתחתית השסע. טרמיני האמינו והקרבוקסיל נפגשים בתת-דומיין 1.

אקטין G ואקטין ו

ישנן שתי צורות עיקריות של אקטין: מונומר האקטין, הנקרא G-actin; ופולימר נימה המורכב ממונומרים G-actin, הנקרא F-actin. לחוטי אקטין, שנצפו במיקרוסקופיית אלקטרונים, יש אזורים צרים ורחבים, בהתאמה בקוטר 7 ננומטר ו -9 ננומטר.

לאורך הנימה, מונומרים האקטינים יוצרים סליל כפול צפוף. יחידה חוזרת לאורך הנימה מורכבת מ -13 מסוקים ו -28 מונומרים אקטינים, ויש לה מרחק של 72 ננומטר.

לחוט האקטין שני קצוות. האחד נוצר על ידי הפער המצטרף ל- ATP - Mg ⁺² , שנמצא באותו כיוון בכל מונומרים האקטינים של הנימה, הנקראים סוף (-); והקצה השני הפוך, נקרא סוף (+). לכן אומרים כי נימת האקטין היא בעלת קוטביות.

רכיבים אלה מכונים לעתים קרובות מיקרופילמנטים, מכיוון שהם המרכיבים של שלד הציטוס בקוטר הקטן ביותר.

היכן אנו מוצאים אקטין?

אקטין הוא חלבון נפוץ ביותר באורגניזמים אקוארוטיים. מבין כל החלבונים התאיים, האקטין מהווה כ- 5-10% - תלוי בסוג התא. בכבד, למשל, כל אחד מן התאים שמרכיבים אותו יש כמעט 5,10 ⁸ מולקולות אקטין.

מאפיינים

שתי הצורות של אקטין, מונומר ונימה, נמצאות ברציפות באיזון דינאמי בין פילמור לדפולימריזציה. באופן כללי, ישנם שלושה מאפיינים בולטים של תופעה זו:

1) חוטי אקטין אופייניים למבנה רקמת השריר ולשלד הציטוס של התאים האוקריוטים.

2) פולימריזציה ודה-פולימריזציה הוא תהליך דינאמי המווסת. כאשר הפולימרציה או הצבירה של מונומרים אקטין של G - ATP - Mg ⁺² מתרחשת בשני הקצוות. האם תהליך זה מתרחש תלוי בתנאי הסביבה ובחלבונים הרגולטוריים.

3) היווצרות צרורות ורשתיות רשת, המרכיבות את הציטוסקונטון של האקטין, נותנת כוח לתנועתיות התאים. זה תלוי בחלבונים המעורבים ביצירת חוליות צולבות.

מאפיינים

התכווצות שרירים

היחידה הפונקציונאלית והמבנית של שריר השלד היא הסרקומרה, שיש בה שני סוגים של חוטים: החוטים הדקים, הנוצרים על ידי אקטין, והחוטים העבים הנוצרים על ידי מיוזין. שני החוטים מסודרים לסירוגין, באופן גיאומטרי מדויק. הם מאפשרים התכווצות שרירים.

החוטים הדקים מעוגנים לאזורים המכונים דיסקי Z. אזור זה מורכב מרשת של סיבים, בהם נמצא חלבון CapZ, ואליו מעוגנים קצות (+) של חוטי אקטין. עוגן זה מונע depolymerization של הקצה (+).

מצד שני, טרופומודולין ממוקם בקצות (-) של חוטי אקטין, ומגן עליהם מפני דפולימרטיזציה. בנוסף לאקטין, בחוטים דקים יש טרופומיוזין וטרופונין, אשר מתפקדים לשליטה על אינטראקציות אקטומוזין.

כיצד מתרחשת התכווצות שרירים?

במהלך התכווצות השרירים, החוטים העבים מבצעים תנועות מסתובבות ומושכים את החוטים הדקים לעבר אמצע הסרקומרה. זה גורם להחליק של סיבים גסים ודקים.

לפיכך, אורך החוטים העבים והדקים נשאר קבוע, אך החפיפה בין שני החוטים גדלה. אורכו של הסרקומייר פוחת עקב עגינת חוטים דקים לדיסקיות ה- Z.

איך מפסיקים את התכווצות השרירים?

ATP הוא מטבע האנרגיה של התא. לכן, זה כמעט תמיד זמין ברקמות שריר חיות. אם לוקחים בחשבון את האמור לעיל, חייבים להיות מנגנונים המאפשרים הרפיה של השריר ועצירת התכווצויות.

שני חלבונים, המכונים טרופומיוזין וטרופונין, ממלאים תפקיד מהותי בתופעה זו. אלה פועלים יחד כדי לחסום את אתרי הכריכה של מיוזין (ובכך מונעים את קשירתו לאקטין). כתוצאה מכך השריר נרגע.

לעומת זאת, כאשר בעל חיים מת הוא חווה תופעה המכונה rigor mortis. האחראי להתקשות הפגר הזה הוא חסימת האינטראקציה בין מיוזין לאקטין, זמן קצר לאחר מות החיה.

אחת ההשלכות של תופעה זו היא הצורך ב- ATP בשחרור שתי מולקולות החלבון. באופן הגיוני, ברקמות מתות אין זמינות של ATP ושחרור זה לא יכול להתרחש.

סוגים אחרים של תנועה

אותו מנגנון שאנו מתארים (בהמשך נתעמק במנגנון העומד בבסיס התנועה) אינו מוגבל להתכווצויות שרירים בבעלי חיים. זה אחראי לתנועות האמבויידליות שאנו צופים באמבות ובכמה תבניות קולוניאליות.

באופן דומה, התנועה הציטופלסמית שאנו צופים באצות ובצמחי יבשה מונעת על ידי מנגנונים דומים.

ויסות של פילמור וחוטם פולימריזציה של נימה

התכווצות של רקמת שריר חלק ותאים מייצרת עלייה ב F- אקטין וירידה ב G- אקטין. פילמור אקטין מתרחש בשלושה שלבים: 1) גרעין, צעד איטי; 2) התארכות, צעד מהיר; ו- 3) מצב יציב. קצב הפילמור שווה לשיעור הפולימריזציה.

נימת האקטין צומחת מהר יותר בסוף (+) מאשר בסוף (-). קצב ההתארכות פרופורציונלי לריכוז מונומרים של אקטין בשיווי משקל עם חוטי אקטין, המכונים הריכוז הקריטי (Cc).

עותק הקצה לקצה (+) הוא 0.1 מיקרומטר, ולקצה (-) הוא 0.8 מיקרומטר. המשמעות היא שנדרש ריכוז של פי 8 פחות מונומרים של אקטין בכדי לבצע פולימר של הקצה (+).

פילמור האקטין מוסדר בעיקר על ידי תימוזין beta4 (TB4). חלבון זה קושר את אקטין G ושומר עליו, ומונע ממנו פילמור. ואילו פרופילין מגרה את פילמור האקטין. פרופילין נקשר למונומרים של אקטין, ומאפשר פילמור בקצה (+), באמצעות ניתוק של מתחם האקטין-TB4.

גורמים אחרים כמו העלייה ביונים (Na ⁺ , K ⁺ או Mg ⁺² ) מעדיפים את היווצרות החוטים.

היווצרות של ציטוס שלד האקטין

היווצרות של ציטוס שלד האקטין מצריכה יצירת קשרים צולבים בין חוטי אקטין. קשרים אלה נוצרים על ידי חלבונים, אשר המאפיינים הבולטים שלהם הם: יש להם תחומים מחייבים אקטין; לרבים יש תחומים הומולוגיים לקלפונין; וכל סוג של חלבון מתבטא בסוג מסוים של תא.

בפילופודיה וסיבי לחץ, הקשרים ההצלבים בין חוטי אקטין נעשים על ידי פאשינה ופילמין. חלבונים אלה, בהתאמה, גורמים לחוטי אקטין להיות מקבילים או לזוויות שונות. לפיכך, חוטי אקטין מגדירים את צורת התא.

אזור התא עם המספר הגבוה ביותר של חוטי אקטין ממוקם בסמוך לקרום הפלזמה. אזור זה נקרא קליפת המוח. הציטוס שלד הקורטיקלי מסודר בדרכים שונות, תלוי בסוג התא, ומחובר לקרום הפלזמה באמצעות חלבונים מחייבים.

כמה מתאי הציטו-שלד המתוארים ביותר הם תאי שריר, טסיות דם, תאי אפיתל ואריתרוציטים. לדוגמה, בתאי שריר, החלבון המחייב דיסטרופין קושר חוטי אקטין למתחם גליקופרוטאין אינטגרלי בקרום. קומפלקס זה נקשר לחלבוני מטריקס חוץ תאיים.

מודל פעולה של אינטראקציה אקטין-מיוזין

החוקרים בראשות Rayment הציעו מודל בן ארבעה שלבים שיסביר את האינטראקציה של אקטין ומיוזין. השלב הראשון מתרחש עם קשירת ATP לראשי מיוזין. כריכה זו יוצרת שינוי קונפורמציה בחלבון ומשחררת אותו מהאקטין בחוט הקטן.

לאחר מכן הידרוליזה ה- ATP מועברת ל- ADP ומשחררת פוספט אנאורגני. מולקולת המיוזין נקשרת עצמה ליחידה תת-אקטינית חדשה, ומייצרת מצב בעל אנרגיה גבוהה.

שחרורו של פוספט אנאורגני מביא לשינוי במיוזין, וחוזר לקונפורמציה הראשונית ולתנועת החוטים הקטנים, ביחס לחוטים העבים, המתרחשים. תנועה זו גורמת לתנועה של שני הקצוות של הסרקומייר, ומקרבת אותם זה לזה.

השלב האחרון כולל פרסום ה- ADP. בשלב זה ראש המיוזין חופשי ויכול להיקשר למולקולת ATP חדשה.

תנועת תאים מונעת על ידי פילמור אקטין

תנועתיות זוחלת היא סוג של תנועתיות בתאים. השלבים של תנועה מסוג זה הם: הקרנת ציר מוביל ההדבקה לעבר המצע; הידבקות למצע; נסיגה אחורית; והדבקה דיס.

השלכת ציר המנהיג מחייבת השתתפות של חלבונים, המשתתפים בפירמור ובדה-פולימריזציה של חוטי אקטין. ציר המנהיג נמצא בקליפת המוח, הנקרא lamellipodium. שלבי הקרנת הצירים הם:

- הפעלת קולטנים באמצעות אות חוץ תאי.

- היווצרות של GTPases פעילים ו- 4,5-bisphosphate phosphoinositol (PIP ₂ ).

- הפעלת חלבוני WASp / Scar ו- Arp2 / 3, הנקשרים למונומרים של אקטין ליצירת ענפים בחוטי אקטין.

- גידול מהיר של חוטי אקטין, בקצה המעוטר במיוזין. הקרום נדחף קדימה.

- השלמת התארכות המיוצרת על ידי חלבוני מעיל.

- הידרוליזה של ATP הקשורה לאקטין בחוטים ישנים.

- דה-פולימריזציה של אקטין-ADP של החוטים המקודמים על ידי ADF / קופילין.

- החלפת ADP ל- ATP המוזזמת על ידי פרופילין, ויוצרת אקטין G-ATP המוכן להתחיל להאריך ענפים.

מחלות הקשורות לאקטין

ניוון שרירים

ניוון שרירים הוא מחלה ניוונית של שריר השלד. היא עוברת בירושה ברציפות וקשורה לכרומוזום X. היא משפיעה בעיקר על גברים עם תדירות גבוהה באוכלוסייה (אחד מכל 3,500 זכרים). האמהות של גברים אלה הם אסימפטומטיים הטרוזיגוטיים, ועשויות להיעדר היסטוריה משפחתית.

ישנן שתי צורות של ניוון שרירים, דושן ובקר, ושניהם נגרמים על ידי פגמים בגן הדיסטרופין. פגמים אלה מורכבים ממחיקות המסירות אקסונים.

דיסטרופין הוא חלבון (427 KDa) היוצר קשרים צולבים בין חוטי אקטין. יש לו תחום מחייב אקטין בקצה N, ותחום מחייב קרום בקצה C. בין שני התחומים ישנו תחום צינורי שלישי המורכב מ -24 חזרות טנדם.

בתכנית הרקפת המוח הקליפתית השרירית, דיסטרופין משתתף בקשירת חוטי אקטין לקרום הפלזמה באמצעות קומפלקס גליקופרוטאין. מתחם זה נקשר גם לחלבוני מטריקס חוץ תאיים.

בחולים חסרי דיסטרופין תפקודי עם ניוון שרירים של דושן, הציטוס שלד בקליפת המוח אינו תומך בקרום הפלזמה. כתוצאה מכך, קרום הפלזמה נפגע מהלחץ של התכווצויות שרירים חוזרות ונשנות.

הפניות

1. דבלין, TM 2000. ביוכימיה. Reverté העריכה, ברצלונה.
2. Gunst, SJ, and Zhang, W. 2008. Dynamic cytoskeletal actin בשריר חלק: פרדיגמה חדשה לוויסות התכווצות שרירים חלקים. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. ביולוגיה תאית ומולקולרית. העריכה Medica Panamericana, בואנוס איירס, בוגוטה, קראקס, מדריד, מקסיקו, סאו פאולו.
4. נלסון, DL, קוקס, MM 2008. להינגר - עקרונות ביוכימיה. WH פרימן, ניו יורק.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. שיפוץ נימה של אקטין על ידי גורם / פוליפליזציה של אקטין / קופילין. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. תנועתיות סלולרית מונעת על ידי הרכבה ופרק של חוטי אקטין. תא, 112: 453-465.