แอกติน: ลักษณะโครงสร้างเส้นใยฟังก์ชัน - ชีววิทยา - 2025

โปรตีนเป็นโปรตีน cytosolic ที่รูปแบบไมโครฟิลาเมนท์ ในยูคาริโอตแอคตินเป็นโปรตีนที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดชนิดหนึ่ง ตัวอย่างเช่นคิดเป็น 10% โดยน้ำหนักของโปรตีนทั้งหมดในเซลล์กล้ามเนื้อ และระหว่าง 1 ถึง 5% ของโปรตีนในเซลล์ที่ไม่ใช่กล้ามเนื้อ

โปรตีนนี้ร่วมกับเส้นใยกลางและ microtubules สร้างโครงร่างเซลล์ซึ่งมีหน้าที่หลักคือการเคลื่อนไหวของเซลล์การรักษารูปร่างของเซลล์การแบ่งเซลล์และการเคลื่อนไหวของออร์แกเนลล์ในพืชเชื้อราและสัตว์

ที่มา: Sarcomere.svg: งานอนุพันธ์ของ David Richfield (ผู้ใช้ Slashme): Retama

ไอโซฟอร์มของโครงกระดูกแอคตินมีหน้าที่แตกต่างกันเช่น: การควบคุมการพัฒนาความตึงเครียดที่ใช้งานอยู่ในกล้ามเนื้อเรียบวัฏจักรของเซลล์การพัฒนาตัวอ่อนการพัฒนาเนื้อเยื่อและการรักษาบาดแผล

จากมุมมองของวิวัฒนาการแอกตินเป็นโปรตีนที่ได้รับการอนุรักษ์อย่างมาก มีความคล้ายคลึงกันตามลำดับประมาณ 90% ในสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกัน ในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวยีนเดี่ยวจะเข้ารหัสไอโซฟอร์มแอคติน ในขณะที่สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ยีนที่แตกต่างกันจะเข้ารหัสไอโซฟอร์มของแอกตินหลายตัว

แอกตินร่วมกับไมโอซินเป็นโครงสร้างที่สำคัญในการวิวัฒนาการวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตและในการกระจายพันธุ์เนื่องจากพวกมันอนุญาตให้มีการเคลื่อนไหวในกรณีที่ไม่มีโครงสร้างอื่น ๆ เช่นแฟลกเจลลาและซิเลีย

โครงสร้าง: เส้นใยแอกติน

แอกตินเป็นโปรตีนโพลีเปปไทด์โซ่เดียวทรงกลม ในกล้ามเนื้อแอกตินมีมวลโมเลกุลประมาณ 42 KDa

โปรตีนนี้มีสองโดเมน แต่ละโดเมนมีสองโดเมนย่อยและช่องว่างระหว่างโดเมน ATP - Mg ⁺²ผูกที่ด้านล่างของรอยแยก อะมิโนและคาร์บอกซิลเทอร์มินีพบกันที่โดเมนย่อย 1

Actin G และ actin F

มีสองรูปแบบหลักของแอกติน: แอกตินโมโนเมอร์เรียกว่า G-actin; และพอลิเมอร์แบบเส้นใยซึ่งประกอบด้วยโมโนเมอร์ G-actin เรียกว่า F-actin เส้นใยแอกตินที่สังเกตได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีบริเวณแคบและกว้างตามลำดับมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 7 นาโนเมตรและ 9 นาโนเมตร

ตามเส้นใยโมโนเมอร์แอกตินก่อตัวเป็นเกลียวคู่ที่อัดแน่น หน่วยการทำซ้ำตามเส้นใยประกอบด้วย 13 เฮลิซและ 28 แอกตินโมโนเมอร์และมีระยะทาง 72 นาโนเมตร

เส้นใยแอกตินมีสองปลาย หนึ่งถูกสร้างขึ้นโดยช่องว่างที่รวม ATP - Mg ⁺²ซึ่งอยู่ในทิศทางเดียวกันในโมโนเมอร์แอกตินทั้งหมดของเส้นใยเรียกว่า (-) end; และอีกด้านหนึ่งอยู่ตรงข้ามเรียกว่าปลาย (+) ดังนั้นจึงกล่าวว่าแอกตินฟิลาเมนต์มีขั้ว

ส่วนประกอบเหล่านี้มักเรียกว่าไมโครฟิลาเมนต์เนื่องจากเป็นส่วนประกอบของโครงร่างโครงร่างโครงกระดูกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กที่สุด

เราจะหาแอกตินได้ที่ไหน?

แอกตินเป็นโปรตีนที่พบบ่อยมากในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต จากโปรตีนในเซลล์ทั้งหมดแอกตินมีสัดส่วนประมาณ 5-10% ขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์ ตัวอย่างเช่นในตับแต่ละเซลล์ที่สร้างขึ้นมีโมเลกุลของแอกตินเกือบ 5,10 ⁸โมเลกุล

ลักษณะเฉพาะ

ทั้งสองรูปแบบของแอกตินโมโนเมอร์และฟิลาเมนต์อยู่ในสมดุลไดนามิกระหว่างพอลิเมอไรเซชันและดีโพลิเมอไรเซชันอย่างต่อเนื่อง โดยทั่วไปมีลักษณะเด่นสามประการของปรากฏการณ์นี้:

1) เส้นใยแอกตินเป็นเรื่องปกติของโครงสร้างของเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อและโครงร่างของเซลล์ยูคาริโอต

2) พอลิเมอไรเซชันและดีพอลิเมอไรเซชันเป็นกระบวนการแบบไดนามิกที่ได้รับการควบคุม โดยที่การเกิดพอลิเมอไรเซชันหรือการรวมตัวของโมโนเมอร์ G - ATP - Mg ⁺²เกิดขึ้นที่ปลายทั้งสองด้าน กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นหรือไม่ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของสิ่งแวดล้อมและโปรตีนควบคุม

3) การก่อตัวของการรวมกลุ่มและเรติเคิลซึ่งประกอบเป็นโครงร่างโครงร่างของแอกตินทำให้เกิดความแข็งแรงในการเคลื่อนที่ของเซลล์ ขึ้นอยู่กับโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการสร้างการเชื่อมโยงข้าม

คุณสมบัติ

การหดตัวของกล้ามเนื้อ

หน่วยการทำงานและโครงสร้างของกล้ามเนื้อโครงร่างคือ sarcomere ซึ่งมีเส้นใยสองประเภทคือเส้นใยบาง ๆ ที่เกิดจากแอกตินและเส้นใยหนาที่เกิดจากไมโอซิน เส้นใยทั้งสองเรียงสลับกันในทางเรขาคณิตที่แม่นยำ ช่วยให้กล้ามเนื้อหดตัว

เส้นใยแบบบางจะยึดกับบริเวณที่เรียกว่าแผ่น Z บริเวณนี้ประกอบด้วยเครือข่ายของเส้นใยซึ่งพบโปรตีน CapZ และส่วนปลาย (+) ของเส้นใยแอกตินถูกยึดไว้ จุดยึดนี้ป้องกันการดีพอลิเมอไรเซชันของปลาย (+)

ในทางกลับกันโทรโปโมดูลินจะอยู่ที่ปลาย (-) ของเส้นใยแอกตินและปกป้องพวกมันจากการดีโพลิเมอไรเซชัน นอกเหนือจากแอกตินแล้วเส้นใยบาง ๆ ยังมีโทรโปมิโอซินและโทรโปนินซึ่งทำหน้าที่ควบคุมปฏิกิริยาของแอคติโนซิน

การหดตัวของกล้ามเนื้อเกิดขึ้นได้อย่างไร?

ในระหว่างการหดตัวของกล้ามเนื้อเส้นใยที่หนาจะเคลื่อนไหวแบบหมุนโดยดึงเส้นใยบาง ๆ ไปทางตรงกลางของ sarcomere สิ่งนี้ทำให้เส้นใยหยาบและบางลื่น

ดังนั้นความยาวของเส้นใยที่หนาและบางจึงคงที่ แต่การทับซ้อนกันระหว่างเส้นใยทั้งสองจะเพิ่มขึ้น ความยาวของ sarcomere ลดลงเนื่องจากการยึดเส้นใยแบบบางกับแผ่น Z

คุณจะหยุดการหดตัวของกล้ามเนื้อได้อย่างไร?

ATP เป็นสกุลเงินพลังงานของเซลล์ ดังนั้นจึงมักมีอยู่ในเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อที่มีชีวิต เมื่อคำนึงถึงข้างต้นจะต้องมีกลไกที่ช่วยให้กล้ามเนื้อคลายตัวและการหดตัว

โปรตีนสองชนิดที่เรียกว่าโทรโปไมโอซินและโทรโปนินมีบทบาทพื้นฐานในปรากฏการณ์นี้ สิ่งเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อบล็อกไซต์ที่มีผลผูกพันของไมโอซิน ส่งผลให้กล้ามเนื้อคลายตัว

ในทางกลับกันเมื่อสัตว์ตายมันจะประสบกับปรากฏการณ์ที่เรียกว่ามอร์ทิสอย่างเข้มงวด ผู้รับผิดชอบในการแข็งตัวของซากนี้คือการปิดกั้นปฏิสัมพันธ์ระหว่างไมโอซินและแอกตินไม่นานหลังจากการตายของสัตว์

หนึ่งในผลที่ตามมาของปรากฏการณ์นี้คือความต้องการ ATP สำหรับการปลดปล่อยโมเลกุลของโปรตีนทั้งสอง ตามเหตุผลแล้วในเนื้อเยื่อที่ตายแล้วจะไม่มี ATP และการปลดปล่อยนี้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้

การเคลื่อนไหวประเภทอื่น ๆ

กลไกเดียวกันกับที่เราอธิบาย (ต่อไปเราจะเจาะลึกถึงกลไกพื้นฐานการเคลื่อนไหว) ไม่ได้ จำกัด อยู่ที่การหดตัวของกล้ามเนื้อในสัตว์ มีหน้าที่รับผิดชอบต่อการเคลื่อนไหวของอะมีบาไอดอลที่เราสังเกตเห็นในอะมีบาและในแม่พิมพ์อาณานิคมบางชนิด

ในทำนองเดียวกันการเคลื่อนไหวของไซโตพลาสซึมที่เราสังเกตเห็นในสาหร่ายและในพืชบกนั้นขับเคลื่อนด้วยกลไกที่คล้ายคลึงกัน

กฎระเบียบของการเกิดพอลิเมอไรเซชันของแอกตินฟิลาเมนต์และดีโพลิเมอไรเซชัน

การหดตัวของเนื้อเยื่อและเซลล์ของกล้ามเนื้อเรียบทำให้ F-actin เพิ่มขึ้นและ G-actin ลดลง Actin Polymerization เกิดขึ้นใน 3 ขั้นตอน: 1) นิวเคลียสขั้นช้า 2) การยืดตัวขั้นตอนที่รวดเร็ว และ 3) สถานะคงที่ อัตราการเกิดพอลิเมอไรเซชันเท่ากับอัตราการดีโพลิเมอไรเซชัน

เส้นใยแอกตินเติบโตเร็วกว่าที่ปลาย (+) มากกว่าที่ปลาย (-) อัตราการยืดตัวเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของโมโนเมอร์แอกตินในสภาวะสมดุลที่มีเส้นใยแอกตินเรียกว่าความเข้มข้นวิกฤต (Cc)

Cc สำหรับปลาย (+) คือ 0.1 µM และสำหรับปลาย (-) คือ 0.8 µM ซึ่งหมายความว่าต้องมีความเข้มข้นน้อยกว่า 8 เท่าของแอกตินโมโนเมอร์ในการทำพอลิเมอร์ไลซ์ส่วนปลาย (+)

แอกตินพอลิเมอไรเซชันถูกควบคุมโดย thymosin beta4 (TB4) เป็นหลัก โปรตีนนี้จับกับ G แอกตินและกักเก็บไว้ป้องกันไม่ให้โพลีเมอไรเซชัน ในขณะที่โพรพิลินช่วยกระตุ้นแอคตินพอลิเมอไรเซชัน Profilin จับกับโมโนเมอร์แอกตินทำให้เกิดพอลิเมอไรเซชันที่ปลาย (+) ผ่านการแยกตัวของคอมเพล็กซ์แอกติน - TB4

ปัจจัยอื่น ๆ เช่นการเพิ่มขึ้นของไอออน (Na ⁺ , K ⁺หรือ Mg ⁺² ) สนับสนุนการสร้างเส้นใย

การก่อตัวของโครงกระดูกแอกติน

การก่อตัวของโครงกระดูกของแอกตินจำเป็นต้องมีการเชื่อมโยงข้ามระหว่างเส้นใยแอกติน พันธะเหล่านี้เกิดจากโปรตีนซึ่งมีลักษณะเด่นคือมีโดเมนที่จับกับแอกติน หลายคนมีโดเมนที่คล้ายคลึงกับ calponin และโปรตีนแต่ละชนิดจะแสดงออกในเซลล์บางประเภท

ในเส้นใยฟิโลโพเดียและเส้นใยความเครียดการเชื่อมโยงระหว่างเส้นใยแอกตินทำโดยพังผืดและฟิลามิน โปรตีนเหล่านี้ตามลำดับทำให้เส้นใยแอกตินขนานกันหรือมีมุมต่างกัน ดังนั้นเส้นใยแอกตินจึงกำหนดรูปร่างของเซลล์

บริเวณของเซลล์ที่มีเส้นใยแอกตินมากที่สุดอยู่ใกล้กับเยื่อหุ้มพลาสมา ภูมิภาคนี้เรียกว่าเยื่อหุ้มสมอง โครงกระดูกของเยื่อหุ้มสมองมีการจัดระเบียบในรูปแบบต่างๆขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์และเชื่อมต่อกับเยื่อหุ้มพลาสมาผ่านโปรตีนที่มีผลผูกพัน

เซลล์โครงกระดูกที่อธิบายได้ดีที่สุดบางส่วน ได้แก่ เซลล์กล้ามเนื้อเกล็ดเลือดเซลล์เยื่อบุผิวและเม็ดเลือดแดง ตัวอย่างเช่นในเซลล์กล้ามเนื้อโปรตีนที่มีผลผูกพัน dystrophin จะจับเส้นใยแอกตินเข้ากับคอมเพล็กซ์ไกลโคโปรตีนในเยื่อหุ้มเซลล์ สารประกอบเชิงซ้อนนี้จับกับโปรตีนเมทริกซ์นอกเซลล์

แบบจำลองการกระทำปฏิสัมพันธ์ของแอกติน - ไมโอซิน

นักวิจัยที่นำโดย Rayment ได้เสนอแบบจำลองสี่ขั้นตอนเพื่ออธิบายปฏิสัมพันธ์ของแอกตินและไมโอซิน ขั้นตอนแรกเกิดขึ้นกับการผูก ATP กับส่วนหัวของ myosin การผูกนี้ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในโปรตีนโดยปล่อยออกจากแอกตินในเส้นใยขนาดเล็ก

จากนั้น ATP จะถูกไฮโดรไลซ์ไปยัง ADP โดยปล่อยฟอสเฟตอนินทรีย์ โมเลกุลไมโอซินยึดตัวเองกับหน่วยย่อยของแอกตินใหม่ทำให้เกิดสถานะพลังงานสูง

การปลดปล่อยอนินทรีย์ฟอสเฟตทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของไมโอซินกลับคืนสู่รูปแบบเริ่มต้นและการเคลื่อนที่ของเส้นใยขนาดเล็กเมื่อเทียบกับเส้นใยหนาที่เกิดขึ้น การเคลื่อนไหวนี้ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวของปลายทั้งสองข้างของ sarcomere ทำให้ทั้งสองเข้าใกล้กันมากขึ้น

ขั้นตอนสุดท้ายเกี่ยวข้องกับการเปิดตัว ADP ณ จุดนี้หัวไมโอซินเป็นอิสระและสามารถผูกกับโมเลกุล ATP ใหม่ได้

การเคลื่อนไหวของเซลล์ขับเคลื่อนโดยแอกตินพอลิเมอไรเซชัน

การเคลื่อนไหวในการรวบรวมข้อมูลคือการเคลื่อนที่ของเซลล์ชนิดหนึ่ง ขั้นตอนของการเคลื่อนที่ประเภทนี้ ได้แก่ การฉายแกนนำการยึดเกาะไปทางวัสดุพิมพ์ การยึดติดกับพื้นผิว การถอยกลับด้านหลัง และการไม่ยึดเกาะ

การฉายภาพของแกนนำต้องมีส่วนร่วมของโปรตีนซึ่งมีส่วนร่วมในการเกิดพอลิเมอไรเซชันและการดีโพลิเมอไรเซชันของเส้นใยแอกติน แกนนำพบในเยื่อหุ้มเซลล์เรียกว่าลามีลิโพเดียม ขั้นตอนการฉายแกนคือ:

- การเปิดใช้งานตัวรับโดยสัญญาณภายนอกเซลล์

- การก่อตัวของ GTPases ที่ใช้งานอยู่และ 4,5-bisphosphate phosphoinositol (PIP ₂ )

- กระตุ้นการทำงานของโปรตีน WASp / Scar และ Arp2 / 3 ซึ่งจับกับแอกตินโมโนเมอร์เพื่อสร้างกิ่งก้านในเส้นใยแอกติน

- การเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วของเส้นใยแอกตินที่ปลายกิ่งที่ตกแต่งด้วยไมโอซิน พังผืดถูกดันไปข้างหน้า

- เสร็จสิ้นการยืดตัวที่ผลิตโดยโปรตีนเคลือบ

- ไฮโดรไลซิสของ ATP ถูกผูกไว้กับแอกตินในเส้นใยรุ่นเก่า

- Depolymerization ของ actin-ADP ของเส้นใยที่ส่งเสริมโดย ADF / cofilin

- การแลกเปลี่ยน ADP สำหรับ ATP ที่เร่งปฏิกิริยาโดย profilin สร้าง G-ATP actin พร้อมที่จะเริ่มยืดกิ่งก้าน

โรคที่เกี่ยวข้องกับแอคติน

โรคกล้ามเนื้อเสื่อม

โรคกล้ามเนื้อเสื่อมเป็นโรคความเสื่อมของกล้ามเนื้อโครงร่าง เป็นกรรมพันธุ์แบบถอยและเชื่อมโยงกับโครโมโซม X โดยส่วนใหญ่จะส่งผลกระทบต่อเพศชายที่มีความถี่สูงในประชากร (1 ในทุกๆ 3,500 คน) มารดาของชายเหล่านี้เป็นโรคที่ไม่แสดงอาการและอาจไม่มีประวัติครอบครัว

โรคกล้ามเนื้อเสื่อมมีสองรูปแบบ ได้แก่ Duchenne และ Becker และทั้งสองอย่างเกิดจากความบกพร่องของยีน dystrophin ข้อบกพร่องเหล่านี้ประกอบด้วยการลบที่ลบแอกซอน

Dystrophin เป็นโปรตีน (427 KDa) ที่สร้างการเชื่อมโยงข้ามระหว่างเส้นใยแอกติน มีโดเมนผูกแอกตินที่ N-terminus และโดเมนที่มีผลผูกพันเมมเบรนที่ C-terminus ระหว่างโดเมนทั้งสองมีโดเมน tubular ที่สามซึ่งประกอบด้วยการทำซ้ำ 24 ครั้ง

ในเยื่อหุ้มสมองเรติคูลัมของกล้ามเนื้อ dystrophin มีส่วนร่วมในการจับตัวของเส้นใยแอกตินกับเยื่อหุ้มพลาสมาผ่านทางไกลโคโปรตีนที่ซับซ้อน คอมเพล็กซ์นี้ยังจับกับโปรตีนเมทริกซ์นอกเซลล์

ในผู้ป่วยที่ขาด dystrophin ที่ใช้งานได้กับ Duchenne muscular dystrophy โครงกระดูกของเยื่อหุ้มสมองจะไม่รองรับเยื่อหุ้มพลาสมา ดังนั้นพลาสมาเมมเบรนได้รับความเสียหายจากความเครียดของการหดตัวของกล้ามเนื้อซ้ำ ๆ

อ้างอิง

1. Devlin, TM 2000. ชีวเคมี. กองบรรณาธิการReverté, Barcelona
2. Gunst, SJ และ Zhang, W. 2008 Actin cytoskeletal dynamic ในกล้ามเนื้อเรียบ: กระบวนทัศน์ใหม่สำหรับการควบคุมการหดตัวของกล้ามเนื้อเรียบ Am J Physiol เซลล์ Physiol, 295: C576-C587
3. Lodish, H. , Berk, A. , Zipurski, SL, Matsudaria, P. , Baltimore, D. , Darnell, J. 2003. เซลล์และอณูชีววิทยา กองบรรณาธิการ Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sāo Paulo
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008 Lehninger - หลักการทางชีวเคมี WH ฟรีแมนนิวยอร์ก
5. Pfaendtner, J. , De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. PNAS, 107: 7299-7304
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003 การเคลื่อนที่ของเซลล์ขับเคลื่อนโดยการประกอบและการแยกชิ้นส่วนของ Actin Filaments เซลล์ 112: 453-465