- الهيكل: خيوط الأكتين
- أكتين جي وأكتين إف
- أين نجد الأكتين؟
- مميزات
- المميزات
- تقلص العضلات
- كيف يحدث تقلص العضلات؟
- كيف توقف انقباض العضلات؟
- أنواع الحركة الأخرى
- تنظيم بلمرة خيوط الأكتين وإزالة البلمرة
- تشكيل الهيكل الخلوي أكتين
- نموذج عمل تفاعل الأكتين والميوسين
- حركة الخلية مدفوعة بلمرة الأكتين
- الأمراض المرتبطة بالأكتين
- ضمور العضلات
- المراجع
و الأكتين هو بروتين عصاري خلوي التي تشكل خيوط دقيقة. في حقيقيات النوى ، يعتبر الأكتين أحد أكثر البروتينات وفرة. على سبيل المثال ، يمثل 10٪ من وزن البروتين الكلي في خلايا العضلات. وبين 1 و 5٪ من البروتين في الخلايا غير العضلية.
يشكل هذا البروتين ، مع الخيوط الوسيطة والأنابيب الدقيقة ، الهيكل الخلوي ، وتتمثل وظيفته الرئيسية في حركة الخلية ، والحفاظ على شكل الخلية ، وانقسام الخلية ، وحركة العضيات في النباتات والفطريات والحيوانات.
المصدر: Sarcomere.svg: David Richfield (Slashme user) العمل المشتق: Retama
للأشكال الإسوية للهيكل الخلوي للأكتين وظائف مختلفة ، مثل: التنظيم في تطوير التوتر النشط في العضلات الملساء ، ودورة الخلية ، وتطور الجنين ، وتطور الأنسجة والتئام الجروح.
من وجهة نظر تطورية ، الأكتين هو بروتين محفوظ بدرجة عالية. يوجد حوالي 90٪ من تماثل التسلسل في الأنواع المختلفة. في الكائنات أحادية الخلية ، يقوم جين واحد بتشفير الشكل الإسوي للأكتين. بينما في الكائنات متعددة الخلايا ، تقوم الجينات المختلفة بترميز العديد من الأشكال الإسوية للأكتين.
كان الأكتين ، جنبًا إلى جنب مع الميوسين ، هياكل مهمة في التطور التطوري للكائنات حقيقية النواة وفي تنوعها ، حيث سمحت بالحركة في غياب الهياكل الأخرى ، مثل الأسواط والأهداب.
الهيكل: خيوط الأكتين
الأكتين هو بروتين متعدد الببتيد ذو سلسلة واحدة كروية. في العضلات ، يحتوي الأكتين على كتلة جزيئية تقارب 42 دينار كويتي.
هذا البروتين له مجالان. لكل منها مجالان فرعيان ، وفجوة بين المجالات. ATP - Mg +2 يرتبط بقاع الشق. يلتقي الطرفان الأميني والكربوكسيل في المجال الفرعي 1.
أكتين جي وأكتين إف
هناك نوعان رئيسيان من الأكتين: مونومر الأكتين ، يسمى G-actin ؛ والبوليمر الخيطي ، المكون من مونومرات G-actin ، تسمى F-actin. تحتوي خيوط الأكتين ، التي تمت ملاحظتها بواسطة المجهر الإلكتروني ، على مناطق ضيقة وعريضة ، على التوالي 7 نانومتر و 9 نانومتر في القطر.
على طول الفتيل ، تشكل مونومرات الأكتين حلزون مزدوج معبأ بإحكام. تتكون وحدة التكرار على طول الفتيل من 13 حلزونة و 28 مونومر أكتين ، ومسافة 72 نانومتر.
خيوط الأكتين لها طرفان. يتكون أحدهما من الفجوة التي تربط ATP - Mg +2 ، والتي تقع في نفس الاتجاه في جميع مونومرات الأكتين في الشعيرة ، والتي تسمى النهاية (-) ؛ والطرف الآخر هو العكس ، يسمى (+) النهاية. لذلك ، يقال أن خيوط الأكتين لها قطبية.
تُعرف هذه المكونات غالبًا باسم الخيوط الدقيقة ، لأنها مكونات الهيكل الخلوي ذات القطر الأصغر.
أين نجد الأكتين؟
الأكتين هو بروتين شائع للغاية في الكائنات حقيقية النواة. من بين جميع البروتينات الخلوية ، يمثل الأكتين حوالي 5-10٪ - اعتمادًا على نوع الخلية. في الكبد ، على سبيل المثال ، تحتوي كل خلية من الخلايا المكونة لها على ما يقرب من 5،10 8 جزيئات أكتين.
مميزات
إن شكلي الأكتين ، المونومر والخيوط ، في توازن ديناميكي بشكل مستمر بين البلمرة وإزالة البلمرة. بشكل عام ، هناك ثلاث خصائص بارزة لهذه الظاهرة:
1) تعتبر خيوط الأكتين نموذجية لبنية الأنسجة العضلية والهيكل الخلوي للخلايا حقيقية النواة.
2) البلمرة وإزالة البلمرة هي عملية ديناميكية يتم تنظيمها. حيث تحدث بلمرة أو تجمع مونومرات أكتين G - ATP - Mg +2 عند كلا الطرفين. يعتمد حدوث هذه العملية على ظروف البيئة والبروتينات المنظمة.
3) تكوين الحزم والشبكيات ، التي تشكل الهيكل الخلوي للأكتين ، يعطي قوة لحركة الخلية. هذا يعتمد على البروتينات التي تشارك في تكوين الروابط المتقاطعة.
المميزات
تقلص العضلات
الوحدة الوظيفية والهيكلية للعضلات الهيكلية هي القسيم العضلي ، الذي يحتوي على نوعين من الخيوط: الشعيرات الرفيعة ، المكونة من الأكتين ، والخيوط السميكة التي يتكون منها الميوسين. يتم ترتيب الخيوط بالتناوب بطريقة هندسية دقيقة. أنها تسمح بتقلص العضلات.
يتم تثبيت الخيوط الرفيعة في مناطق تسمى أقراص Z. وتتكون هذه المنطقة من شبكة من الألياف ، حيث يوجد بروتين CapZ ، والتي يتم تثبيت نهايات (+) خيوط الأكتين عليها. يمنع هذا المرساة إزالة البلمرة من النهاية (+).
من ناحية أخرى ، يقع التروبومودولين في نهايات (-) خيوط الأكتين ، ويحميها من إزالة البلمرة. بالإضافة إلى الأكتين ، تمتلك الخيوط الرقيقة التروبوميوسين والتروبونين ، اللذين يعملان على التحكم في تفاعلات الأكتوميوسين.
كيف يحدث تقلص العضلات؟
أثناء تقلص العضلات ، تؤدي الخيوط السميكة حركات محورية ، وتسحب الخيوط الرفيعة نحو منتصف قسيم عضلي. يؤدي هذا إلى انزلاق الألياف الخشنة والرقيقة.
وبالتالي ، يظل طول الخيوط السميكة والرقيقة ثابتًا ، لكن التداخل بين الخيوط يزيد. يتناقص طول القسيم العضلي بسبب تثبيت خيوط رفيعة على أقراص Z.
كيف توقف انقباض العضلات؟
ATP هي عملة الطاقة في الخلية. لذلك ، فهو متوفر دائمًا تقريبًا في أنسجة العضلات الحية. مع الأخذ في الاعتبار ما سبق ، يجب أن تكون هناك آليات تسمح بإرخاء العضلات وتوقف الانقباضات.
يلعب نوعان من البروتينات ، يسمى تروبوميوسين وتروبونين ، دورًا أساسيًا في هذه الظاهرة. تعمل هذه معًا لمنع مواقع ربط الميوسين (وبالتالي منع ارتباطها بالأكتين). نتيجة لذلك ، ترتخي العضلات.
على العكس من ذلك ، عندما يموت حيوان ما فإنه يواجه ظاهرة تعرف باسم صلابة الموت. المسؤول عن هذا التصلب في الذبيحة هو منع التفاعل بين الميوسين والأكتين ، بعد وقت قصير من موت الحيوان.
إحدى عواقب هذه الظاهرة هي الحاجة إلى ATP لإطلاق جزيئي البروتين. منطقيا ، في الأنسجة الميتة لا يوجد توافر ATP ولا يمكن أن يحدث هذا الإطلاق.
أنواع الحركة الأخرى
نفس الآلية التي نصفها (سنخوض لاحقًا في الآلية الكامنة وراء الحركة) لا تقتصر على تقلصات العضلات في الحيوانات. إنها مسؤولة عن الحركات الأميبية التي نلاحظها في الأميبات وفي بعض القوالب الاستعمارية.
وبالمثل ، فإن الحركة السيتوبلازمية التي نلاحظها في الطحالب والنباتات البرية مدفوعة بآليات مماثلة.
تنظيم بلمرة خيوط الأكتين وإزالة البلمرة
ينتج عن تقلص الأنسجة العضلية الملساء والخلايا زيادة في F-actin وانخفاض في G-actin. تحدث بلمرة الأكتين على ثلاث مراحل: 1) التنوي ، وهي خطوة بطيئة. 2) استطالة ، خطوة سريعة ؛ و 3) حالة مستقرة. معدل البلمرة يساوي معدل إزالة البلمرة.
ينمو خيوط الأكتين بشكل أسرع عند الطرف (+) منه في النهاية (-). يتناسب معدل الاستطالة مع تركيز مونومرات الأكتين في حالة توازن مع خيوط الأكتين ، والتي تسمى التركيز الحرج (Cc).
Cc للنهاية (+) هي 0.1 ميكرومتر ، وللنهاية (-) هي 0.8 ميكرومتر. هذا يعني أنه يلزم 8 مرات تركيز أقل من مونومرات الأكتين لبلمرة النهاية (+).
يتم تنظيم بلمرة الأكتين بشكل أساسي بواسطة ثيموسين بيتا 4 (TB4). يربط هذا البروتين بـ G actin ويحتفظ به ، ويمنعه من البلمرة. بينما يحفز البروفيلين بلمرة الأكتين. يرتبط Profilin بمونومرات الأكتين ، مما يسهل البلمرة عند نهاية (+) ، من خلال تفكك مركب أكتين- TB4.
عوامل أخرى مثل الزيادة في الأيونات (Na + ، K + أو Mg +2) تفضل تكوين الشعيرات.
تشكيل الهيكل الخلوي أكتين
يتطلب تكوين الهيكل الخلوي للأكتين عمل روابط متقاطعة بين خيوط الأكتين. تتكون هذه الروابط من بروتينات تتميز بخصائصها البارزة: لها مجالات ربط الأكتين ؛ العديد من المجالات مماثلة لكالبونين ؛ ويتم التعبير عن كل نوع من أنواع البروتين في نوع معين من الخلايا.
في الأرجل الخيطية وألياف الإجهاد ، يتم إجراء الروابط المتقاطعة بين خيوط الأكتين بواسطة اللفافة والفيلامين. تسبب هذه البروتينات ، على التوالي ، أن تكون خيوط الأكتين متوازية أو لها زوايا مختلفة. وهكذا ، تحدد خيوط الأكتين شكل الخلية.
تقع منطقة الخلية التي تحتوي على أكبر عدد من خيوط الأكتين بالقرب من غشاء البلازما. هذه المنطقة تسمى القشرة. يتم تنظيم الهيكل الخلوي القشري بطرق مختلفة ، اعتمادًا على نوع الخلية ، ويتم توصيله بغشاء البلازما من خلال بروتينات ملزمة.
بعض أفضل الهياكل الخلوية الموصوفة هي خلايا العضلات والصفائح الدموية والخلايا الظهارية وخلايا الدم الحمراء. على سبيل المثال ، في خلايا العضلات ، يربط البروتين الرابط للديستروفين خيوط الأكتين بمركب بروتين سكري متكامل في الغشاء. يرتبط هذا المركب ببروتينات المصفوفة خارج الخلية.
نموذج عمل تفاعل الأكتين والميوسين
اقترح الباحثون بقيادة Rayment نموذجًا من أربع خطوات لشرح تفاعل الأكتين والميوسين. تحدث الخطوة الأولى مع ارتباط ATP برؤوس الميوسين. يولد هذا الارتباط تغيرًا في تكوين البروتين ، ويطلقه من الأكتين في الشعيرة الصغيرة.
ثم يتم تحلل الـ ATP إلى ADP ، مما يؤدي إلى إطلاق فوسفات غير عضوي. يربط جزيء الميوسين نفسه بوحدة فرعية جديدة من الأكتين ، مما يولد حالة طاقة عالية.
يؤدي إطلاق الفوسفات غير العضوي إلى حدوث تغيير في الميوسين ، والعودة إلى التكوين الأولي وحركة الخيوط الصغيرة ، فيما يتعلق بالخيوط السميكة ، التي تحدث. تسبب هذه الحركة حركة طرفي قسيم عضلي ، وتقريبهما معًا.
تتضمن الخطوة الأخيرة إطلاق ADP. في هذه المرحلة يكون رأس الميوسين حراً ويمكن أن يرتبط بجزيء ATP جديد.
حركة الخلية مدفوعة بلمرة الأكتين
حركة الزحف هي نوع من حركية الخلية. خطوات هذا النوع من الحركة هي: إسقاط محور الالتصاق باتجاه الركيزة ؛ التصاق الركيزة. تراجع خلفي وعدم الالتصاق.
يتطلب إسقاط المحور القائد مشاركة البروتينات التي تشارك في بلمرة وإزالة البلمرة من خيوط الأكتين. تم العثور على المحور الرئيسي في قشرة الخلية ، يسمى lamellipodium. خطوات إسقاط المحور هي:
- تفعيل المستقبلات بالإشارة خارج الخلية.
- تكوين GTPases النشطة و 4،5-bisphosphate phosphoinositol (PIP 2).
- تفعيل بروتينات WASp / Scar و Arp2 / 3 التي ترتبط بمونومرات الأكتين لتكوين فروع في خيوط الأكتين.
- نمو سريع لخيوط الأكتين ، في نهاية الفرع المزين بالميوسين. يتم دفع الغشاء إلى الأمام.
- استكمال الاستطالة التي تنتجها بروتينات الغلاف.
- التحلل المائي لـ ATP المرتبط بالأكتين في الخيوط القديمة.
- إزالة بلمرة الأكتين- ADP من الخيوط التي تروج لها ADF / cofilin.
- تبادل ADP لـ ATP المحفز بواسطة Profilin ، مما يؤدي إلى إنتاج G-ATP actin جاهزًا للبدء في إطالة الفروع.
الأمراض المرتبطة بالأكتين
ضمور العضلات
الحثل العضلي هو مرض تنكسي يصيب عضلات الهيكل العظمي. وهو موروث بشكل متنحي ويرتبط بالكروموسوم X. ويؤثر بشكل رئيسي على الذكور الذين يرتفع معدل تكرارهم في السكان (واحد من كل 3500 ذكر). أمهات هؤلاء الرجال متغاير الزيجوت بدون أعراض ، وقد يفتقرون إلى تاريخ عائلي.
هناك نوعان من الحثل العضلي ، دوشين وبيكر ، وكلاهما ناتج عن عيوب في جين الديستروفين. تتكون هذه العيوب من عمليات الحذف التي تزيل المحاور.
Dystrophin هو بروتين (427 KDa) يشكل روابط متقاطعة بين خيوط الأكتين. يحتوي على مجال ربط أكتين عند الطرف N ، ومجال ربط الغشاء عند الطرف C. بين كلا المجالين يوجد مجال أنبوبي ثالث يتكون من 24 تكرارًا ترادفيًا.
في الشبكة القشرية العضلية ، يشارك الديستروفين في ربط خيوط الأكتين بغشاء البلازما من خلال مركب بروتين سكري. يرتبط هذا المركب أيضًا ببروتينات المصفوفة خارج الخلية.
في المرضى الذين يفتقرون إلى dystrophin الوظيفي مع الحثل العضلي الدوشيني ، لا يدعم الهيكل الخلوي القشري غشاء البلازما. ونتيجة لذلك ، يتضرر غشاء البلازما بسبب إجهاد تقلصات العضلات المتكررة.
المراجع
- Devlin، TM 2000. الكيمياء الحيوية. افتتاحية Reverté ، برشلونة.
- Gunst، SJ، and Zhang، W. 2008. الأكتين ديناميكية الهيكل الخلوي في العضلات الملساء: نموذج جديد لتنظيم تقلص العضلات الملساء. Am J Physiol Cell Physiol ، 295: C576-C587.
- لوديش ، إتش ، بيرك ، أ. ، زيبورسكي ، إس إل ، ماتسوداريا ، بي ، بالتيمور ، دي ، دارنيل ، ج. 2003. البيولوجيا الخلوية والجزيئية. افتتاحية Medica Panamericana ، بوينس آيرس ، بوغوتا ، كاراكاس ، مدريد ، المكسيك ، ساو باولو.
- Nelson، DL، Cox، MM 2008. Lehninger - مبادئ الكيمياء الحيوية. دبليو إتش فريمان ، نيويورك.
- Pfaendtner، J.، De La Cruz، EM، Voth، G. 2010. إعادة تشكيل خيوط الأكتين بواسطة عامل إزالة بلمرة الأكتين / كوفيلين. PNAS ، 107: 7299-7304.
- بولارد ، تي دي ، بوريسي ، جي جي 2003. الحركة الخلوية مدفوعة بتجميع وتفكيك خيوط الأكتين. الخلية 112: 453-465.