aktin adalah protein sitosol yang membentuk mikrofilamen. Pada eukariota, aktin adalah salah satu protein yang paling melimpah. Misalnya, ini mewakili 10% dari berat total protein dalam sel otot; dan antara 1 dan 5% protein dalam sel non-otot.
Protein ini, bersama dengan filamen perantara dan mikrotubulus, membentuk sitoskeleton, yang fungsi utamanya adalah mobilitas sel, pemeliharaan bentuk sel, pembelahan sel, dan pergerakan organel pada tumbuhan , jamur, dan hewan.
Sumber: Sarcomere.svg: David Richfield (pengguna Slashme) karya turunan: Retama [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]
Isoform dari sitoskeleton aktin memiliki fungsi yang berbeda, seperti: pengaturan dalam perkembangan tegangan aktif pada otot polos, siklus sel, perkembangan embrio, perkembangan jaringan dan penyembuhan luka.
Dari sudut pandang evolusioner, aktin adalah protein yang sangat terkonservasi. Ada sekitar 90% urutan homologi dalam spesies yang berbeda. Dalam organisme uniseluler, gen tunggal mengkodekan isoform aktin. Sedangkan pada organisme multiseluler, gen yang berbeda mengkodekan beberapa isoform aktin.
Aktin, bersama dengan miosin, adalah struktur penting dalam perkembangan evolusi organisme eukariotik dan dalam diversifikasi mereka, karena mereka memungkinkan pergerakan tanpa adanya struktur lain, seperti flagela dan silia.
Indeks artikel
Struktur: filamen aktin
Aktin adalah protein polipeptida rantai tunggal globular. Di otot, aktin memiliki massa molekul sekitar 42 kDa.
Protein ini memiliki dua domain. Masing-masing memiliki dua subdomain, dan celah antar domain. ATP – Mg +2 mengikat ke dasar celah. Terminal amino dan karboksil bertemu di subdomain 1.
Aktin G dan aktin F
Ada dua bentuk utama aktin: monomer aktin, yang disebut G-aktin; dan polimer berfilamen, terdiri dari monomer G-aktin, yang disebut aktin F. Filamen aktin, diamati dengan mikroskop elektron, memiliki daerah sempit dan lebar, masing-masing berdiameter 7 nm dan 9 nm.
Sepanjang filamen, monomer aktin membentuk heliks ganda yang padat. Sebuah unit berulang sepanjang filamen terdiri dari 13 heliks dan 28 monomer aktin, dan memiliki jarak 72 nm.
Filamen aktin memiliki dua ujung. Satu dibentuk oleh celah yang menghubungkan ATP – Mg +2 , yang terletak pada arah yang sama di semua monomer aktin filamen, yang disebut ujung (-); dan ekstrem lainnya adalah kebalikannya, yang disebut ekstrem (+). Oleh karena itu, filamen aktin dikatakan memiliki polaritas.
Komponen ini sering dikenal sebagai mikrofilamen, karena merupakan komponen sitoskeleton dengan diameter terkecil.
Di mana kita menemukan aktin?
Aktin adalah protein yang sangat umum dalam organisme eukariotik. Dari semua protein seluler, aktin menyumbang sekitar 5-10% – tergantung pada jenis selnya. Dalam hati, misalnya, masing-masing sel penyusunnya memiliki hampir 5,10 8 molekul aktin.
Karakteristik
Dua bentuk aktin, monomer dan filamen, secara terus menerus berada dalam keseimbangan dinamis antara polimerisasi dan depolimerisasi. Secara umum, ada tiga karakteristik yang menonjol dari fenomena ini:
1) Filamen aktin khas dari struktur jaringan otot dan sitoskeleton sel eukariotik.
2) Polimerisasi dan depolimerisasi adalah proses dinamis yang diatur. Dimana polimerisasi atau agregasi monomer aktin G – ATP – Mg +2 terjadi pada kedua ujungnya. Apakah proses ini terjadi tergantung pada kondisi lingkungan dan protein pengatur.
3) Pembentukan berkas dan retikula, yang membentuk sitoskeleton aktin, memberikan kekuatan pada motilitas sel. Ini tergantung pada protein yang terlibat dalam pembentukan ikatan silang.
Fitur
Kontraksi otot
Unit fungsional dan struktural otot rangka adalah sarkomer, yang memiliki dua jenis filamen: filamen tipis, dibentuk oleh aktin, dan filamen tebal, dibentuk oleh miosin. Kedua filamen diatur secara bergantian, dengan cara geometris yang tepat. Mereka memungkinkan kontraksi otot.
Filamen tipis berlabuh ke daerah yang disebut cakram Z. Wilayah ini terdiri dari jaringan serat, di mana protein CapZ ditemukan, dan di mana ujung (+) filamen aktin ditambatkan. Jangkar ini mencegah depolimerisasi ujung (+).
Di sisi lain, tropomodulin terletak di ujung (-) filamen aktin, dan melindunginya dari depolimerisasi. Selain aktin, filamen tipis memiliki tropomiosin dan troponin, yang berfungsi mengatur interaksi aktomiosin.
Bagaimana kontraksi otot terjadi?
Selama kontraksi otot, filamen tebal melakukan gerakan berputar, menarik filamen tipis ke arah tengah sarkomer. Hal ini menyebabkan serat kasar dan halus tergelincir.
Dengan demikian, panjang filamen tebal dan tipis tetap konstan, tetapi tumpang tindih antara kedua filamen meningkat. Panjang sarkomer berkurang karena penjangkaran filamen tipis ke cakram Z.
Bagaimana cara menghentikan kontraksi otot?
ATP adalah mata uang energi sel. Oleh karena itu, hampir selalu tersedia di jaringan otot hidup. Dengan mempertimbangkan hal di atas, harus ada mekanisme yang memungkinkan relaksasi otot dan penahanan kontraksi.
Dua protein, yang disebut tropomiosin dan troponin, memainkan peran mendasar dalam fenomena ini. Ini bekerja sama untuk memblokir situs pengikatan miosin (sehingga mencegah pengikatannya ke aktin). Akibatnya, otot menjadi rileks.
Sebaliknya, ketika hewan mati, ia mengalami fenomena yang disebut rigor mortis. Bertanggung jawab atas pengerasan bangkai ini adalah pemblokiran interaksi antara miosin dan aktin, tak lama setelah kematian hewan.
Salah satu konsekuensi dari fenomena ini adalah kebutuhan ATP untuk pelepasan dua molekul protein. Logikanya, dalam jaringan mati tidak ada ketersediaan ATP dan pelepasan ini tidak dapat terjadi.
Jenis gerakan lainnya
Mekanisme yang sama yang kita jelaskan (nanti kita akan menyelidiki mekanisme yang mendasari gerakan) tidak terbatas pada kontraksi otot pada hewan. Ini bertanggung jawab atas gerakan tipe amuba yang kita amati pada amuba dan beberapa cetakan kolonial.
Demikian pula, gerakan sitoplasma yang kita amati pada alga dan tumbuhan darat didorong oleh mekanisme serupa.
Regulasi polimerisasi dan depolimerisasi filamen aktin
Kontraksi jaringan otot polos dan sel menghasilkan peningkatan F-aktin dan penurunan G-aktin Polimerisasi aktin terjadi dalam tiga tahap: 1) nukleasi, langkah lambat; 2) perpanjangan, langkah cepat; dan 3) keadaan tunak. Laju polimerisasi sama dengan laju depolimerisasi.
Filamen aktin tumbuh lebih cepat di ujung (+) daripada di ujung (-). Laju pemanjangan sebanding dengan konsentrasi monomer aktin dalam kesetimbangan dengan filamen aktin, yang disebut konsentrasi kritis (Cc).
Cc untuk ujung (+) adalah 0,1 M, dan untuk ujung (-) adalah 0,8 M. Ini berarti bahwa 8 kali lebih sedikit konsentrasi monomer aktin diperlukan untuk mempolimerisasi ujung (+).
Polimerisasi aktin terutama diatur oleh timosin beta4 (TB4). Protein ini mengikat G aktin dan menahannya, mencegahnya berpolimerisasi. Sedangkan profilin merangsang polimerisasi aktin. Profilin berikatan dengan monomer aktin yang memfasilitasi polimerisasi pada ujung (+), melalui disosiasi kompleks aktin-TB4.
Faktor lain seperti peningkatan ion (Na + , K + atau Mg +2 ) mendukung pembentukan filamen.
Pembentukan sitoskeleton aktin
Pembentukan sitoskeleton aktin membutuhkan pembuatan ikatan silang antara filamen aktin. Ikatan ini dibentuk oleh protein, yang karakteristik utamanya adalah: mereka memiliki domain pengikat aktin; banyak yang memiliki domain yang homolog dengan calponin; dan setiap jenis protein diekspresikan dalam jenis sel tertentu.
Dalam filopodia dan serat stres, ikatan silang antara filamen aktin dibuat oleh fascina dan filamin. Protein ini, masing-masing, menyebabkan filamen aktin sejajar atau memiliki sudut yang berbeda. Dengan demikian, filamen aktin menentukan bentuk sel.
Wilayah sel dengan jumlah filamen aktin tertinggi terletak di dekat membran plasma. Daerah ini disebut korteks. Sitoskeleton kortikal diatur dengan cara yang berbeda, tergantung pada jenis sel, dan terhubung ke membran plasma melalui protein pengikat.
Beberapa sitoskeleton yang paling baik dijelaskan adalah sel otot, trombosit, sel epitel, dan eritrosit. Misalnya, dalam sel otot, protein pengikat distrofin mengikat filamen aktin ke kompleks glikoprotein integral pada membran. Kompleks ini berikatan dengan protein matriks ekstraseluler.
Model aksi interaksi aktin-miosin
Para peneliti yang dipimpin oleh Rayment mengusulkan caral empat langkah untuk menjelaskan interaksi aktin dan miosin. Langkah pertama terjadi dengan pengikatan ATP ke kepala miosin. Pengikatan ini menghasilkan perubahan konformasi dalam protein, melepaskannya dari aktin dalam filamen kecil.
ATP kemudian dihidrolisis menjadi ADP, melepaskan fosfat anorganik. Molekul miosin menempel pada subunit aktin baru, menghasilkan keadaan energi tinggi.
Pelepasan fosfat anorganik membawa perubahan pada miosin, kembali ke konformasi awal dan pergerakan filamen kecil terjadi, sehubungan dengan filamen tebal. Gerakan ini menyebabkan gerakan kedua ujung sarkomer, mendekatkan keduanya.
Langkah terakhir melibatkan pelepasan ADP. Pada titik ini kepala miosin bebas dan dapat berikatan dengan molekul ATP baru.
Pergerakan sel didorong oleh polimerisasi aktin
Motilitas merangkak adalah jenis motilitas sel. Langkah-langkah dari jenis motilitas ini adalah: proyeksi sumbu pemimpin adhesi menuju substrat; adhesi ke substrat; retraksi belakang; dan dis-adhesi.
Proyeksi sumbu pemimpin membutuhkan partisipasi protein, yang berpartisipasi dalam polimerisasi dan depolimerisasi filamen aktin. Sumbu utama ditemukan di korteks sel, yang disebut lamellipodium. Langkah-langkah proyeksi sumbu adalah:
– Aktivasi reseptor oleh sinyal ekstraseluler.
– Pembentukan GTPase aktif dan 4,5-bifosfat fosfoinositol (PIP 2 ).
– Aktivasi protein WASp / Scar dan Arp2 / 3, yang mengikat monomer aktin untuk membentuk cabang di filamen aktin.
– Pertumbuhan filamen aktin yang cepat, pada ujung cabang yang dihiasi miosin. Membran didorong ke depan.
– Penyelesaian pemanjangan yang dihasilkan oleh protein mantel.
– Hidrolisis ATP yang terikat pada aktin pada filamen yang lebih tua.
– Depolimerisasi aktin-ADP dari filamen yang dipromosikan oleh ADF / cofilin.
– Pertukaran ADP menjadi ATP yang dikatalisis oleh profilin, menghasilkan aktin G-ATP yang siap untuk mulai memanjangkan cabang.
Penyakit terkait aktin
Distrofi otot
Distrofi otot adalah penyakit degeneratif pada otot rangka. Ini diwariskan secara resesif dan terkait dengan kromosom X. Ini terutama mempengaruhi laki-laki dengan frekuensi tinggi dalam populasi (satu dari setiap 3.500 laki-laki). Ibu dari pria-pria ini adalah heterozigot tanpa gejala, dan mungkin tidak memiliki riwayat keluarga.
Ada dua bentuk distrofi otot, Duchenne dan Becker, dan keduanya disebabkan oleh cacat pada gen distrofin. Cacat ini terdiri dari penghapusan yang menghilangkan akson.
Distrofin adalah protein (427 KDa) yang membentuk ikatan silang antara filamen aktin. Ini memiliki domain pengikatan aktin di terminal-N, dan domain pengikatan membran di terminal-C. Di antara kedua domain ada domain tubular ketiga yang dibentuk oleh 24 pengulangan tandem.
Dalam retikulum kortikal otot, distrofin berpartisipasi dalam pengikatan filamen aktin ke membran plasma melalui kompleks glikoprotein. Kompleks ini juga mengikat protein matriks ekstraseluler.
Pada pasien yang kekurangan distrofin fungsional dengan distrofi otot Duchenne, sitoskeleton kortikal tidak mendukung membran plasma. Akibatnya, membran plasma rusak di bawah tekanan kontraksi otot berulang.
Referensi
- Devlin, TM 2000. Biokimia. Redaksi Reverté, Barcelona.
- Gunst, SJ, dan Zhang, W. 2008. Dinamika sitoskeletal aktin pada otot polos: paradigma baru untuk regulasi kontraksi otot polos. Am J Fisiol Sel Fisiol, 295: C576-C587.
- Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Seluler dan biologi molekuler. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sāo Paulo.
- Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger – Prinsip-prinsip biokimia. WH Freeman, New York.
- Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Recaraling filamen aktin oleh faktor depolimerisasi aktin / cofilin. PNAS, 107: 7299-7304.
- Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Motilitas Seluler Didorong oleh Perakitan dan Pembongkaran Filamen Aktin. Sel, 112: 453-465.
