AKTIN: KARAKTERISTIK, STRUKTUR, FILAMEN, FUNGSI - BIOLOGI - 2025

The aktin adalah protein sitosol yang membentuk mikrofilamen. Pada eukariota, aktin adalah salah satu protein yang paling melimpah. Misalnya, ini mewakili 10% 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: Karya turunan David Richfield (pengguna Slashme): Retama

Isoform sitoskeleton aktin memiliki fungsi yang berbeda-beda, seperti: regulasi dalam perkembangan ketegangan aktif pada otot polos, siklus sel, perkembangan embrio, perkembangan jaringan dan penyembuhan luka.

Dari sudut pandang evolusi, aktin adalah protein yang sangat terkonservasi. Ada sekitar 90% homologi urutan dalam spesies yang berbeda. Dalam organisme uniseluler, satu gen mengkode isoform aktin. Sedangkan pada organisme multiseluler, gen yang berbeda menyandikan banyak isoform aktin.

Aktin, bersama dengan miosin, adalah struktur penting dalam perkembangan evolusioner organisme eukariotik dan dalam diversifikasi mereka, karena mereka memungkinkan pergerakan tanpa adanya struktur lain, seperti flagela dan silia.

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 bagian bawah celah. Amino dan karboksil termini bertemu di subdomain 1.

Aktin G dan aktin F

Ada dua bentuk utama aktin: monomer aktin, yang disebut G-aktin; dan polimer berserabut, 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 bergabung dengan ATP - Mg ⁺² , yang terletak pada arah yang sama di semua aktin monomer filamen, yang disebut ujung (-); dan ujung lainnya adalah kebalikannya, disebut ujung (+). Oleh karena itu, filamen aktin dikatakan memiliki polaritas.

Komponen ini sering disebut dengan 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 sel. Di hati, misalnya, setiap sel yang menyusunnya memiliki hampir 5,10 ⁸ molekul aktin.

karakteristik

Dua bentuk aktin, monomer dan filamen, secara kontinyu berada dalam keseimbangan dinamis antara polimerisasi dan depolimerisasi. Secara umum, ada tiga karakteristik yang menonjol dari fenomena ini:

1) Filamen aktin merupakan ciri 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 di kedua ujungnya. Apakah proses ini terjadi tergantung pada kondisi lingkungan dan protein pengatur.

3) Pembentukan bundel dan retikel, yang menyusun sitoskeleton aktin, memberi kekuatan pada motilitas sel. Ini tergantung pada protein yang terlibat dalam ikatan silang.

fitur

Kontraksi otot

Unit fungsional dan struktural otot rangka adalah sarkomer, yang memiliki dua jenis filamen: filamen tipis, yang dibentuk oleh aktin, dan filamen tebal, yang dibentuk oleh miosin. Kedua filamen disusun bergantian, dengan cara geometris yang presisi. Mereka memungkinkan kontraksi otot.

Filamen tipis berlabuh ke daerah yang disebut cakram Z. Daerah ini terdiri dari jaringan serat, di mana protein CapZ ditemukan, dan di mana ujung (+) dari filamen aktin berlabuh. 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 untuk mengontrol 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 yang kasar dan tipis tergelincir.

Dengan demikian, panjang filamen tebal dan tipis tetap konstan, tetapi tumpang tindih antara kedua filamen bertambah. Panjang sarkomer berkurang karena penjangkaran filamen tipis ke cakram Z.

Bagaimana Anda menghentikan kontraksi otot?

ATP adalah mata uang energi sel. Oleh karena itu, hampir selalu tersedia di jaringan otot yang hidup. Mempertimbangkan hal di atas, harus ada mekanisme yang memungkinkan relaksasi otot dan penghentian 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, saat hewan mati mengalami fenomena yang disebut rigor mortis. Bertanggung jawab atas pengerasan bangkai ini adalah pemblokiran interaksi antara miosin dan aktin, segera setelah kematian hewan.

Salah satu konsekuensi dari fenomena ini adalah kebutuhan ATP untuk pelepasan dua molekul protein. Logikanya, pada jaringan mati tidak ada ketersediaan ATP dan pelepasan ini tidak dapat terjadi.

Jenis gerakan lainnya

Mekanisme yang sama yang kami gambarkan (nanti kami akan mempelajari mekanisme yang mendasari gerakan) tidak terbatas pada kontraksi otot pada hewan. Ini bertanggung jawab atas gerakan amoeboidal yang kita amati di amuba dan beberapa cetakan kolonial.

Demikian pula, pergerakan sitoplasma yang kita amati pada alga dan tumbuhan darat didorong oleh mekanisme yang serupa.

Pengaturan polimerisasi dan depolimerisasi filamen aktin

Kontraksi jaringan otot polos dan sel menghasilkan peningkatan aktin F dan penurunan aktin G. Polimerisasi aktin terjadi dalam tiga tahap: 1) nukleasi, tahap lambat; 2) perpanjangan, langkah cepat; dan 3) kondisi mapan. 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 µM, dan untuk ujung (-) adalah 0,8 µM. 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 aktin G dan menahannya, mencegahnya dari polimerisasi. Sedangkan profilin merangsang polimerisasi aktin. Profilin berikatan dengan monomer aktin, 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 memerlukan pembuatan ikatan silang antara filamen aktin. Ikatan ini dibentuk oleh protein, yang memiliki karakteristik menonjol: mereka memiliki domain pengikat aktin; banyak yang memiliki domain 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. Wilayah ini disebut korteks. Sitoskeleton kortikal diatur dengan cara yang berbeda, tergantung pada jenis selnya, dan terhubung ke membran plasma melalui protein pengikat.

Beberapa sitoskelet 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 di membran. Kompleks ini berikatan dengan protein matriks ekstraseluler.

Model aksi interaksi aktin-myosin

Para peneliti yang dipimpin oleh Rayment mengusulkan model empat langkah untuk menjelaskan interaksi aktin dan miosin. Langkah pertama terjadi dengan pengikatan ATP ke kepala myosin. Pengikatan ini menghasilkan perubahan konformasi pada 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 menyebabkan perubahan miosin, kembali ke konformasi awal dan terjadi pergerakan filamen kecil, sehubungan dengan filamen tebal. Gerakan ini menyebabkan pergerakan 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 salah satu 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 pemimpin ditemukan di korteks sel, yang disebut lamellipodium. Langkah-langkah proyeksi sumbu adalah:

- Aktivasi reseptor dengan sinyal ekstraseluler.

- Pembentukan GTPases aktif dan 4,5-bisphosphate phosphoinositol (PIP ₂ ).

- Aktivasi protein WASp / Scar dan Arp2 / 3 yang berikatan dengan monomer aktin membentuk cabang pada filamen aktin.

- Pertumbuhan filamen aktin yang cepat, di ujung cabang yang dihiasi miosin. Membran didorong ke depan.

- Penyelesaian perpanjangan yang dihasilkan oleh protein mantel.

- Hidrolisis ATP terikat aktin pada filamen yang lebih tua.

- Depolimerisasi aktin-ADP filamen yang dipromosikan oleh ADF / cofilin.

- Pertukaran ADP untuk 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). Para 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 kerusakan 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 pengikat aktin di N-terminus, dan domain pengikat membran di C-terminus. Di antara kedua domain ada domain tubular ketiga yang terdiri dari 24 pengulangan tandem.

Dalam retikulum kortikal otot, distrofin berpartisipasi dalam pengikatan filamen aktin ke membran plasma melalui kompleks glikoprotein. Kompleks ini juga berikatan dengan protein matriks ekstraseluler.

Pada pasien yang kekurangan distrofin fungsional dengan distrofi muskular Duchenne, sitoskeleton kortikal tidak mendukung membran plasma. Akibatnya, membran plasma rusak akibat tekanan kontraksi otot yang berulang.

Referensi

1. Devlin, TM 2000. Biokimia. Editorial Reverté, Barcelona.
2. Gunst, SJ, dan Zhang, W. 2008. Dinamika sitoskeletal aktin di otot polos: paradigma baru untuk regulasi kontraksi otot polos. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Biologi seluler dan molekuler. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Meksiko, Sāo Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Prinsip-prinsip biokimia. WH Freeman, New York.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Renovasi filamen aktin dengan faktor depolimerisasi aktin / cofilin. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Motilitas Seluler Didorong oleh Perakitan dan Pembongkaran Filamen Aktin. Sel, 112: 453-465.