MIKROFILAMEN: KARAKTERISTIK, STRUKTUR, FUNGSI, PATOLOGI - BIOLOGI - 2025

The mikrofilamen atau aktin filamen, adalah salah satu dari tiga komponen utama dari sitoskeleton sel eukariotik (mikrofilamen, mikrotubulus dan filamen menengah) dan terdiri dari filamen kecil dari protein yang disebut aktin (aktin polimer).

Pada eukariota, gen yang mengkode mikrofilamen aktin sangat terkonservasi di semua organisme, itulah sebabnya mereka sering digunakan sebagai penanda molekuler untuk studi berbagai jenis.

Foto filamen aktin dari sel yang diwarnai (Sumber: Howard Vindin via Wikimedia Commons)

Mikrofilamen didistribusikan ke seluruh sitosol, tetapi sangat melimpah di daerah di bawah membran plasma, di mana mereka membentuk jaringan yang kompleks dan berasosiasi dengan protein khusus lainnya untuk membentuk sitoskeleton.

Jaringan mikrofilamen dalam sitoplasma sel mamalia dikodekan oleh dua dari enam gen yang dijelaskan untuk aktin, yang terlibat dalam dinamika mikrofilamen dan bahkan sangat penting selama diferensiasi sel induk.

Banyak penulis setuju bahwa mikrofilamen adalah protein paling beragam, serbaguna, dan penting dalam sitoskeleton sebagian besar sel eukariotik, dan penting untuk diingat bahwa ini tidak ditemukan pada mikroorganisme prokariotik.

Sebaliknya, dalam jenis sel ini, terdapat filamen yang homolog dengan mikrofilamen, tetapi terdiri dari protein lain: protein MreB.

Saat ini, gen yang mengkode protein ini dianggap sebagai gen leluhur yang mungkin untuk aktin pada eukariota. Akan tetapi, homologi urutan asam amino yang menyusun protein MreB hanya 15% sehubungan dengan urutan aktin.

Karena mereka adalah bagian fundamental dari sitoskeleton, setiap cacat fenotipik di kedua mikrotubulus dan filamen intermediet dan mikrofilamen aktin (sitoskeleton) dapat menyebabkan patologi seluler dan sistemik yang berbeda.

Karakteristik dan struktur

Mikrofilamen terdiri dari monomer protein keluarga aktin, yang merupakan protein kontraktil yang sangat melimpah dalam sel eukariotik, karena mereka juga berpartisipasi dalam kontraksi otot.

Filamen ini memiliki diameter antara 5 dan 7 nm, itulah sebabnya mereka juga dikenal sebagai filamen tipis dan terdiri dari dua bentuk aktin: bentuk bulat (aktin G) dan bentuk berserabut (aktin F).

Protein yang berpartisipasi dalam sitoskeleton dikenal sebagai aktin γ dan β, sedangkan yang berpartisipasi dalam kontraksi biasanya adalah aktin α.

Proporsi aktin globular dan aktin berfilamen dalam sitosol bergantung pada kebutuhan seluler, karena mikrofilamen adalah struktur yang sangat bervariasi dan serbaguna, yang terus tumbuh dan memendek dengan polimerisasi dan depolimerisasi.

G aktin adalah protein berbentuk bulat kecil, terdiri dari hampir 400 asam amino dan dengan berat molekul sekitar 43 kDa.

Monomer G-aktin yang menyusun mikrofilamen disusun dalam bentuk untai heliks, karena masing-masing mengalami pelintiran saat dikaitkan dengan yang berikutnya.

G aktin berasosiasi dengan satu molekul Ca2 + dan ATP lainnya, yang menstabilkan bentuk globularnya; sedangkan F-aktin diperoleh setelah hidrolisis terminal fosfat molekul ATP menjadi G-aktin, yang berkontribusi pada polimerisasi.

Organisasi

Filamen aktin dapat diatur menjadi "bundel" atau "jaringan" yang memiliki fungsi berbeda di dalam sel. Bundel tersebut membentuk struktur paralel yang dihubungkan oleh jembatan penyeberangan yang cukup kaku.

Jaringan, di sisi lain, adalah struktur yang lebih longgar, seperti mata jaring tiga dimensi dengan sifat gel semi padat.

Ada banyak protein yang berasosiasi dengan filamen aktin atau mikrofilamen dan dikenal sebagai ABP (protein pengikat aktin), yang memiliki situs spesifik untuknya.

Banyak dari protein ini memungkinkan mikrofilamen untuk berinteraksi dengan dua komponen lain dari sitoskeleton: mikrotubulus dan filamen perantara, serta dengan komponen lain di bagian dalam membran plasma.

Protein lain yang berinteraksi dengan mikrofilamen termasuk lamina nuklir dan spektrin (dalam sel darah merah).

Bagaimana filamen aktin terbentuk?

Karena monomer aktin bulat selalu terikat dengan cara yang sama, berorientasi pada arah yang sama, mikrofilamen memiliki polaritas tertentu, dengan dua ujung: satu "lebih" dan satu "lebih sedikit".

Polaritas filamen ini sangat penting, karena mereka tumbuh jauh lebih cepat pada ujung positifnya, di mana monomer G-aktin baru ditambahkan.

Representasi grafis pembentukan mikrofilamen aktin (Sumber: karya turunan: Retama (bicara) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström melalui Wikimedia Commons)

Hal pertama yang terjadi selama polimerisasi filamen aktin adalah proses yang disebut "nukleasi", yang terdiri dari asosiasi tiga monomer protein.

Monomer baru ditambahkan ke pemangkas ini di kedua ujungnya, sehingga filamen tumbuh. Monomer G-aktin mampu menghidrolisis ATP dengan setiap pengikatan, yang memiliki implikasi pada laju polimerisasi, karena gugus aktin-ATP berdisosiasi dengan kesulitan yang lebih besar daripada gugus aktin-ADP.

ATP tidak diperlukan untuk polimerisasi dan peran spesifik hidrolisasinya belum dijelaskan.

Beberapa penulis menganggap bahwa, karena peristiwa polimerisasi aktin dapat dengan cepat dibalik, ATP yang terkait dengan proses ini dapat mewakili hingga 40% dari total pergantian seluler dari molekul energik ini.

Peraturan

Baik polimerisasi filamen aktin dan depolimerisasi mereka adalah proses yang sangat diatur oleh serangkaian protein spesifik, yang bertanggung jawab untuk pembentukan ulang filamen.

Contoh protein yang mengatur depolimerisasi adalah faktor depolimerisasi aktin cofilin. Protein lain, profilin, memiliki fungsi yang berlawanan, karena ia merangsang asosiasi monomer (dengan menstimulasi pertukaran ADP dengan ATP).

fitur

Mikrofilamen berinteraksi dengan filamen miosin yang berhubungan dengan protein transmembran yang memiliki domain di dalam sitosol dan satu lagi di bagian luar sel, sehingga berpartisipasi dalam proses mobilitas sel.

Mikrofilamen yang terkait dengan membran plasma ini memediasi berbagai respons seluler terhadap berbagai kelas rangsangan. Misalnya, adhesi sel di jaringan epitel didorong oleh protein transmembran yang dikenal sebagai cadherin, yang berinteraksi dengan mikrofilamen untuk merekrut faktor respons.

Filamen aktin berinteraksi dengan filamen perantara untuk menyebabkan rangsangan ekstraseluler dikirim ke lokasi utama seperti ribosom dan kromosom di dalam nukleus.

Representasi fungsi motorik intraseluler dari mikrofilamen aktin (Sumber: Boumphreyfr via Wikimedia Commons)

Fungsi klasik mikrofilamen yang dipelajari dengan baik adalah kemampuannya untuk membentuk "jembatan", "rel", atau "jalan raya" untuk pergerakan protein motorik myosin I, yang mampu memuat vesikel transportasi dari organel ke membran. plasma di jalur sekretori.

Mikrofilamen juga berinteraksi dengan miosin II untuk membentuk cincin kontraktil yang terbentuk selama sitokinesis, tepatnya pada tahap terakhir pembelahan sel di mana sitosol dipisahkan dari sel induk dan sel anak.

Secara umum, mikrofilamen F-aktin memodulasi distribusi beberapa organel seperti kompleks Golgi, retikulum endoplasma, dan mitokondria. Selain itu, mereka juga berpartisipasi dalam penentuan posisi spasial mRNA sehingga terbaca oleh ribosom.

Seluruh rangkaian mikrofilamen seluler, terutama yang terkait erat dengan membran plasma, berpartisipasi dalam pembentukan membran sel bergelombang yang memiliki gerakan aktif konstan.

Mereka juga terlibat dalam pembentukan mikrovili dan benjolan umum lainnya di permukaan banyak sel.

Contoh fungsi di hati

Mikrofilamen berpartisipasi dalam proses sekresi empedu di hepatosit (sel hati) dan juga dalam gerakan peristaltik (kontraksi terkoordinasi) dari kanalikuli hepatik.

Mereka berkontribusi pada diferensiasi domain membran plasma berkat asosiasi mereka dengan elemen sitosol yang berbeda dan kontrol yang mereka lakukan terhadap topografi elemen intraseluler ini.

Patologi terkait

Ada beberapa penyakit yang terkait dengan cacat primer dalam struktur atau dengan protein pengatur dan enzim dalam sintesis mikrofilamen, meskipun faktanya ini terlibat langsung dalam sejumlah besar fungsi.

Rendahnya tingkat penyakit dan malformasi dalam struktur utama mikrofilamen disebabkan oleh fakta bahwa, secara umum, ada banyak gen yang menyandikan aktin dan protein pengaturnya, sebuah fenomena yang dikenal sebagai “redundansi genetik”.

Salah satu patologi yang paling banyak dipelajari adalah vitrifikasi oosit pada sitoskeletonnya, di mana gangguan dalam jaringan mikrofilamen kortikal diamati, serta depolimerisasi dan disorganisasi mikrotubulus dari spindel mitosis.

Secara umum, vitrifikasi ini menyebabkan dispersi kromosom, karena menyebabkan gangguan pada pemadatan semua kromatin.

Sel-sel yang memiliki organisasi dan proporsi mikrofilamen yang lebih besar dalam sitoskeletonnya adalah sel-sel otot lurik, oleh karena itu, sebagian besar patologi dikaitkan dengan kerusakan alat kontraktil.

Mikrofilamen yang rusak atau atipikal juga telah dikaitkan dengan penyakit tulang yang dikenal sebagai penyakit Paget.

Referensi

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., & Vicente-Manzanares, M. (2017). Dinamika adhesi terkoordinasi mikrofilamen mendorong migrasi sel tunggal dan membentuk seluruh jaringan. F1000Research, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Protein pengikat aktin: regulasi mikrofilamen sitoskeletal. Ulasan Fisiologis, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, E. (2018). Bistabilitas dalam sinkronisasi mikrofilamen yang digerakkan. Jurnal Mekanika Fluida, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., & Vacanti, JP (Eds.). (2011). Prinsip rekayasa jaringan. Pers akademis.
5. Robbins, J. (2017). Penyakit Sitoskeleton: The Desminopathies. Pada Miopati Kardioskeletal pada Anak dan Dewasa Muda (hlm. 173-192). Pers Akademik.