ACTIN: ĐẶC ĐIỂM, CẤU TRÚC, SỢI, CHỨC NĂNG - SINH HỌC - 2026

Các actin là một protein cytosolic hình thành microfilaments. Ở sinh vật nhân thực, actin là một trong những protein phong phú nhất. Ví dụ, nó đại diện cho 10% trọng lượng của tổng số protein trong tế bào cơ; và từ 1 đến 5% protein trong các tế bào không phải là cơ.

Protein này cùng với các sợi trung gian và vi ống tạo thành bộ xương tế bào, có chức năng chính là di chuyển của tế bào, duy trì hình dạng tế bào, phân chia tế bào và chuyển động của các bào quan ở thực vật, nấm và động vật.

Nguồn: Sarcomere.svg: Tác phẩm phái sinh của David Richfield (người dùng Slashme): Retama

Các đồng dạng của bộ xương actin có các chức năng khác nhau, chẳng hạn như: điều chỉnh sự phát triển của sức căng tích cực trong cơ trơn, chu kỳ tế bào, phát triển phôi, phát triển mô và chữa lành vết thương.

Theo quan điểm tiến hóa, actin là một loại protein được bảo tồn cao. Có khoảng 90% trình tự tương đồng ở các loài khác nhau. Ở các sinh vật đơn bào, một gen mã hóa một đồng dạng actin. Trong khi ở các sinh vật đa bào, các gen khác nhau mã hóa nhiều dạng đồng dạng của actin.

Actin, cùng với myosin, là những cấu trúc quan trọng trong sự phát triển tiến hóa của sinh vật nhân chuẩn và trong quá trình đa dạng hóa của chúng, vì chúng cho phép di chuyển mà không có các cấu trúc khác, chẳng hạn như lông roi và lông mao.

Cấu trúc: sợi actin

Actin là một protein polypeptit chuỗi đơn hình cầu. Trong cơ, actin có khối lượng phân tử xấp xỉ 42 KDa.

Protein này có hai miền. Mỗi miền có hai miền phụ và khoảng cách giữa các miền. ATP - Mg ⁺² gắn vào đáy khe. Các termini amino và cacboxyl gặp nhau ở miền phụ 1.

Actin G và actin F

Có hai dạng actin chính: đơn phân actin, được gọi là G-actin; và một polyme dạng sợi, được tạo thành từ các monome G-actin, được gọi là F-actin. Các sợi actin, được quan sát bằng kính hiển vi điện tử, có các vùng hẹp và rộng, có đường kính lần lượt là 7 nm và 9 nm.

Dọc theo dây tóc, các monome actin tạo thành một chuỗi xoắn kép chặt chẽ. Một đơn vị lặp lại dọc theo dây tóc bao gồm 13 vòng xoắn và 28 đơn phân actin, và có khoảng cách 72 nm.

Dây tóc actin có hai đầu. Một được hình thành bởi khoảng trống tham gia ATP - Mg ⁺² , nằm theo cùng một hướng trong tất cả các đơn phân actin của sợi, được gọi là đầu (-); còn đầu kia thì ngược lại, gọi là đầu (+). Do đó, dây tóc actin được cho là có cực.

Những thành phần này thường được gọi là vi sợi, vì chúng là thành phần của bộ xương tế bào có đường kính nhỏ nhất.

Chúng ta tìm thấy actin ở đâu?

Actin là một loại protein cực kỳ phổ biến trong sinh vật nhân thực. Trong tất cả các protein của tế bào, actin chiếm khoảng 5-10% - tùy thuộc vào loại tế bào. Ví dụ, trong gan, mỗi tế bào tạo nên nó có gần 5,10 ⁸ phân tử actin.

nét đặc trưng

Hai dạng actin, monome và filament, liên tục ở trạng thái cân bằng động giữa phản ứng trùng hợp và khử phân tử. Nhìn chung, có ba đặc điểm nổi bật của hiện tượng này:

1) Sợi actin đặc trưng cho cấu tạo của mô cơ và bộ xương của tế bào nhân thực.

2) Phản ứng trùng hợp và khử trùng là một quá trình động được điều hòa. Nơi xảy ra phản ứng trùng hợp hoặc tập hợp các monome actin G - ATP - Mg ⁺² ở cả hai đầu. Quá trình này có xảy ra hay không phụ thuộc vào điều kiện của môi trường và các protein điều hòa.

3) Sự hình thành các bó và hạt tạo nên bộ xương tế bào actin, mang lại sức mạnh cho hoạt động của tế bào. Điều này phụ thuộc vào các protein có liên quan đến sự hình thành các liên kết chéo.

Đặc trưng

Co cơ

Đơn vị chức năng và cấu trúc của cơ xương là sarcomere, có hai loại sợi: sợi mỏng do actin tạo thành và sợi dày do myosin tạo thành. Cả hai sợi đều được sắp xếp xen kẽ, theo một cách hình học chính xác. Chúng cho phép co cơ.

Các sợi mảnh được neo vào vùng được gọi là đĩa Z. Vùng này bao gồm một mạng lưới các sợi, trong đó protein CapZ được tìm thấy và các đầu (+) của sợi actin được neo vào. Mỏ neo này ngăn chặn quá trình khử phân tử của đầu (+).

Mặt khác, tropomodulin nằm ở đầu (-) của các sợi actin, và bảo vệ chúng khỏi quá trình khử phân giải. Ngoài actin, các sợi mảnh còn có tropomyosin và troponin, có chức năng kiểm soát các tương tác với actomyosin.

Quá trình co cơ diễn ra như thế nào?

Trong quá trình co cơ, các sợi dày thực hiện chuyển động xoay vòng, kéo các sợi mỏng về phía giữa sarcomere. Điều này làm cho các sợi thô và mỏng bị trượt.

Do đó, chiều dài của các sợi dày và mỏng không đổi, nhưng sự chồng chéo giữa cả hai sợi sẽ tăng lên. Chiều dài của sarcomere giảm do sự neo của các sợi mảnh vào đĩa Z.

Làm thế nào để bạn ngừng co cơ?

ATP là đơn vị tiền tệ năng lượng của tế bào. Do đó, nó hầu như luôn có sẵn trong các mô cơ sống. Tính đến những điều trên, cần phải có các cơ chế cho phép thư giãn cơ và ngừng các cơn co thắt.

Hai protein, được gọi là tropomyosin và troponin, đóng một vai trò cơ bản trong hiện tượng này. Chúng hoạt động cùng nhau để ngăn chặn các vị trí liên kết của myosin (do đó ngăn cản sự liên kết của nó với actin). Kết quả là, cơ được thư giãn.

Ngược lại, khi một con vật chết đi, nó sẽ trải qua một hiện tượng được gọi là đau nặng. Nguyên nhân gây ra hiện tượng cứng này của thân thịt là sự ngăn chặn sự tương tác giữa myosin và actin, ngay sau khi con vật chết.

Một trong những hậu quả của hiện tượng này là cần ATP để giải phóng hai phân tử protein. Về mặt logic, trong các mô chết không có sẵn ATP và sự giải phóng này không thể xảy ra.

Các loại chuyển động khác

Cơ chế tương tự mà chúng tôi mô tả (sau này chúng ta sẽ đi sâu vào cơ chế chuyển động cơ bản) không bị hạn chế đối với sự co cơ ở động vật. Nó là nguyên nhân gây ra các chuyển động của amip mà chúng ta quan sát thấy ở amip và trong một số nấm mốc thuộc địa.

Tương tự, chuyển động tế bào chất mà chúng ta quan sát được ở tảo và thực vật trên cạn cũng được điều khiển bởi các cơ chế tương tự.

Quy định của quá trình trùng hợp và khử trùng hợp sợi actin

Sự co lại của mô và tế bào cơ trơn tạo ra sự gia tăng F-actin và giảm G-actin. Quá trình trùng hợp actin xảy ra trong ba giai đoạn: 1) tạo mầm, một bước chậm; 2) kéo dài, một bước nhanh chóng; và 3) trạng thái ổn định. Tốc độ trùng hợp bằng tốc độ khử trùng hợp.

Sợi actin phát triển ở đầu (+) nhanh hơn ở đầu (-). Tốc độ kéo dài tỷ lệ với nồng độ của các monome actin cân bằng với các sợi actin, được gọi là nồng độ tới hạn (Cc).

Cc cho đầu (+) là 0,1 µM và cho đầu (-) là 0,8 µM. Điều này có nghĩa là cần có nồng độ monome actin ít hơn 8 lần để trùng hợp đầu (+).

Quá trình trùng hợp actin chủ yếu được điều chỉnh bởi thymosin beta4 (TB4). Protein này liên kết với G actin và giữ lại nó, ngăn không cho nó bị trùng hợp. Trong khi profilin kích thích quá trình trùng hợp actin. Profilin liên kết với các monome actin, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trùng hợp ở đầu (+), thông qua sự phân ly của phức hợp actin-TB4.

Các yếu tố khác như sự gia tăng các ion (Na ⁺ , K ⁺ hoặc Mg ⁺² ) có lợi cho sự hình thành các sợi.

Hình thành bộ xương tế bào actin

Sự hình thành bộ xương tế bào actin đòi hỏi phải tạo ra các liên kết chéo giữa các sợi actin. Các liên kết này do protein tạo thành, có đặc điểm nổi bật là: có miền liên kết actin; nhiều loại có miền tương đồng với calponin; và mỗi loại protein được biểu hiện trong một loại tế bào nhất định.

Trong sợi filopodia và sợi căng thẳng, các liên kết chéo giữa các sợi actin được tạo ra bởi các mêgôn và filamin. Tương ứng, các protein này làm cho các sợi actin song song hoặc có các góc khác nhau. Do đó, các sợi actin xác định hình dạng của tế bào.

Vùng của tế bào có số lượng sợi actin cao nhất nằm gần màng sinh chất. Vùng này được gọi là vỏ não. Bộ xương tế bào vỏ não được tổ chức theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào loại tế bào, và được kết nối với màng sinh chất thông qua các protein liên kết.

Một số tế bào được mô tả tốt nhất là tế bào cơ, tiểu cầu, tế bào biểu mô và hồng cầu. Ví dụ, trong tế bào cơ, protein liên kết dystrophin liên kết các sợi actin thành một phức hợp glycoprotein không thể tách rời trong màng. Phức hợp này liên kết với các protein nền ngoại bào.

Mô hình hành động tương tác actin-myosin

Các nhà nghiên cứu do Rayment dẫn đầu đã đề xuất một mô hình bốn bước để giải thích sự tương tác của actin và myosin. Bước đầu tiên xảy ra với sự liên kết của ATP với các đầu của myosin. Sự liên kết này tạo ra sự thay đổi cấu trúc trong protein, giải phóng nó khỏi actin trong sợi nhỏ.

ATP sau đó được thủy phân thành ADP, giải phóng một photphat vô cơ. Phân tử myosin tự gắn vào một tiểu đơn vị actin mới, tạo ra trạng thái năng lượng cao.

Sự giải phóng photphat vô cơ dẫn đến sự thay đổi myosin, trở lại hình dạng ban đầu và xảy ra sự chuyển động của các sợi nhỏ, đối với các sợi dày. Chuyển động này gây ra chuyển động của hai đầu của sarcomere, đưa chúng lại gần nhau hơn.

Bước cuối cùng liên quan đến việc phát hành ADP. Tại thời điểm này, đầu myosin tự do và có thể liên kết với một phân tử ATP mới.

Chuyển động của tế bào được điều khiển bởi quá trình trùng hợp actin

Nhu động bò là một loại nhu động của tế bào. Các bước của loại chuyển động này là: chiếu trục dẫn bám dính về phía chất nền; kết dính với lớp nền; thụt lùi; và không kết dính.

Hình chiếu của trục dẫn đòi hỏi sự tham gia của các protein, các protein này tham gia vào quá trình trùng hợp và khử phân tử của các sợi actin. Trục thủ lĩnh được tìm thấy trong vỏ tế bào, được gọi là lamellipodium. Các bước chiếu trục là:

- Kích hoạt các thụ thể bằng tín hiệu ngoại bào.

- Hình thành GTPase hoạt động và 4,5-bisphosphate phosphoinositol (PIP ₂ ).

- Kích hoạt các protein WASp / Scar và Arp2 / 3, chúng liên kết với các đơn phân actin để tạo thành các nhánh trong các sợi actin.

- Sợi actin mọc nhanh, ở đầu cành có trang trí myosin. Màng bị đẩy về phía trước.

- Hoàn thành quá trình kéo dài tạo ra bởi các protein áo.

- Sự thủy phân ATP liên kết với actin trong các sợi cũ.

- Sự khử trùng hợp actin-ADP của các sợi được thúc đẩy bởi ADF / cofilin.

- Trao đổi ADP lấy ATP được xúc tác bởi profilin, tạo ra G-ATP actin sẵn sàng để bắt đầu kéo dài các nhánh.

Các bệnh liên quan đến actin

Loạn dưỡng cơ bắp

Bệnh teo cơ là một bệnh thoái hóa của cơ xương. Nó di truyền theo tính trạng lặn và liên kết với nhiễm sắc thể X. Nó chủ yếu ảnh hưởng đến nam giới với tần suất cao trong quần thể (cứ 3.500 nam giới thì có một người). Mẹ của những người đàn ông này không có triệu chứng dị hợp tử và có thể không có tiền sử gia đình.

Có hai dạng loạn dưỡng cơ, Duchenne và Becker, và cả hai dạng đều do khiếm khuyết trong gen dystrophin. Các khuyết tật này bao gồm các sự xóa bỏ làm loại bỏ các sợi trục.

Dystrophin là một protein (427 KDa) tạo thành các liên kết chéo giữa các sợi actin. Nó có miền liên kết actin ở đầu cuối N và miền liên kết màng ở đầu cuối C. Giữa cả hai miền có miền hình ống thứ ba được tạo thành từ 24 lần lặp lại song song.

Trong lưới vỏ cơ, dystrophin tham gia liên kết các sợi actin với màng sinh chất thông qua phức hợp glycoprotein. Phức hợp này cũng liên kết với các protein nền ngoại bào.

Ở những bệnh nhân thiếu dystrophin chức năng bị chứng loạn dưỡng cơ Duchenne, tế bào vỏ não không hỗ trợ màng sinh chất. Hậu quả là màng sinh chất bị tổn thương do căng thẳng của các cơn co cơ lặp đi lặp lại.

Người giới thiệu

1. Devlin, TM 2000. Hóa sinh. Editorial Reverté, Barcelona.
2. Gunst, SJ, and Zhang, W. 2008. Động lực học tế bào actin trong cơ trơn: một mô hình mới để điều hòa sự co cơ trơn. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Sinh học tế bào và phân tử. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sāo Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Các nguyên tắc hóa sinh. WH Freeman, New York.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Tái tạo sợi actin bằng yếu tố khử phân giải actin / cofilin. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Tiện ích di động được thúc đẩy bởi quá trình lắp ráp và tháo gỡ các sợi Actin. Ô, 112: 453-465.