F-aktin

Crystal Structure of F-actin, 2zwh

A filamentózus aktin (F-aktin) egységeket mikrofilamentumoknak is nevezik, és ezek az eukarióta citoszkeletonokban közel ubiquitikusan megtalálható, magasan konzervált fehérje komponensek. Az F-aktin és más aktinfehérjék általában strukturális szerepet töltenek be a sejtekben.

Bevezetés

Az aktin szinte minden eukarióta sejtben megtalálható, és elsősorban strukturális és transzlokációs fehérjeként ismert. ATPáz funkciója is van, mivel az ATP-t ADP-re és Pi-re hidrolizálja, és minden egyes hidrolízis során konformációs változásokon megy keresztül. Az aktin az aktin szupercsaládba tartozik, amelyhez más fehérjék, például a Hsp70(DnaK), a Hsc70 és a hexokináz is tartozik, mivel nukleotidfüggő konformációváltozása miatt. Az Escherichia Coli, a Hsc70 és az aktin ATPáz doménjében megfigyelt hasonlóság miatt úgy vélik, hogy a két fehérje közös ősökkel rendelkezik. A prokarióták nem ismerik az aktint, de van egy aktin-homológjuk, a MreB, ami szintén a lehetséges közös ősök gondolatához vezet.

Az aktin két formában fordul elő: globuláris aktin (G-aktin), az aktin szabad monomer egységei, és filamentózus aktin (F-aktin), amely a polimer forma. Ez a két forma dinamikus egyensúlyban van egymással, mivel a sejtben folyamatosan ATP-asszociált polimerizáció és depolimerizáció zajlik. Az F-aktin monomer egységei a szabad monomer formától eltérő formával rendelkeznek, és ennek a változásnak az eredményeként figyelhető meg a specifikusabb ATPáz-aktivitás.

Összeállítás

(1J6Z).

A G-aktin az aktin szabad monomer formája, amely F-aktinná polimerizálódik. A globuláris és a filamentumos aktin szerkezete számos tekintetben különbözik egymástól, annak ellenére, hogy a G-aktin F-aktint tartalmaz. Amikor a monomer aktin F-aktinná polimerizálódik, az egység lelapul. Emellett az F-aktin ATPáz funkcióval is rendelkezik, ami a G-aktinban minimális. A domének és az aktív hely az alkotóelemek szempontjából azonosak, és később az F-aktin monomerrel kapcsolatban tárgyaljuk.

Úgy tűnik, hogy a G-aktin szerkezetében több ligandum található, az aktív központon kívül. Az 5-ből vélhetően csak 3 létezik ténylegesen oldatban, és vélhetően hozzájárul a G-aktin F-aktinná történő polimerizációjához. A G-aktin ezen ábrázolása is rendelkezik egy, ami néhány aktin kristályos szerkezetben megfigyelhető, de nem feltétlenül. A megfigyelt molekula a Cys374-en, a polimerizációs aktivitás blokkolására használták, így a G-aktin kristálya megfigyelhető

Az F-aktin kialakulása egy dinamikus összeszerelési és szétszerelési folyamat, amelyet “treadmilling”-nek neveztek el. A G-aktin és az F-aktin közötti átmenet az ATP-aktin egységek stabilizált oligomerjével kezdődik, amely nukleáció-kondenzáció típusú hajtásmintázat révén jön létre. Ezt követően ATP-monomer egységek adódása történik bármelyik véghez, azonban a két vég töltéspolaritásbeli különbsége miatt az úgynevezett “plusz (+) véghez” vagy a “szöges véghez” történő adódás előnyben részesül. Az ellentétes végén, a “mínusz (-) végén” vagy a “hegyes végén” az aktinegységek preferenciális disszociációja következik be.

Az ATP-hez kötött aktin rögzülése után az ATP hidrolízise következik be, így ADP és Pi kötött állapotot kapunk. A Pi későbbi elvesztése az ADP-aktin állapotot hagyja meg. Mivel a monomer egységek hozzáadása vagy eltávolítása mindkét végén bekövetkezhet, az F-aktin összeszerelődése egyensúlyi viszonyokkal írható le. Mivel azonban az ATP-aktin asszociáció sebessége tízszerese az ADP-aktin disszociáció sebességének, az f-aktinnak az a látszata, hogy előrefelé mozog, vagy “taposómalom”. Az ADP-aktin monomerek a mínusz végén disszociálnak, és újra ATP-aktinná alakulnak, így a plusz végén ismét bekövetkezhet a polimerizáció.

Szerkezet

A szerkezet története

Az f-aktin fehérjét Straub fedezte fel 1942-ben. A szerkezetet egy 1990-ben Holmes et al. által talált alacsony felbontású röntgenkrisztallográfia alapján spekulálták, és ez idő alatt elfogadták a “Holmes-modellt”. Ezzel szemben a G-aktin szerkezetét több mint 30 alkalommal határozták meg egymástól függetlenül. Egy nagyobb felbontású F-aktin modellt csak nemrég, 2008 decemberében helyezett el a PDB adatbázisban Oda et al. .

F-aktin monomer és polimer

(2zwh)

Monomer

Minden F-aktin monomer egységnek a tercier szerkezet részeként több hurok van, amelyek fontosak a polimer F-aktinná való összeállása szempontjából. Ezek a hurkok a kötött nukleotid állapotától függően konformációs változásokon mennek keresztül, illetve régióként szolgálnak a szomszédos monomer aktin egységek számára, amelyekhez kapcsolódhatnak. A kötött nukleotidtól függően a konformációk “kapcsolójaként” működik. A DNSse I-kötő hurok maradékai (40-50) amellett, hogy a stabilitást befolyásoló konformációs változásokon mennek keresztül, kötik a DNSse I enzimeket, és feltételezhetően a DNSse I-t tartják fogva. A hidrofób hurok , amely a 264-273. maradékot fedi le, és a , amely a 165-172. maradékot fedi le, olyan helyként működnek, amelyekhez a szomszédos aktin monomer D-hurkok kapcsolódhatnak. Hasonló funkciót látnak el a (374-375) maradékok is.

Az itt látható F-aktin molekula 375 maradékból(43kDa) és két ligandumból, ADP-ből és Ca2+-ból áll. Két fő doménje van, amelyeket egy nukleotidkötő hasadék választ el egymástól. A megkötött nukleotid állapotától függően az F-aktin legstabilabb konformációja megváltozik. ATP és ADP + Pi nukleotidhoz kötött állapotában zárt kötőhasadékkal rendelkezik. A csak ADP-hez kötött állapotában szélesebb kötőhasadékkal rendelkezikAz aktin jellegzetes tulajdonsága, hogy a domének a nukleotidállapot-függő konformációs változások ellenére egymáshoz képest csavartak maradnak.

F-aktin polimer (Ken Holmes F-aktin szerkezete alapján)

Polimer

Az F-aktin két jobbkezes hélixnek látszik, amelyek fokozatosan csavarodnak egymás körül. Valójában 6 balkezes fordulatonként 13 aktinegység ismétlődéséből áll, és 350 Å hosszúságú.

Nukleotid-állapotfüggő konformációváltozások

A kötött foszforilált nukleotid állapota befolyásolja, hogy az F-aktin monomer milyen konformációt vesz fel. A gamma-foszfát jelenléte az aktív centrumban a Ser14 maradék elfordulását okozza. Ez a változás egy metilált hisztidin (HIC73) eltolódásához vezet, ami megváltoztatja az F-aktin aktív centrumát, és konformációváltozást okoz a D-hurokban. A HIC73 a “szenzorhurokban”, vagyis a “kapcsolóban” található, amely a kötött nukleotidban bekövetkező változásokat konformációs változásokkal kapcsolja össze. Az ATP-aktinban és az ADP-Pi-aktinban a D-hurok strukturálatlan. Az F-aktin ADP-hez kötött formájában a monomer D-hurokjában általában egy alfa-hélix látható.

Bár az alfa-hélix nem figyelhető meg az F-aktin ezen Oda-féle modelljében, és néhány más F-aktin-vizsgálatban sem, Oda et. al. elismeri, hogy a kísérleti eredmények alapján a modellben egy elnyújtott alfa-hélix lehetett volna, szemben az F-aktin monomer egységek közötti kölcsönható szegmensként megjelenő elnyújtott rendezetlen szálzal.

Domének

(2zwh)

Az F-aktin egyetlen egységének szerkezete egy két doménnel rendelkező polipeptidláncból keletkezik. A két domén között megfigyelhető a nukleotidkötő hasadék, az ATP-hidrolízis helye. A domének mozgása lehetővé teszi a nyitott és zárt F-aktin konformációt.

A domének mozgását a lilával ábrázolt , körüli forgás teszi lehetővé. Oda et al. szerint a G-aktinból az F-aktinba való átmenet során a 2-es domén feltehetően 20°-kal megdől és illeszkedik az 1-es doménhez, így a szabad G-aktinnál laposabb konformációt ad. Nem biztos, hogy ez a laposodás az ATP-hidrolízis előtt vagy után következik be. Holmes egy egyszerűsített képet ad erről a doménmozgásról és laposodásról.

Stabilitás

Az F-aktin laposra hajtogatott, hajtogatott formája más stabilizációs mechanizmusokat igényel, mint a szabad monomer G-aktin forma. Az F-aktin komplex stabilitását az arginin 206, 183, 177 (lila); glutamát 72(kék), aszpartát 187(zöld), 179 és 4-metil-hisztidin 73(sárga) bevonásával megvalósuló sorozat biztosítja. A további stabilitás feltehetően a doménjük azonos felében lévő maradékok közötti kölcsönhatás megszakadásából adódik egy új kölcsönhatásig, ahol sokkal nagyobb távolság figyelhető meg közöttük.

Mihelyt a Pi felszabadul, a D-hurok konformációs változása az F-aktin filamentum “lágyulását” eredményezi. Vagyis az ADP-aktin monomer instabilabbá válik, és fogékonyabbá válik a hasadásra

Aktív hely

Az aktin filamentum plusz végére történő aktinkötéskor aktiválódik az ATPáz funkció. A G-ről F- aktinra történő konformációváltozás elősegíti a katalitikus aktivitást, mivel a 20°-os eltolódás egy zártabb kötőhelyhez vezet; ezt a konformációváltozást a Leu110 és Thr194 közötti diagonális szubdomain kölcsönhatás is stabilizálja. E konformációs változások eredményeként az aktin közelebb kerül az ATP-Ca2+ ligandumhoz. A Gln137 egy vízmolekulát tart, és az ATP közelébe helyezése lehetővé teszi a gamma-foszfát hasítását. A szervetlen foszfát felszabadulása a rugalmas “D-hurok” rendezett alfa-hélixsé történő konformációs változásán keresztül történik (bár ez a modell nem mutatja be).

Funkció

Az F-aktin strukturális, mechanikai és enzimatikus szerepet tölt be az eukarióta sejtekben. Ezek a funkciók nem feltétlenül zárják ki egymást.

Az f-aktin dinamikus funkciói nagymértékben részt vesznek a sejtvándorlásban.

Citoszkeleton

Az f-aktin az eukarióták citoszkeletonjának leggyakoribb összetevője. Vékony méretéhez képest nagy mennyiségű szakítószilárdságot biztosít. Azokban az esetekben, amikor a rugalmasság nem kívánatos szerkezeti komponensként, az F-aktin polimerek között keresztkötések hozhatók létre, hogy nagyobb merevséget és tartást biztosítsanak.

Az F-aktin elágazások meghosszabbodása a plazmamembrán előretolódásának jelenségéhez vezet a lamellopodiális és filopodiális kiterjedésben. Ez a folyamat arra a dinamikus egyensúlyi állapotra támaszkodik, amelyben a G- és az F-aktin létezik, mivel a membránnyúlványt az aktinegységek folyamatos polimerizációja az elülső peremen hajtja előre. Az F-aktin enzimatikus ATPáz funkciója nélkül ez a folyamat nem lenne lehetséges.

Aktin-Miozin

Az F-aktin viszonylag laposabb alakja a G-aktinhoz képest lehetővé teszi, hogy a miozin előnyben részesítse az F-aktint a G-aktinnal szemben. Ez azt jelenti, hogy az F-aktin, nem pedig a G-aktin az aktin funkcionális formája. Ez alkotja a vékony filamentumok nagy részét a mioinnal együtt az izomösszehúzódásokhoz. Az F-aktin szerkezete nagy ellenállást biztosít a kiterjedt erőkkel szemben, mint amilyenek az izomösszehúzódás során tapasztalhatók.