F-actina

Structura cristalină a F-actinei, 2zwh

Unitățile de actină filamentoasă (F-actina) sunt, de asemenea, denumite microfilamente și sunt componente proteice foarte conservate, care se găsesc aproape omniprezente în citoscheletele eucariote. F-actina și alte proteine de actină au, în general, roluri structurale în celule.

Introducere

Actina se găsește în aproape toate celulele eucariote și este cunoscută în primul rând pentru funcția sa de proteină structurală și de translație. De asemenea, are o funcție de ATPază, deoarece hidrolizează ATP în ADP și Pi și suferă modificări conformaționale cu fiecare hidroliză. Actina aparține superfamiliei actinei, care include alte proteine, cum ar fi Hsp70(DnaK), Hsc70 și hexokinaza, datorită modificării conformaționale dependente de nucleotide. Din cauza similitudinii observate la Escherichia Coli, Hsc70 și la domeniul ATPază al actinei, se crede că cele două proteine au un strămoș comun. Se știe că procariotele nu au actină, dar au totuși un omolog al actinei, MreB, ceea ce duce, de asemenea, la ideea unui posibil strămoș comun.

Actina se prezintă sub două forme: actina globulară (G-actin), unitățile monomerice libere de actină, și actina filamentoasă (F-actin) care este forma polimerică. Aceste două forme există într-un echilibru dinamic una cu cealaltă, deoarece polimerizarea și depolimerizarea asociate cu ATP au loc în mod continuu în interiorul celulei. Unitățile monomere din F-actina posedă o formă care este distinctă de forma monomerică liberă și ca urmare a acestei schimbări se poate observa o activitate ATPază mai specifică.

Ansamblu

(1J6Z).

G-actina este forma monomerică liberă a actinei care se polimerizează în F-actina. Structurile de actină globulară și filamentoasă sunt distincte una de cealaltă în numeroase moduri, în ciuda faptului că G-actina cuprinde F-actina. Atunci când actina monomerică se polimerizează în F-actina, unitatea devine aplatizată. De asemenea, F-actina posedă o funcție ATPază care este minimă în cazul G-actinei. Domeniile și situsul activ sunt aceleași în ceea ce privește componentele constitutive și vor fi discutate mai târziu în ceea ce privește monomerul F-actinei.

G-actina pare să aibă mai mulți liganzi în structura sa, în afara situsului activ. Se crede că numai 3 din cei 5 există efectiv în soluție și se crede că aceștia contribuie la polimerizarea G-actinei în F-actină. Această reprezentare a G-actinei posedă, de asemenea, o care se observă în unele structuri cristaline de actină, dar nu neapărat. Molecula observată pe Cys374, a fost folosită pentru a bloca activitatea de polimerizare astfel încât cristalul de G-actină să poată fi observat

Formația F-actinei este un proces dinamic de asamblare și dezasamblare care a fost denumit „treadmilling”. Tranziția dintre G și F-actina începe cu un oligomer stabilizat de unități ATP-actină format printr-un model de pliere de tip nucleare-condensare. Ulterior are loc adăugarea de unități ATP-monomerice la oricare dintre capete; cu toate acestea, din cauza unei diferențe de polaritate a încărcăturii la cele două capete, are loc o adăugare preferențială la ceea ce se numește „capătul pozitiv (+)” sau „capătul bărbos”. La capătul opus, „capătul minus (-)” sau „capătul ascuțit”, are loc o disociere preferențială a unităților de actină.

După atașarea actinei legate de ATP, are loc hidroliza ATP-ului care produce starea legată de ADP și Pi. Pierderea ulterioară a unui Pi lasă starea ADP-actină. Din cauza potențialului de adăugare sau îndepărtare a unităților monomerice la ambele capete, asamblarea F-actinei poate fi descrisă în termeni de echilibru. Cu toate acestea, deoarece rata de asociere ATP-actină este de zece ori mai mare decât cea de disociere ADP-actină, f-actina are aspectul de a se deplasa înainte, sau de a se „mișca pe bandă rulantă”. Monomerii ADP-actinei se disociază la capătul minus și se reciclează în ATP-actină, astfel încât polimerizarea la capătul plus poate avea loc din nou.

Structură

Istoricul structurii

Proteina F-actina a fost descoperită de Straub în 1942. Structura a fost speculată pe baza unei cristalografii cu raze X de joasă rezoluție găsită în 1990 de către Holmes et al. și, în acest timp, a fost acceptat „modelul Holmes”. În schimb, structura G-actinei a fost determinată independent de peste 30 de ori. Un model de F-actină de rezoluție mai mare a fost depus în banca de date PDB abia recent, în decembrie 2008, de către Oda et al. .

F-actină monomer și polimer

(2zwh)

Monomer

Care unitate monomerică de F-actină are, ca parte a structurii sale terțiare, mai multe bucle care sunt importante pentru asamblarea sa la F-actină polimerică. Aceste bucle suferă modificări conformaționale în funcție de starea nucleotidului legat sau servesc ca regiuni de care se leagă unitățile monomerice de actină adiacente. Aceasta acționează ca un „comutator” pentru conformații, în funcție de nucleotidul legat. Reziduurile buclei de legare a ADNse I (40-50), pe lângă faptul că suferă modificări de conformație care au un impact asupra stabilității, se leagă de enzimele ADNse I și se speculează că mențin o fixare a ADNse I. Bucla hidrofobă , care se întinde pe reziduurile 264-273, și bucla , care se întinde pe reziduurile 165-172, funcționează ca situsuri la care se pot lega buclele D ale monomerilor de actină adiacenți. O funcție similară este observată pentru reziduurile (374-375).

Molcula de F-actină, așa cum este prezentată aici, este formată din 375 de reziduuri (43kDa) și doi liganzi, ADP și Ca2+. Ea are două domenii majore separate de o fantă de legare a nucleotidelor. În funcție de starea nucleotidului legat, cea mai stabilă conformație a F-actinei se schimbă. În stările de legare a nucleotidelor ATP și ADP + Pi, are o fantă de legare închisă. În starea de legare numai la ADP, are o fantă de legare mai largăO trăsătură caracteristică a actinei este faptul că domeniile rămân răsucite unele față de altele, în ciuda modificărilor conformaționale dependente de starea nucleotidei.

Polimerul F-actină (bazat pe structura F-actină a lui Ken Holmes)

Polimer

F-actina are aspectul a două elice drepte, cu o răsucire treptată una în jurul celeilalte. De fapt, este compusă din repetări de 13 unități de actină pentru fiecare 6 spire stângace, pe o lungime de 350 Å.

Modificări conformaționale dependente de starea nucleotidului

Starea nucleotidului fosforilat legat afectează conformația pe care o adoptă monomerul de F-actină. Prezența unui gamma-fosfat în situsul activ determină rotația unui reziduu Ser14. Această schimbare duce la deplasarea unei histidine metilate (HIC73), ceea ce modifică situsul activ al F-actinei și provoacă o schimbare de conformație în bucla D. HIC73 este localizată în „bucla senzorului”, sau „comutatorul” care face legătura între modificările nucleotidelor legate și modificările conformaționale. În ATP-actina și ADP-Pi-actina, bucla D este nestructurată. În forma de F-actină legată de ADP, în bucla D a monomerului apare de obicei o elice alfa.

Deși alfa-helixul nu este observat în acest model Oda de F-actină și nu este observat în alte studii asupra F-actinei, este recunoscut de Oda et. al că rezultatele experimentale ar fi putut conduce la un alfa-helix extins în model, spre deosebire de un fir dezordonat extins ca segment de interacțiune între unitățile monomerice de F-actină.

Domenii

(2zwh)

Structura unei singure unități de F-actină provine dintr-un lanț polipeptidic cu două domenii. Fanta de legare a nucleotidelor, locul de hidroliză a ATP, poate fi observată între cele două domenii. Mișcarea domeniilor permite apariția conformațiilor F-actinei deschise și închise.

Mișcarea domeniilor este posibilă prin rotația în jurul , reprezentată în mov. Conform lui Oda et al. în timpul tranziției de la G- la F-actina, se crede că domeniul 2 se înclină cu 20° și se potrivește cu domeniul 1, dând astfel o conformație mai plană decât G-actina liberă. Nu este sigur dacă această aplatizare are loc înainte sau după hidroliza ATP. Holmes oferă o imagine simplificată a acestei mișcări și aplatizare a domeniului.

Stabilitate

Forma pliată aplatizată a F-actinei necesită mecanisme de stabilizare diferite față de forma monomerică liberă a G-actinei. Stabilitatea complexului F-actină se realizează printr-o serie de mecanisme care implică arginina 206, 183, 177 (violet); glutamatul 72(albastru), aspartatul 187(verde), 179 și 4-metil histidina 73(galben). Se crede că stabilitatea suplimentară provine dintr-o întrerupere a interacțiunii dintre reziduurile din aceeași jumătate a domeniilor lor respective către o nouă interacțiune între care se observă o distanță mult mai mare între ele.

După ce Pi este eliberat, o schimbare conformațională pe bucla D are ca rezultat „înmuierea” filamentului de F-actină. Adică face monomerul ADP-actină mai instabil și îl face mai susceptibil la scindare

Site activ

După legarea actinei la capătul plus al filamentului de actină, funcția ATPază este activată. Schimbarea conformațională de la G- la F- actina favorizează activitatea catalitică datorită deplasării de 20° care duce la un situs de legare mai închis; această schimbare conformațională este stabilizată și de interacțiunea diagonală de subdomeniu dintre Leu110 și Thr194. Ca urmare a acestor modificări conformaționale, actina este mutată mai aproape de ligandul ATP-Ca2+. Gln137 deține o moleculă de apă, iar plasarea acesteia în imediata apropiere a ATP permite scindarea gamma-fosfatului. Eliberarea fosfatului anorganic are loc prin schimbarea conformațională a „buclei D” flexibile într-o alfa-helix ordonată (deși nu este demonstrată de acest model).

Funcție

F-actina îndeplinește un rol structural, mecanic și enzimatic în cadrul celulelor eucariote. Aceste funcții nu sunt neapărat exclusive una față de cealaltă.

Funcțiile dinamice ale f-actinei sunt puternic implicate în migrația celulară.

Citoscheletul

F-actina este cea mai abundentă componentă a citoscheletului eucariotelor. Ea asigură cantități mari de rezistență la tracțiune, având în vedere dimensiunea sa subțire. În cazurile în care flexibilitatea nu este de dorit ca și componentă structurală, se pot forma legături încrucișate între polimerii de F-actină pentru a conferi o mai mare rigiditate și suport.

Alungirea ramurilor de F-actină duce la fenomenul de împingere a membranei plasmatice înainte în extensia lamelopodială și filopodială. Acest proces se bazează pe starea de echilibru dinamic în care există G- și F-actina, deoarece polimerizarea continuă a unităților de actină de pe marginea de atac este cea care propulsează extensia membranei. Fără funcția enzimatică ATPază a F-actinei, acest proces nu ar fi posibil.

Actină-Miozină

Forma relativ mai plată a F-actinei, în comparație cu G-actina, permite miozinei să se lege preferențial de F-actina față de G-actina. Aceasta înseamnă că F-actina, și nu G-actina, este forma funcțională a actinei. Aceasta compune o mare parte din filamentele subțiri în combinație cu miozina pentru a da contracțiile musculare. Structura F-actinei îi conferă o mare rezistență la forțe extinse, cum ar fi cele experimentate în contracția musculară.

.