Aktiinifilamendid

Aktiinifilamendid

Aktiinifilamendid ehk mikrofilamendid on eukarüootsete rakkude tsütoskeletis leiduvad aktiinist koosnevad kõige peenemad filamendid. Nad on oma funktsioonilt äärmiselt mitmekülgsed, võttes osa raku liikumisest ja kuju muutmisest.

G-aktiin

F-aktiin

Aktiin

Aktiin on globulaarne valk molekulmassiga 41,8 kDa, mida on eukarüootsetes rakkudes kõige rohkem, tema hulk rakus võib olla kuni 5% kogu valgu hulgast. Aktiini primaarjärjestus erineb väga vähe fülogeneetiliselt kaugetel liikidel (konservatiivne valk), in vitro katsetes on eri liikidelt eraldatud aktiin üksteisega funktsionaalselt asendatav. Aktiin esineb rakkudes kahes vormis: G-aktiin ehk globulaarne aktiin, mis polümeriseerumisel annab F-aktiini ehk filamentaarse aktiini. Tavaliselt on kuni 50% raku aktiinist G-vormis. Üleminek G-vormist F-i ja vastupidi (see tähendab aktiinifilamentide moodustumine ja nende depolümeriseerumine) toimub siis, kui seda on vaja, tänu millele on see rangelt kontrollitud. F-aktiini moodustumine algab rakus pärast vastavat signaali ja see võib toimuda väga kiiresti, minutite jooksul. Signaaliks võib olla mingi induktoraine, mis põhjustab raku diferentseerumist, kemotaktiline signaal, kokkupuude |substraadiga jne.

Struktuurne polaarsus

Filamendi kasv toimub eelistatult ühest otsast, mida nimetatakse (+) otsaks. See on võimalik seetõttu, et monomeeri konformatsioon muutub pärast lülitumist F-aktiini koosseisu, võimaldades järgmise monomeeri lülitumist soodustatult. Monomeeri lülitumine (-)otsa toimub tunduvalt väiksema tõenäosusega. See annab rakule võimaluse määrata filamendi kasvu suunda, eeldades, et (+)ots on rakus orienteeritud vajalikus suunas.

Aktiiniga seotud valgud

Aktiinifilamendid moodustavad rakus väga erinevaid struktuure. Nad võivad moodustada suhteliselt jäiku ja püsivaid väljasopistusi rakkudest või ka ajutisi dünaamilisi struktuure. Kõikidel juhtudel on aktiinifilamentide põhimõtteline ehitus sama. Erinevused on aga tingitud valkudest, millega aktiinifilamendid on seotud. Enamikul loomsetel rakkudel on aktiinifilamente kõige rohkem plasmamembraani vahetus läheduses, selle all, moodustades seal tiheda võrgustiku. Seda piirkonda tsütoplasmast nimetatakse raku korteksiks (cell cortex) või ka kortikaalseks tsütoplasmaks. See annab rakupinnale teatud mehaanilised omadused, millega on võimalik säilitada või muuta kuju. Kortikaalse tsütoplasma paksus varieerub eri rakutüüpidel. Erütrotsüütides on kortikaalsed aktiinifilamendid seotud rakumembraanile valkude spektriin ja anküriin vahendusel. Nendega sarnaseid valke leidub enamiku selgroogsete loomade rakkude kortikaalses tsütoplasmas. Kortikaalsed aktiinifilamendid võivad omakorda olla organiseeritud väga erineval moel. Nad võivad olla:

• paralleelsete kimpudena, mis moodustavad raku mikrohattusid ja filopoode. Seal on aktiinifilamendid orienteeritud sama polaarsusega ja paiknevad tihedalt üksteise lähedal, (10–20 nm) kimpudena. Aktiinifilamente seovad kimpudeks valgud fimbriin, villiin ja a-aktiniin.
• kontraktiilsete struktuuridena, näiteks stressi fiibrites ja aktiini rõngas. Stressi fiibrid on iseloomulikud rakkudele, mis kinnituvad substraadile. Kui rakk tuleb substraadilt lahti (näiteks siis, kui algab mitoos), siis stressi fiibrid kaovad. Aktiini rõngas on ajutine kontraktiilne struktuur, mis moodustub tsütokineesi ajal. Seal on aktiinifilamendid orienteeritud antiparalleelselt ja nendega on seotud mootorvalk müosiin.
• geelitaolise võrgustikuna, kus aktiinifilamendid on omavahel paljudest kohtadest seotud teatud valkudega. Tuntuim valk, mis tekitab ühendusi üksteisega ristuvate aktiinifilamentide vahele, põhjustades sellega kolmemõõtmelise võrgustiku tekke, on filamiin.

Mikrohatud

Hulkraksete organismide rakkude sõrmekujulised väljakasvud. Moodustise teljeks on membraaniga valkude vahendusel (müosiin I) seotud 20–30 aktiinifilamentidist koosnev kimp. Aktiinifilamente seovad omavahel samuti valgud (fimbriin ja villiin). Filamendid on orienteeritud (+) otsaga hatu tipu suunas. Mikrohatud moodustuvad vedela keskkonnaga piirnevatel rakkudel ja katavad näiteks soole epiteelirakke. Pikkus 0,5–10 µm, diameeter 100 nm. Igal rakul võib esineda tuhandeid hattusid. Funktsiooniks on toitainete transport. Väljakasvud suurendavad oluliselt soole pinda.

Aktiini rõngas

Tsütoplasma jagunemine tsütokineesi käigus toimub kontraktiilse aktiini rõnga abil, mis koosneb peamiselt aktiinifilamentidest. Kontraktiilset rõngast moodustavad aktiinifilamendid kinnituvad plasmamembraanile teatud valkude vahendusel. Kontraktiilne rõngas moodustub anafaasi alguses. Vajalik jõud plasmamembraani sissenöördumiseks tekib aktiini ja müosiini interaktsioonil.

Aktiini polümeriseerumise regulatsioon

Rakkudes esinevad mitmesugused valgud, mis seostuvad aktiiniga ja soodustavad või pärsivad aktiini polümeriseerumist. Arvestades, et Kk (kriitiline kontsentratsioon) G-aktiini jaoks on 0,1 µM, aktiini kontsentratsioon tsütosoolis 0,5 mM, peaks rakkudes tavaliselt esineva soolade kontsentratsiooni juures kogu aktiin olema polümeriseerunud, tegelikkuses on aga ~40% polümeriseerumata. Vaba aktiini kontsentratsioon in vivo on väga kõrge ~50–200 µM. Selle põhjuseks on valk tümosiin (MW 5000, 0,55 mM), mis seostub ATP G-aktiiniga ja takistab monomeeride polümeriseerumist. Et polümeriseerumine muutuks teatud tingimustes võimalikuks, esineb rakkudes täiendav aktiiniga seostuv valk profiliin (15 000 MW), mis on seotud monomeeride (+) otsa külge. Profiliiniga seotud monomeer seostub kergesti aktiinifilamendi (+) otsale ja pärast seostumist profiliini molekul eraldub. Profiliini kontsentratsioon rakkudes võib tõusta näiteks väljast saabuva signaali toimel. Signaal vabastab profiliini seosest rakumembraani fosfolipiididega.

Profiliin (sinine) seostununa aktiiniga (roheline)

Profiliin soodustab polümeriseerumist mitmel viisil:

• soodustab monomeeride seostumist F-aktiini (+) otsaga, ise seostudes monomeeri ATP sidumiskohast kaugema piirkonnaga, nii et ATP siduv vagumus saab seostuda F-aktiini (+) otsaga;
• seostub ka membraanis esinevate signaali ülekande ahelate ühenditega nagu fosfolipiid fosfoinositool-4,5-difosfaat (PIP2). Signaali tekkimise korral vabaneb profiliin seosest PIP2-ga ja võib kiirendada aktiini polümeriseerumist;
• profiliin on aktiiniga seostuvatest valkudest ainuke, mis soodustab aktiiniga seostunud nukleotiidi vahetust, näiteks ADP → ATP.

Tsütosoolis esinevad aktiinifilamentidega seostuvad valgud, mis määravad F-aktiini pikkuse, lagundades teda väiksemateks fragmentideks. Sellised lahutavad valgud jäävad ise seotuks F-aktiini (+) otsaga ja seetõttu monomeeride seostumist ei toimu. Ahel laguneb kiiresti (-) otsast, treadmilling’u kiirus kasvab. Seda tüüpi valkudest on tuntud gelsoliin ja kofiliin. Kofiliin seostub ka monomeeridega, takistades nende polümeriseerumist. Gelsoliin on aktiveeritav kaltsiumi kontsentratsiooni kasvades. Selline aktiinifilamentide lagunemine ei ole oluline mitte ainult rakkude ja tsütoplasma liikumiseks, vaid ka näiteks tsütokineesi jaoks. Kui filamendid on lagunenud väiksemateks juppideks, muutuvad ka tsütosooli omadused, näiteks viskoossus väheneb. Gelsoliinist on tingitud näiteks muutused trombotsüütide struktuuris ja vere hüübumine. Aktiinifilamendid stabiliseeritakse mitmete valkude poolt. Tuntud on CapZ valk, mis seostub (+) otsaga ja takistab uute monomeeride liitumist ja vanade eemaldumist. Tropomoduliin seostub filamentide (-) otstega. Mõlemast otsast blokeeritud filament on stabiilne. Sellised filamendid eksisteerivad stabiilse tsütoskeletiga piirkondades, nagu näiteks lihaste sarkomeerid, viburid ja ripsmed ja erütrotsüütide membraan. Vahelduvat polümeriseerumist/depolümeriseerumist nõudvates struktuurides eemaldatakse CapZ valk näiteks PIP2 mõjul, mis vabaneb membraanidest teatud välissignaalide toimel.

Treadmilling

Kui G-aktiini kontsentratsioon langeb teatud kriitilise piirini, nii et polümerisatsioon (+)otsast saab võrdseks monomeeride eraldumisega (-)otsast, siis filamendi netopikkus küll ei muutu, muutub aga iga üksiku monomeeri asend filamendis. Treadmilling võib olla üks mehhanism, mille abil genereeritakse rakus liikumine.

Aktiini polümerisatsiooniastet mõjutavad valgud

• Aktiini monomeeride polümeriseerumist kontrollivad valgud
  • profiliin (seostub monomeeri (+) otsaga ja võimaldab vagumusse seotud ATP vahetust) ja kiirendab polümeriseerumist.
  • tümosiin &beta4 seostub ATP G-aktiiniga ja takistab polümeriseerumist
• Aktiinifilamente lagundavad valgud (kofiliin, gelsoliin):
  • lagundavad filamendid lühemateks juppideks, sageli seostuvad (+) otsaga, takistades täiendavat polümeriseerumist ja soodustades lagunemist (–) otsast. Olulised tsütoskeleti kiirete ümberkorralduste ajal.
• Aktiinifilamentide pikkust stabiliseerivad valgud (CapZ, tropomoduliin):
  • CapZ seostub (+) otsaga, tropomoduliin (–) otsaga. Need on olulised valgud, kui on vaja säilitada kindla pikkusega filamente, näiteks erütrotsüütide membraanides.

Aktiini polümeriseerumise 3 etappi

• lag-faasi vältel (polümeriseerumistsentri teke) G-aktiin polümeriseerub lühikesteks ebastabiilseteks oligomeerideks. Kui oligomeerid saavutavad teatud suuruse (3–4 monomeeri), muutuvad nad stabiilseteks tsentriteks järgmisele faasile.
• kiire monomeeride lisandumine mõlemasse otsa (ahela pikenemine) ja F-aktiini filamentide teke.
• statsionaarne faas (tasakaal polümeriseerumise ja depolümeriseerumise vahel) – filamentide pikkus on konstantne.

Kasutatud kirjandus

• Evi Padu. Rakubioloogia I. Slaidid "Tsütoskelett"
• Sulev Ingerpuu. Rakubioloogia II. Slaidid "Mikrofilamendid"