Aktin
Obsah boxu
Aktin je vysoce konzervovaný globulární protein, který je jednou z nejhojnějších bílkovin v eukaryotických buňkách. Tvoří základní stavební jednotku mikrofilament, která jsou klíčovou součástí cytoskeletu. Aktin hraje zásadní roli v mnoha buněčných procesech, včetně svalového stahu, pohybu buněk, cytokineze (dělení buňky), udržování buněčného tvaru a intracelulárního transportu.
Vyskytuje se ve dvou základních formách: jako volný monomer zvaný G-aktin (globulární) a jako lineární polymer zvaný F-aktin (filamentózní), který tvoří samotná mikrofilamenta. Přechod mezi těmito dvěma formami je dynamický a přísně regulovaný, což umožňuje buňce rychle měnit svou strukturu a reagovat na vnější i vnitřní signály.
📜 Historie objevu
Aktin byl poprvé experimentálně izolován v roce 1942 maďarským biochemikem Brunó F. Straubem, který pracoval v laboratoři Alberta Szent-Györgyiho na univerzitě v Szegedu. Straub vyvinul novou metodu pro extrakci svalových proteinů, která mu umožnila oddělit novou bílkovinu od myosinu. Zjistil, že svalový extrakt obsahuje dvě formy této bílkoviny: globulární formu, kterou nazval G-aktin, a vláknitou formu, F-aktin, která vznikala polymerací G-aktinu v přítomnosti iontů.
Společně se Szent-Györgyim prokázali, že komplex aktinu a myosinu, nazvaný aktomyosin, je zodpovědný za svalovou kontrakci. Tento objev položil základy pro moderní chápání molekulárních mechanismů svalového stahu a funkce cytoskeletu. Původně se předpokládalo, že aktin je přítomen pouze ve svalech, ale pozdější výzkum v 60. a 70. letech 20. století odhalil jeho všudypřítomnost v téměř všech typech eukaryotických buněk, kde plní širokou škálu funkcí.
🧬 Struktura a formy
Aktin je vysoce dynamický protein, jehož struktura a organizace jsou klíčové pro jeho funkci. Existuje ve dvou vzájemně přeměnitelných stavech.
monomer: G-aktin
G-aktin (globulární aktin) je monomerní podjednotka. Jedná se o relativně malý protein o molekulové hmotnosti přibližně 42 kDa. Má komplexní trojrozměrnou strukturu, která se skládá ze dvou hlavních domén, mezi nimiž se nachází hluboká štěrbina. V této štěrbině se váže molekula ATP nebo ADP spolu s iontem hořčíku (Mg²⁺).
Vazba nukleotidu je zásadní pro stabilitu G-aktinu a jeho schopnost polymerovat. G-aktin vázající ATP má vyšší afinitu k polymeraci než G-aktin vázající ADP. Každý monomer G-aktinu má také polaritu, což znamená, že má dva odlišné konce.
polymer: F-aktin
F-aktin (filamentózní aktin) je polymerní forma, která tvoří mikrofilamenta. Vzniká procesem zvaným polymerace, při kterém se monomery G-aktinu spojují do dlouhého vlákna. Toto vlákno má strukturu pravotočivé dvoušroubovice s průměrem přibližně 7 nanometrů.
Díky polaritě G-aktinových monomerů má i celé F-aktinové vlákno polaritu. Rozlišujeme dva konce:
- Plus (+) konec (také ostnatý konec, "barbed end"): Je dynamičtější, polymerace zde probíhá rychleji.
- Minus (-) konec (také špičatý konec, "pointed end"): Polymerace je zde pomalejší, může zde docházet i k depolymeraci.
Tato polarita je klíčová pro řízený růst filament a pro funkci motorových proteinů, jako je myosin, které se po aktinových vláknech pohybují specifickým směrem. Během polymerace dochází k hydrolýze ATP vázaného na G-aktin na ADP. Energie uvolněná touto hydrolýzou se ukládá ve struktuře filamenta a ovlivňuje jeho dynamiku.
⚙️ Funkce v buňce
Aktinová filamenta jsou zapojena do mnoha klíčových buněčných procesů.
🏛️ Cytoskelet a tvar buňky
Mikrofilamenta tvoří hustou síť pod buněčnou membránou, známou jako kortikální (korová) síť. Tato síť poskytuje buňce mechanickou oporu, určuje její tvar a umožňuje jí odolávat vnějšímu tlaku. Umožňuje také tvorbu specializovaných buněčných výběžků, jako jsou mikroklky (zvyšují povrch buňky, např. ve střevech) nebo stereocilie (ve vnitřním uchu).
💪 Svalový stah
Ve svalových buňkách je aktin organizován do vysoce uspořádaných struktur zvaných tenká filamenta, která jsou součástí sarkomer. Zde aktin interaguje s motorovým proteinem myosinem, který tvoří tlustá filamenta. Podle modelu klouzavých filament se myosinové hlavy vážou na aktinová filamenta a za spotřeby ATP generují sílu, která způsobuje vzájemný posun filament. Tento proces vede ke zkrácení sarkomery a následně celého svalu, což je podstatou svalové kontrakce. Tento proces je regulován proteiny troponinem a tropomyosinem.
🏃 Buněčný pohyb
Mnoho buněk, jako jsou améby nebo bílé krvinky (leukocyty), se pohybuje pomocí tzv. améboidního pohybu. Tento pohyb je řízen dynamickou polymerací aktinu na předním okraji buňky (tzv. "leading edge"). Rychlý růst aktinových filament v podobě výběžků zvaných lamelipodia a filopodia tlačí buněčnou membránu dopředu. Následně se zbytek buňky přitáhne pomocí kontrakcí aktin-myosinové sítě.
➗ Buněčné dělení (cytokineze)
Na konci mitózy a meiózy je nutné rozdělit cytoplazmu mateřské buňky na dvě dceřiné buňky. Tento proces, zvaný cytokineze, je u živočišných buněk zprostředkován kontraktilním prstencem. Tento prstenec, tvořený aktinovými a myosinovými filamenty, se vytvoří v ekvatoriální rovině buňky a postupně se stahuje, čímž zaškrtí buňku a rozdělí ji na dvě.
🚚 Intracelulární transport
Aktinová filamenta slouží jako "kolejnice" pro transport organel, vezikul a dalších molekulárních komplexů uvnitř buňky. Tento transport je poháněn motorovými proteiny z rodiny myosinů (např. myosin V), které "kráčejí" po aktinových vláknech a přenášejí svůj náklad na určené místo.
💡 Izotypy a regulace
U obratlovců existuje několik izotypů aktinu, které se liší v několika aminokyselinách a jsou exprimovány v různých typech tkání.
- Alfa-aktin (α-aktin): Nachází se primárně ve svalových buňkách (kosterní, srdeční, hladká svalovina).
- Beta-aktin (β-aktin): Přítomen ve většině nesvalových buněk, podílí se na udržování tvaru a pohybu.
- Gama-aktin (γ-aktin): Vyskytuje se jak v hladké svalovině, tak v nesvalových buňkách.
Dynamika aktinového cytoskeletu je přísně regulována velkým množstvím aktin-vázajících proteinů (ABPs). Tyto proteiny mohou například iniciovat polymeraci (např. Arp2/3 komplex), prodlužovat filamenta (např. forminy), stabilizovat je, štěpit je (např. kofilin) nebo je síťovat do svazků a sítí (např. filamin, fimbrin).
🔬 Pro laiky
Představte si buňku jako malé město. Aktin v tomto městě plní několik rolí najednou:
- Stavební lešení a kostra: Aktinová vlákna tvoří vnitřní kostru buňky (cytoskelet). Udržují její tvar, podobně jako ocelové nosníky drží tvar budovy. Díky nim buňka není jen beztvarý "pytlík", ale může mít specifický tvar, například jako nervová buňka s dlouhými výběžky.
- Dopravní síť: Aktinová vlákna fungují jako systém silnic nebo kolejí. Po těchto kolejích se pohybují "nákladní vozy" (motorové proteiny, jako je myosin), které převážejí důležité náklady, například buněčné součásti nebo chemické látky, z jednoho místa na druhé.
- Svaly buňky: Ve svalech jsou aktinová vlákna jako lana, za která tahají "motory" (myosin). Když se tisíce těchto motorů současně zapojí a potáhnou za lana, celý sval se zkrátí – dojde ke svalovému stahu. Podobný princip buňka používá i k vlastnímu pohybu nebo při dělení, kdy se pomocí aktinového "pásku" zaškrtí a rozdělí na dvě.
Stručně řečeno, aktin je univerzální buněčný nástroj, který buňce umožňuje držet tvar, hýbat se, přepravovat materiál a dělit se.
☠️ Toxiny ovlivňující aktin
Některé přírodní toxiny specificky cílí na aktinový cytoskelet, což z nich činí cenné nástroje pro buněčnou biologii, ale také nebezpečné jedy.
- Faloidin: Jed z muchomůrky zelené (Amanita phalloides). Váže se na F-aktin a stabilizuje ho, čímž brání jeho depolymeraci. To naruší dynamiku cytoskeletu a vede k zástavě buněčných procesů. Ve výzkumu se používá značený faloidin k vizualizaci aktinových filament pod mikroskopem.
- Cytochalasiny: Produkty plísní. Váží se na plus (+) konec aktinových filament a blokují jejich další polymeraci. To vede k rozpadu aktinové sítě.
- Latrunculin: Toxin z mořské houby. Váže se na monomery G-aktinu a brání jim v polymeraci, což vede k rychlé depolymeraci existujících filament.