アクチン：特性、構造、フィラメント、機能 - 生物学 - 2025

アクチンは、マイクロフィラメントを形成して細胞質のタンパク質です。真核生物では、アクチンは最も豊富なタンパク質の1つです。たとえば、筋肉細胞の総タンパク質の10重量％を表します。非筋肉細胞のタンパク質の1〜5％。

このタンパク質は、中間フィラメントおよび微小管とともに細胞骨格を形成し、その主な機能は、細胞の移動、細胞形状の維持、細胞分裂、および植物、真菌および動物における細胞小器官の移動です。

出典：Sarcomere.svg：David Richfield（Slashmeユーザー）派生著作：Retama

アクチン細胞骨格のアイソフォームは、次のような異なる機能を持っています。

進化の観点から、アクチンは高度に保存されたタンパク質です。異なる種には約90％の配列相同性があります。単細胞生物では、単一の遺伝子がアクチンアイソフォームをコードしています。一方、多細胞生物では、異なる遺伝子がアクチンの複数のアイソフォームをコードしています。

アクチンはミオシンと一緒になって、真核生物の進化の進化や多様化において重要な構造でした。

構造：アクチンフィラメント

アクチンは球状の単鎖ポリペプチドタンパク質です。筋肉では、アクチンの分子量は約42 KDaです。

このタンパク質には2つのドメインがあります。それぞれに2つのサブドメインがあり、ドメイン間のギャップがあります。ATP – Mg ⁺²は裂け目の底に結合します。アミノ末端とカルボキシル末端はサブドメイン1で合流します。

アクチンGおよびアクチンF

アクチンには2つの主要な形態があります。G-アクチンと呼ばれるアクチンモノマー。F-アクチンと呼ばれるG-アクチンモノマーで構成される繊維状ポリマー電子顕微鏡で観察されたアクチンフィラメントには、それぞれ直径7 nmおよび9 nmの狭い領域と広い領域があります。

フィラメントに沿って、アクチンモノマーは密に詰まった二重らせんを形成します。フィラメントに沿った繰り返し単位は、13のヘリックスと28のアクチンモノマーで構成され、距離は72 nmです。

アクチンフィラメントには両端があります。1つは、（-）端と呼ばれる、フィラメントのすべてのアクチンモノマーの同じ方向にあるATP – Mg ⁺²を結合するギャップによって形成されます。もう一方の端は反対で、（+）端と呼ばれます。したがって、アクチンフィラメントは極性を持っていると言われています。

これらのコンポーネントは、直径が最も小さい細胞骨格のコンポーネントであるため、マイクロフィラメントとしてよく知られています。

アクチンはどこにありますか？

アクチンは真核生物で非常に一般的なタンパク質です。すべての細胞タンパク質の中で、アクチンは細胞の種類によって異なりますが、約5〜10％を占めます。たとえば、肝臓では、それを構成する各細胞にほぼ5,10 ^8個のアクチン分子があります。

特徴

アクチンの2つの形態であるモノマーとフィラメントは、継続的に重合と解重合の間の動的バランスにあります。一般に、この現象には3つの顕著な特徴があります。

1）アクチンフィラメントは、真核細胞の筋肉組織と細胞骨格の典型的な構造です。

2）重合と解重合は規制されている動的なプロセスです。G – ATP – Mg ⁺²アクチンモノマーの重合または凝集が両端で発生する場所。このプロセスが発生するかどうかは、環境の状態と調節タンパク質に依存します。

3）アクチン細胞骨格を構成する束とレチクルの形成は、細胞運動性に強さを与えます。これは、クロスリンクの形成に関与するタンパク質に依存します。

特徴

筋収縮

骨格筋の機能的および構造的単位はサルコメアであり、これには2種類のフィラメントがあります。アクチンによって形成される細いフィラメントとミオシンによって形成される太いフィラメントです。両方のフィラメントは、正確な幾何学的な方法で交互に配置されます。彼らは筋肉の収縮を可能にします。

細いフィラメントは、Zディスクと呼ばれる領域に固定されています。この領域は、CapZタンパク質が検出され、アクチンフィラメントの末端（+）が固定されている繊維のネットワークで構成されています。このアンカーは、（+）末端の解重合を防ぎます。

一方、トロポモデュリンはアクチンフィラメントの末端（-）にあり、解重合から保護します。アクチンに加えて、細いフィラメントは、アクトミオシン相互作用を制御するように機能するトロポミオシンとトロポニンを持っています。

筋肉の収縮はどのように起こりますか？

筋肉の収縮中、太いフィラメントは旋回運動を行い、細いフィラメントを筋節の中央に向かって引っ張ります。これにより、粗い繊維と細い繊維がスリップします。

したがって、太いフィラメントと細いフィラメントの長さは一定のままですが、両方のフィラメント間の重なりが大きくなります。薄いフィラメントがZディスクに固定されているため、サルコメアの長さは短くなります。

どのように筋肉の収縮を止めますか？

ATPはセルのエネルギー通貨です。したがって、ほとんどの場合、生きている筋肉組織で利用できます。上記を考慮すると、筋肉の弛緩と収縮の停止を可能にするメカニズムが必要です。

トロポミオシンとトロポニンと呼ばれる2つのタンパク質は、この現象の基本的な役割を果たします。これらは一緒に働き、ミオシンの結合部位をブロックします（したがって、アクチンへの結合を妨げます）。その結果、筋肉がリラックスします。

逆に、動物が死亡すると、死後硬直と呼ばれる現象が発生します。死骸のこの硬化の原因は、動物の死亡直後のミオシンとアクチンの間の相互作用の遮断です。

この現象の結果の1つは、2つのタンパク質分子を放出するためのATPの必要性です。論理的には、死んだ組織ではATPが利用できず、この放出は起こり得ません。

他のタイプの動き

私たちが説明するのと同じメカニズム（後で、運動の基礎となるメカニズムについて詳しく説明します）は、動物の筋収縮に限定されません。それは私たちがアメーバといくつかの植民地のカビで観察するアメーバ運動に責任があります。

同様に、藻類や陸上植物で観察される細胞質の動きは、同様のメカニズムによって引き起こされます。

アクチンフィラメントの重合と解重合の調節

平滑筋組織と細胞の収縮は、F-アクチンの増加とG-アクチンの減少を引き起こしますアクチンの重合は、3つの段階で発生します。2）伸長、クイックステップ。および3）定常状態。重合速度は解重合速度に等しい。

アクチンフィラメントは、（-）端よりも（+）端で速く成長します。伸び率は、臨界濃度（Cc）と呼ばれる、アクチンフィラメントと平衡状態にあるアクチンモノマーの濃度に比例します。

（+）側のCcは0.1 µM、（-）側のCcは0.8 µMです。これは、（+）末端を重合するために必要なアクチンモノマーの濃度が8分の1であることを意味します。

アクチンの重合は、主にチモシンベータ4（TB4）によって調節されています。このタンパク質はGアクチンと結合して保持し、重合を防ぎます。プロフィリンはアクチン重合を刺激します。プロフィリンはアクチンモノマーに結合し、アクチン-TB4複合体の解離を通じて、（+）末端での重合を促進します。

イオン（Na ⁺、K ⁺またはMg ⁺²）の増加などの他の要因により、フィラメントの形成が促進されます。

アクチン細胞骨格の形成

アクチン細胞骨格の形成には、アクチンフィラメント間の架橋が必要です。これらの結合はタンパク質によって形成され、その卓越した特徴は次のとおりです。それらはアクチン結合ドメインを持っています。多くはカルポニンに相同なドメインを持っています。そして、タンパク質の各タイプは、特定のタイプの細胞で発現されます。

糸状仮足とストレスファイバーでは、アクチンフィラメント間のクロスリンクはファシナとフィラミンによって作られています。これらのタンパク質はそれぞれ、アクチンフィラメントを平行にするか、角度を変えます。したがって、アクチンフィラメントは細胞の形状を定義します。

アクチンフィラメントの数が最も多い細胞の領域は、原形質膜の近くにあります。この領域は皮質と呼ばれます。皮質細胞骨格は、細胞の種類に応じてさまざまな方法で構成され、結合タンパク質を介して原形質膜に接続されています。

最もよく説明されている細胞骨格のいくつかは、筋細胞、血小板、上皮細胞、および赤血球です。たとえば、筋細胞では、ジストロフィン結合タンパク質がアクチンフィラメントを膜内の必須の糖タンパク質複合体に結合します。この複合体は細胞外マトリックスタンパク質に結合します。

アクチン-ミオシン相互作用作用モデル

レイメント率いる研究者たちは、アクチンとミオシンの相互作用を説明するための4段階モデル​​を提案しました。最初のステップは、ミオシンの頭部へのATPの結合で発生します。この結合により、タンパク質に立体構造変化が生じ、小さなフィラメントのアクチンからタンパク質が放出されます。

次に、ATPはADPに加水分解され、無機リン酸塩が放出されます。ミオシン分子は新しいアクチンサブユニットに付着し、高エネルギー状態を生成します。

無機リン酸塩の放出はミオシンの変化を引き起こし、最初のコンフォメーションに戻り、太いフィラメントに対して小さいフィラメントの動きが発生します。この動きは、サルコメアの両端の動きを引き起こし、それらを互いに近づけます。

最後のステップには、ADPのリリースが含まれます。この時点で、ミオシンヘッドは自由で、新しいATP分子に結合できます。

アクチン重合による細胞運動

クロール運動は一種の細胞運動です。このタイプの運動性のステップは次のとおりです。接着リーダー軸の基質への投影。基材への接着​​; 後退; と非粘着。

リーダー軸の投影には、アクチンフィラメントの重合および解重合に関与するタンパク質の関与が必要です。リーダー軸は、層状皮と呼ばれる細胞皮質にあります。軸の投影ステップは次のとおりです。

-細胞外シグナルによる受容体の活性化。

-アクティブなGTPaseと4,5-ビスリン酸ホスホイノシトール（PIP ₂）の形成。

-アクチンモノマーに結合してアクチンフィラメントに分岐を形成するWASp / ScarおよびArp2 / 3タンパク質の活性化。

-ミオシンで装飾された枝の端でのアクチンフィラメントの急速な成長。膜が前方に押し出されます。

-コートタンパク質によって生成された伸長の完了。

-古いフィラメントのアクチンに結合したATPの加水分解。

-ADF /コフィリンによって促進されるフィラメントのアクチン-ADPの解重合。

-プロフィリンが触媒するADPからATPへの交換により、G-ATPアクチンが生成され、枝の伸長が始まります。

アクチン関連疾患

筋ジストロフィー

筋ジストロフィーは、骨格筋の変性疾患です。これは劣性遺伝であり、X染色体に関連しています。これは主に、集団内で高頻度の男性に影響を与えます（男性3,500人に1人）。これらの男性の母親は無症候性のヘテロ接合体であり、家族歴がないかもしれません。

筋ジストロフィーにはデュシェンヌ型とベッカー型の2種類があり、どちらもジストロフィン遺伝子の欠損が原因です。これらの欠陥は、軸索を削除する削除で構成されています。

ジストロフィンは、アクチンフィラメント間のクロスリンクを形成するタンパク質（427 KDa）です。N末端にアクチン結合ドメイン、C末端に膜結合ドメインがあります。両方のドメインの間に、24のタンデムリピートで構成される3番目の管状ドメインがあります。

筋皮質の網状構造では、ジストロフィンは糖タンパク質複合体を介して原形質膜へのアクチンフィラメントの結合に参加します。この複合体は、細胞外マトリックスタンパク質にも結合します。

デュシェンヌ型筋ジストロフィーを伴う機能性ジストロフィンを欠く患者では、皮質細胞骨格は原形質膜をサポートしません。その結果、原形質膜は繰り返される筋肉収縮のストレスによって損傷を受けます。

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