Aktīna pavedieni jeb mikrofilamenti šūnā

Globulārā aktīna vienība ir kompakta olbaltumviela ar dziļu gropi, kurā ieguļ adenozīna trifosfāta molekula un metāla jons. Kad vienības savienojas, tās sakārtojas tā, ka visas ir vērstas vienā virzienā. Rezultātā rodas divu savērptu ķēžu spirāle, kurai ir skaidri atšķirami gali. Šo īpašību sauc par polaritāti, un tā ir aktīna darbības pamats.

Vienu galu tradicionāli sauc par plus galu vai smaili, otru par mīnus galu vai asti. Pie plus gala vienības pievienojas ievērojami ātrāk nekā pie mīnus gala. Ja vienību koncentrācija citoplazmā ir tāda, ka pievienošanās pie viena gala tieši kompensē atdalīšanos otrā, pavediena garums nemainās, bet vienības tam plūst cauri. Šo parādību sauc par tecēšanu jeb skrejceliņa efektu, un tieši tā rada spēku, kas stumj šūnas priekšējo malu uz priekšu.

Svarīgs papildu mehānisms ir tas, ka pievienotā aktīna vienība lēnām pārvērš savu adenozīna trifosfātu par difosfātu. Tādēļ pavediena jaunākais posms un vecākais posms ķīmiski atšķiras, un šūnas palīgolbaltumvielas šo atšķirību atpazīst. Faktiski pavediens nes sevī laika atzīmi, un šūna zina, kura tā daļa ir jauna un kura veca.

Pats aktīns spēj savienoties un sadalīties, bet tikai lēni un neregulēti. Visu praktisko darbu paveic olbaltumvielas, kas ar aktīnu saistās. Tās nosaka, kur pavediens sāksies, cik garš tas būs, vai tas sazarosies, vai saspiedīsies kūlītī un vai to pārgriezīs.

Sazarošanos vada īpašs olbaltumvielu komplekss, kas piestiprinās pie jau esoša pavediena sāna un sāk jaunu zaru noteiktā leņķī. Tieši šādi veidojas blīvais tīkls šūnas priekšējā malā, kas kustību padara iespējamu. Citā vietā, piemēram, mikrobārkstiņās, pavedieni tiek sakārtoti paralēlos, cieši sasietos saišķos, kas nodrošina stingrumu.

• Profilīns: piegādā jaunas vienības pavediena augošajam galam
• Timozīns: uztur brīvo vienību rezervi, neļaujot tām spontāni savienoties
• Arp2/3 komplekss: rada sazarojumus un veido tīklveida struktūras
• Forminas: veido garus, nesazarotus pavedienus, piemēram, dalīšanās gredzenā
• Kofilīns: sagriež un izjauc vecākus pavediena posmus, atbrīvojot vienības
• Kapes olbaltumvielas: nosedz galu un aptur pavediena augšanu
• Miozīni: pārvietojas gar pavedienu un rada mehānisku spēku

Aktīna uzdevumi mainās atkarībā no šūnas tipa, un vienā un tajā pašā šūnā vienlaikus darbojas vairākas atšķirīgas aktīna struktūras. Zem membrānas guļ plāns, blīvs slānis, ko sauc par šūnas garozu, un tas nosaka šūnas virsmas stingrumu. Kustīgas šūnas priekšējā malā aktīns veido plakanu, plēvei līdzīgu izvirzījumu un tievus, adatveida izaugumus, kas darbojas kā taustekļi.

Epitēlija šūnās aktīns notur šūnu savienojumus. Blakus esošas šūnas savienotas ar joslveida saitēm, kurās aktīna gredzens no vienas šūnas mehāniski saistās ar kaimiņa gredzenu caur membrānas olbaltumvielām. Tieši tāpēc epitēlijs uzvedas kā vienots audums, nevis kā atsevišķu šūnu kopa.

Šūnas dalīšanās beigās aktīns kopā ar miozīnu veido saraujošos gredzenu, kas kā aukla savelk šūnu vidusdaļā, līdz tā pārdalās divās meitšūnās. Šis process nav iespējams, ja aktīna dinamika ir bloķēta, un tieši tāpēc aktīnu ietekmējošas vielas aptur šūnu vairošanos.

Skeleta muskuļa šķiedrā aktīna pavedieni ir sakārtoti ar gandrīz nepatīkami lielu precizitāti. Katrs tievais pavediens ir nostiprināts vienā galā pie tā sauktās Z līnijas, un starp tiem ieguļ biezie miozīna pavedieni. Šo atkārtojošos vienību sauc par sarkomēru, un tieši tās sakārtojums rada svītrotā muskuļa raksturīgo šķērssvītrojumu.

Uz aktīna pavediena guļ divas regulējošas olbaltumvielas: tropomiozīns, kas kā lente nosedz vietas, pie kurām varētu pieķerties miozīns, un troponīns, kas šo lenti tur savā vietā. Kad muskuļšūnā tiek atbrīvoti kalcija joni, tie saistās ar troponīnu, lente pavirzās, atsedzot saistīšanās vietas, un miozīns var sākt darbu.

Pati saraušanās notiek, miozīna galviņām pārmaiņus pieķeroties pie aktīna, pagriežoties un atlaižoties, tādējādi pavelkot tievo pavedienu uz sarkomēra vidu. Svarīgi saprast, ka paši pavedieni nesaīsinās: saīsinās tikai attālums starp tiem, jo tie viens gar otru slīd.

1. Nervu impulss sasniedz muskuļšūnu un izraisa kalcija jonu izdalīšanos
2. Kalcijs saistās ar troponīnu uz aktīna pavediena
3. Tropomiozīns pavirzās un atsedz miozīna saistīšanās vietas
4. Miozīna galviņas pieķeras aktīnam un veic pagriezienu, pavelkot pavedienu
5. Jauna enerģijas molekula atbrīvo galviņu, un cikls atkārtojas
6. Kalcijs tiek atsūknēts atpakaļ, lente atgriežas vietā, un muskulis atslābst

Visbiežāk mikrofilamentus sajauc ar mikrotubulām, jo abi nosaukumi ir līdzīgi un abi pieder šūnas skeletam. Atšķirība ir gan uzbūvē, gan uzdevumā: mikrotubulas ir dobas caurulītes no tubulīna, tās ir daudz resnākas un stingrākas, un pa tām kā pa sliedēm pārvietojas transporta olbaltumvielas. Aktīna pavedieni ir tievi, lokani un veido tīklus.

Otrs pārpratums ir aktīna un miozīna jaukšana. Aktīns ir sliede, miozīns ir dzinējs. Miozīns ir tas, kurš patērē enerģiju un pārvietojas, savukārt aktīns nodrošina virzienu un atbalsta punktu. Trešais pārpratums ir domāt, ka aktīns ir tikai muskuļos. Patiesībā tas ir katrā kodolu saturošā šūnā, arī tādās, kurām nekādas saraušanās funkcijas nav.

Aktīnu nevar redzēt parastā gaismas mikroskopā kā atsevišķu pavedienu, jo tas ir daudz tievāks par gaismas viļņa garumu. Tāpēc to iekrāso ar fluorescējošām vielām, kas specifiski pieķeras tikai savienotajam pavedienam, un mikroskopā parādās spilgts tīkls. Tieši šī metode ir padarījusi aktīna attēlus par vienu no atpazīstamākajiem šūnu bioloģijas tēliem.

Precīzāku uzbūvi nosaka ar elektronmikroskopiju un krioelektronu mikroskopiju, kas ļauj redzēt atsevišķu vienību sakārtojumu spirālē. Dzīvās šūnās aktīna kustību seko, pievienojot tam fluorescējošu olbaltumvielu, un tādā veidā var filmēt, kā šūna pārkārto savu skeletu reālā laikā.

Klīniskajā laboratorijā aktīns parādās citā kontekstā. Gludo muskuļu aktīna antivielas nosaka aknu slimību diagnostikā, jo tās raksturīgas autoimūnam hepatītam. Tas ir viens no retajiem gadījumiem, kad šūnas skeleta olbaltums kļūst par ikdienas asins analīzes rādītāju.

Tā kā aktīns ir iesaistīts gandrīz visā, tā darbības traucējumiem ir ļoti dažādas izpausmes. Iedzimtas aktīna gēna izmaiņas skeleta muskulī izraisa iedzimtas miopātijas, kurās muskulis ir vājš jau no zīdaiņa vecuma un audos redzamas raksturīgas aktīna sakopojumu struktūras. Sirds muskuļa aktīna izmaiņas var izraisīt kardiomiopātiju, bet gludās muskulatūras aktīna izmaiņas saistītas ar lielo artēriju sienas slimībām.

Atsevišķi minams Viskota un Oldriča sindroms, iedzimta slimība, kurā bojāts olbaltums, kas imūnšūnās vada aktīna tīkla veidošanos. Rezultātā imūnšūnas nespēj pareizi pārvietoties un veidot kontaktus, un pacientiem ir imūndeficīts, ekzēma un trombocītu traucējumi.

Vēzī aktīna pārkārtošanās ir tieši saistīta ar audzēja izplatīšanos. Lai audzēja šūna atrautos, izietu cauri audu barjerām un iekļūtu asinsvadā, tai jāizveido aktīna izaugumi un jārada spēks. Tieši tāpēc olbaltumvielas, kas vada aktīna dinamiku, tiek pētītas kā iespējami zāļu mērķi.

Šīs slimības diagnosticē un ārstē dažādi speciālisti: iedzimtas miopātijas neirologs kopā ar ģenētiķi, kardiomiopātijas kardiologs, bet imūndeficītus imunologs. Ja bērnam ilgstoši novēro muskuļu vājumu, atpaliek kustību attīstība vai atkārtojas neparastas infekcijas, tas jārāda ārstam.

Aktīns ir sastopams arī šūnas kodolā, un to ilgu laiku uzskatīja par preparāta piesārņojumu. Tikai vēlāk noskaidrojās, ka kodola aktīns piedalās gēnu nolasīšanā, hromatīna pārkārtošanā un DNS bojājumu labošanā. Kodolā tas pastāv galvenokārt neapvienotā veidā un veido pavedienus tikai īslaicīgi, konkrētu uzdevumu veikšanai, tāpēc to bija tik grūti pamanīt.

Otrs pārsteigums ir tas, cik maz aktīna secība mainījusies evolūcijā. Rauga sēnītes aktīns un cilvēka aktīns atšķiras tikai nedaudzās vietās, lai gan šīs sugas ir šķīrušās pirms milzīgi ilga laika. Iemesls ir tas, ka aktīna virsma gandrīz visā garumā ir „aizņemta": ar to saistās desmitiem dažādu palīgolbaltumvielu, tāpēc gandrīz jebkura izmaiņa kaut ko sabojātu. Tas ir labs piemērs tam, ka olbaltumviela var būt ne tikai svarīga, bet arī ļoti ierobežota savā spējā mainīties.