Kas ir mikrofilamenti?

Aktīns pastāv divos veidos: kā brīva atsevišķa molekula un kā pavediena sastāvdaļa. Pievienojoties pavedienam, molekula šķeļ tai piesaistīto enerģijas nesēju, un tas maina pavediena īpašības: vecākā daļa kļūst nestabilāka un vieglāk izjūk.

Pavedienam ir divi atšķirīgi gali, ko mikroskopijā tradicionāli sauc par plus un mīnus galu. Pie plus gala molekulas pievienojas ātrāk, pie mīnus gala tās atdalās. Ja abi procesi notiek vienlaikus un vienādā tempā, pavediena garums nemainās, bet pats materiāls pa to virzās, un šo parādību sauc par tecēšanu jeb slīdēšanu uz priekšu.

Šūnā mikrofilamenti reti ir atsevišķi. Tos sasaista šķērsolbaltumvielas gan cieši sakārtotos saišķos, gan irdenos tīklos, un no sakārtojuma veida atkarīgs, vai rezultāts būs stīvs izaugums vai elastīgs gēls zem membrānas.

Vistiešāk redzamā funkcija ir šūnas garozas veidošana. Tieši zem membrānas atrodas blīvs aktīna tīkls, kas nosaka šūnas stingrību un formu, notur membrānas olbaltumvielas vietā un pretojas iekšējam spiedienam.

Otra funkcija ir kustība. Šūna pārvietojas, izstiepjot priekšā plānu plātnīti vai tievus izaugumus, tos piestiprinot pie pamatnes un pēc tam pievelkot pārējo ķermeni. Visi šie soļi balstās uz aktīna pavedienu veidošanos noteiktā vietā un noteiktā laikā.

Trešā funkcija ir dalīšanās nobeigums. Kad kodola materiāls jau sadalīts, ap šūnas vidukli saraujas aktīna un miozīna gredzens, kas šūnu it kā pāršņorē divās daļās.

• Šūnas formas uzturēšana un membrānas balstīšana.
• Zarnu un nieru epitēlija bārkstiņu iekšējais karkass.
• Iekšējās auss jutīgo šūnu matiņveida izaugumu skelets.
• Šūnas pārvietošanās brūces dzīšanas un imūnās atbildes laikā.
• Vielu uzņemšana, ieskaitot baktēriju norīšanu fagocitozē.
• Saraušanās gredzens šūnas dalīšanās beigās.
• Tievie pavedieni muskuļa saraušanās aparātā.

Skeleta muskulī aktīna pavedieni ir sakārtoti ļoti regulāri un veido atkārtojošos vienību, ko sauc par sarkomēru. Gar aktīnu vijas tropomiozīns, un uz tā ar noteiktu soli sēž troponīna komplekss, kas darbojas kā slēdzis.

Miera stāvoklī tropomiozīns nosedz vietas, pie kurām miozīns varētu pieķerties. Kad muskuļšūnā ieplūst kalcijs, tas piesaistās troponīnam, kas pagriež tropomiozīnu un atklāj saskares vietas. Miozīna galviņas piestiprinās un veic soli, velkot tievos pavedienus uz sarkomēra vidu.

Tādējādi pavedieni paši nesaīsinās: tie slīd viens gar otru. Šī atziņa ir muskuļa fizioloģijas pamatā un izskaidro, kāpēc muskuļa spēks ir atkarīgs no tā, cik izstiepts tas ir sākuma brīdī.

Aktīna daudzums šūnā ir liels, bet lielākā daļa no tā tiek turēta brīvā stāvoklī, piesaistīta olbaltumvielām, kas neļauj tam spontāni polimerizēties. Tas nozīmē, ka šūnai vienmēr ir gatava rezerve, ko izmantot dažu sekunžu laikā.

Jauna pavediena sākšana prasa atsevišķas olbaltumvielas: vienas veido atzarojumu uz jau esoša pavediena, citas izstiepj taisnas šķiedras no gala. Vēl citas apgriež pavedienus, nosedz galus vai paātrina to izjukšanu.

Visu šo sistēmu no augšas vada signālmolekulas, kas šūnā ieslēdzas pēc ārēja stimula, piemēram, pēc augšanas faktora vai iekaisuma signāla saņemšanas. Tieši šajā vadības ķēdē bieži slēpjas slimību cēloņi.

1. Ārējs signāls sasniedz šūnas virsmas receptoru.
2. Iekššūnas signālmolekulas aktivē aktīna veidošanās regulatorus.
3. Noteiktā vietā sākas jauna pavediena veidošanās vai atzarošanās.
4. Pavedieni izstiepj membrānu uz priekšu, veidojot izaugumu.
5. Izaugums piestiprinās pie pamatnes, un miozīns pievelk pārējo šūnu.
6. Aizmugurē pavedieni tiek sagriezti un izjaukti, materiālu izmantojot no jauna.

Atsevišķa šūna audos nedzīvo viena. Epitēlija šūnas savstarpēji saistās ar īpašiem savienojumiem, kuros membrānas olbaltumvielas no ārpuses saķeras ar kaimiņa šūnu, bet no iekšpuses ir piestiprinātas tieši aktīna pavedieniem. Tādējādi izveidojas nepārtraukts mehānisks tīkls, kas stiepjas cauri visam audam, nevis beidzas pie katras šūnas robežas.

Tieši šis tīkls ļauj zarnu vai elpceļu gļotādai izturēt stiepšanu un vienlaikus palikt hermētiskai. Kad savienojumi tiek atslābināti, palielinās audu caurlaidība, un tas ir viens no iekaisuma mehānismiem.

Aktīna sistēma piedalās arī mehāniskā signāla uztveršanā. Ja šūnu velk vai spiež, mainās pavedienu spraigums, un tas ietekmē gēnu darbību kodolā. Šādi kauls pielāgojas slodzei, asinsvada siena spiedienam un cīpsla treniņam.

Tā kā aktīns ir visur, tā traucējumi neizpaužas kā viena slimība, bet kā dažādu orgānu sistēmu problēmas. Iedzimti muskuļu aktīna gēna defekti izraisa iedzimtas miopātijas ar vājumu jau no zīdaiņa vecuma; sirds muskuļa aktīna izmaiņas saistītas ar noteiktām kardiomiopātijām.

Imūnsistēmā aktīna pārbūves regulatora defekts rada iedzimtu imūndeficītu ar trombocītu un ekzēmas problēmām, jo imūnšūnas nespēj normāli pārvietoties un veidot saskarsmi. Iekšējā ausī matiņveida izaugumu aktīna karkasa un ar to saistīto olbaltumvielu bojājumi izraisa iedzimtu dzirdes zudumu.

Onkoloģijā aktīna pārbūve ir viens no audzēja šūnu iebrukuma mehānismiem: šūnas veido īpašus izaugumus, ar kuriem izšķīdina apkārtējo audu pamatvielu. Diagnostiku un aprūpi šajos gadījumos vada attiecīgās jomas speciālists, biežāk neirologs, imunologs, kardiologs, otorinolaringologs vai onkologs, bet cēloņa noskaidrošanā iesaistās ģenētiķis.

Pamatmetode ir fluorescences mikroskopija. Aktīna pavedienus iekrāso ar vielu, kas pie tiem piesaistās ļoti specifiski, un rezultātā šūnā redzams spilgts pavedienu tīkls. Dzīvās šūnās izmanto fluorescējošas olbaltumvielas, kas ļauj kustību filmēt reālā laikā.

Detaļas atklāj elektronmikroskopija un mūsdienu krioelektronmikroskopija, kas parāda pašas molekulas sakārtojumu pavedienā. Bioķīmiskos pētījumos aktīna veidošanos mēra mēģenē, sekojot līdzi šķīduma īpašību maiņai.

Atsevišķa pieeja ir mērķtiecīga sistēmas bloķēšana ar vielām, kas neļauj pavedieniem veidoties vai, tieši pretēji, neļauj tiem izjukt. Šādi eksperimenti parāda, kura šūnas funkcija no aktīna atkarīga un kura ne.

Visbiežāk tos sajauc ar mikrotubuliem. Nosaukumi ir līdzīgi, bet atšķirības ir principiālas: mikrotubuli ir daudz resnāki, dobi, veidoti no tubulīna un kalpo galvenokārt kā transporta sliedes un dalīšanās vārpsta, kamēr mikrofilamenti ir tievi, pilni un rada spēku.

Otra sajaukšana notiek šūnas izaugumu līmenī. Zarnu bārkstiņas un iekšējās auss matiņveida izaugumi ir uzbūvēti no aktīna un nekustas paši; īstas skropstiņas elpceļos ir uzbūvētas no mikrotubuliem un aktīvi vicinās. Tāpēc elpceļu skropstiņu slimībām un iekšējās auss slimībām ir pilnīgi atšķirīgi mehānismi.

Trešā sajaukšana ir starp mikrofilamentu un miofibrilu. Miofibrila ir muskuļšūnas struktūra, kurā mikrofilamenti ir tikai viena sastāvdaļa līdzās miozīna resnajiem pavedieniem.

Krāsviela, ar kuru laboratorijās visbiežāk parāda aktīna pavedienus, ir iegūta no zaļās mušmires, vienas no indīgākajām sēnēm. Tās toksīns piesaistās aktīna pavedieniem un neļauj tiem izjukt. Laboratorijā tas ir ērts instruments, bet organismā tieši šūnas skeleta un aknu šūnu bojājums ir daļa no saindēšanās mehānisma.

No tā izriet vispārīgāks secinājums: daudzas dabas indes un baktēriju toksīni mērķē tieši uz aktīna sistēmu, jo tā ir vienlaikus dzīvībai nepieciešama un ļoti jutīga. Dažas baktērijas iet vēl tālāk un izmanto saimnieka aktīnu, lai ar to atgrūžoties pārvietotos no šūnas uz šūnu, nemaz nenonākot ārpusē, kur tās sagaidītu imūnsistēma.