ACTINE: CARACTÉRISTIQUES, STRUCTURE, FILAMENTS, FONCTION - LA BIOLOGIE - 2024

L' actine est une protéine cytosolique qui forme des microfilaments. Chez les eucaryotes, l'actine est l'une des protéines les plus abondantes. Par exemple, il représente 10% en poids de la protéine totale dans les cellules musculaires; et entre 1 et 5% de la protéine dans les cellules non musculaires.

Cette protéine, avec les filaments intermédiaires et les microtubules, forme le cytosquelette, dont la fonction principale est la mobilité de la cellule, le maintien de la forme cellulaire, la division cellulaire et le mouvement des organites chez les plantes, les champignons et les animaux.

Source: Sarcomere.svg: David Richfield (utilisateur de Slashme) travail dérivé: Retama

Les isoformes du cytosquelette d'actine ont différentes fonctions, telles que: la régulation du développement de la tension active dans le muscle lisse, le cycle cellulaire, le développement embryonnaire, le développement tissulaire et la cicatrisation des plaies.

D'un point de vue évolutif, l'actine est une protéine hautement conservée. Il y a environ 90% d'homologie de séquence dans différentes espèces. Dans les organismes unicellulaires, un seul gène code pour une isoforme d'actine. Alors que dans les organismes multicellulaires, différents gènes codent pour plusieurs isoformes d'actine.

L'actine, avec la myosine, étaient des structures cruciales dans l'évolution évolutive des organismes eucaryotes et dans leur diversification, puisqu'elles permettaient le mouvement en l'absence d'autres structures, telles que les flagelles et les cils.

Structure: filaments d'actine

L'actine est une protéine polypeptidique globulaire à chaîne unique. Dans le muscle, l'actine a une masse moléculaire d'environ 42 KDa.

Cette protéine a deux domaines. Chacun a deux sous-domaines et un espace entre les domaines. ATP - Mg ⁺² se lie au fond de la fente. Les extrémités amino et carboxyle se rencontrent au sous-domaine 1.

Actine G et actine F

Il existe deux formes principales d'actine: le monomère d'actine, appelé G-actine; et un polymère filamenteux, constitué de monomères d'actine G, appelé actine F. Les filaments d'actine, observés par microscopie électronique, ont des régions étroites et larges, respectivement de 7 nm et 9 nm de diamètre.

Le long du filament, les monomères d'actine forment une double hélice serrée. Une unité répétitive le long du filament se compose de 13 hélices et de 28 monomères d'actine, et a une distance de 72 nm.

Le filament d'actine a deux extrémités. L'un est formé par l'intervalle qui rejoint ATP - Mg ⁺², qui est situé dans le même sens dans tous les monomères d'actine du filament, appelé extrémité (-); et l'autre extrémité est l'opposé, appelée l'extrémité (+). Par conséquent, on dit que le filament d'actine a une polarité.

Ces composants sont souvent appelés microfilaments, car ils sont les composants du cytosquelette avec le plus petit diamètre.

Où trouve-t-on l'actine?

L'actine est une protéine extrêmement courante dans les organismes eucaryotes. De toutes les protéines cellulaires, l'actine représente environ 5 à 10% - selon le type de cellule. Dans le foie, par exemple, chacune des cellules qui le composent possède près de 5,10 ⁸ molécules d'actine.

caractéristiques

Les deux formes d'actine, monomère et filament, sont en permanence dans un équilibre dynamique entre polymérisation et dépolymérisation. En général, il existe trois caractéristiques saillantes de ce phénomène:

1) Les filaments d'actine sont typiques de la structure du tissu musculaire et du cytosquelette des cellules eucaryotes.

2) La polymérisation et la dépolymérisation sont un processus dynamique régulé. Où la polymérisation ou l'agrégation des monomères d'actine G-ATP-Mg ^{+ 2} se produit aux deux extrémités. La question de savoir si ce processus se produit dépend des conditions de l'environnement et des protéines régulatrices.

3) La formation de faisceaux et de réticules, qui composent le cytosquelette d'actine, renforce la motilité cellulaire. Cela dépend des protéines impliquées dans la formation des réticulations.

Caractéristiques

Contraction musculaire

L'unité fonctionnelle et structurelle du muscle squelettique est le sarcomère, qui a deux types de filaments: les filaments minces, formés par l'actine, et les filaments épais, formés par la myosine. Les deux filaments sont disposés en alternance, de manière géométrique précise. Ils permettent la contraction musculaire.

Les filaments minces sont ancrés dans des régions appelées disques Z. Cette région est constituée d'un réseau de fibres, dans lequel se trouve la protéine CapZ, et auquel les extrémités (+) des filaments d'actine sont ancrées. Cet ancrage empêche la dépolymérisation de l'extrémité (+).

En revanche, la tropomoduline est située aux extrémités (-) des filaments d'actine, et les protège de la dépolymérisation. En plus de l'actine, les filaments minces possèdent de la tropomyosine et de la troponine, qui ont pour fonction de contrôler les interactions d'actomyosine.

Comment se produit la contraction musculaire?

Pendant la contraction musculaire, les filaments épais effectuent des mouvements de pivotement, tirant les filaments minces vers le milieu du sarcomère. Cela fait glisser les fibres grossières et fines.

Ainsi, la longueur des filaments épais et minces reste constante, mais le chevauchement entre les deux filaments augmente. La longueur du sarcomère diminue en raison de l'ancrage des filaments minces aux disques Z.

Comment arrêtez-vous la contraction musculaire?

ATP est la devise énergétique de la cellule. Par conséquent, il est presque toujours disponible dans les tissus musculaires vivants. Compte tenu de ce qui précède, il doit exister des mécanismes permettant la relaxation du muscle et l'arrêt des contractions.

Deux protéines, appelées tropomyosine et troponine, jouent un rôle fondamental dans ce phénomène. Ceux-ci travaillent ensemble pour bloquer les sites de liaison de la myosine (empêchant ainsi sa liaison à l'actine). En conséquence, le muscle se détend.

Inversement, lorsqu'un animal meurt, il subit un phénomène connu sous le nom de rigor mortis. Responsable de ce durcissement de la carcasse est le blocage de l'interaction entre la myosine et l'actine, peu de temps après la mort de l'animal.

L'une des conséquences de ce phénomène est le besoin d'ATP pour la libération des deux molécules protéiques. Logiquement, dans les tissus morts, il n'y a pas de disponibilité d'ATP et cette libération ne peut pas se produire.

Autres types de mouvement

Le même mécanisme que nous décrivons (plus tard nous approfondirons le mécanisme sous-jacent au mouvement) ne se limite pas aux contractions musculaires chez les animaux. Il est responsable des mouvements amiboïdes que l'on observe dans les amibes et dans certaines moisissures coloniales.

De même, le mouvement cytoplasmique que nous observons dans les algues et dans les plantes terrestres est entraîné par des mécanismes similaires.

Régulation de la polymérisation et de la dépolymérisation du filament d'actine

La contraction du tissu musculaire lisse et des cellules produit une augmentation de la F-actine et une diminution de la G-actine. La polymérisation de l'actine se produit en trois étapes: 1) nucléation, une étape lente; 2) l'allongement, une étape rapide; et 3) état d'équilibre. La vitesse de polymérisation est égale à la vitesse de dépolymérisation.

Le filament d'actine croît plus vite à l'extrémité (+) qu'à l'extrémité (-). Le taux d'allongement est proportionnel à la concentration de monomères d'actine en équilibre avec les filaments d'actine, appelée concentration critique (Cc).

La Cc pour l'extrémité (+) est de 0,1 µM et pour l'extrémité (-) est de 0,8 µM. Cela signifie qu'il faut 8 fois moins de concentration de monomères d'actine pour polymériser l'extrémité (+).

La polymérisation de l'actine est principalement régulée par la thymosine beta4 (TB4). Cette protéine lie l'actine G et la retient, l'empêchant de polymériser. Alors que la profiline stimule la polymérisation de l'actine. La profiline se lie aux monomères d'actine, facilitant la polymérisation à l'extrémité (+), par dissociation du complexe actine-TB4.

D'autres facteurs comme l'augmentation des ions (Na ⁺, K ⁺ ou Mg ⁺²) favorisent la formation de filaments.

Formation du cytosquelette d'actine

La formation du cytosquelette d'actine nécessite la réalisation de réticulations entre les filaments d'actine. Ces liaisons sont formées par des protéines dont les caractéristiques remarquables sont: elles possèdent des domaines de liaison à l'actine; beaucoup ont des domaines homologues à la calponine; et chaque type de protéine est exprimé dans un certain type de cellule.

Dans les filopodes et les fibres de stress, les réticulations entre les filaments d'actine sont faites par fascina et filamine. Ces protéines, respectivement, font que les filaments d'actine sont parallèles ou ont des angles différents. Ainsi, les filaments d'actine définissent la forme de la cellule.

La région de la cellule avec le plus grand nombre de filaments d'actine est située près de la membrane plasmique. Cette région s'appelle le cortex. Le cytosquelette cortical est organisé de différentes manières, selon le type de cellule, et est connecté à la membrane plasmique par des protéines de liaison.

Certains des cytosquelettes les mieux décrits sont les cellules musculaires, les plaquettes, les cellules épithéliales et les érythrocytes. Par exemple, dans les cellules musculaires, la protéine de liaison à la dystrophine lie les filaments d'actine à un complexe glycoprotéique intégral dans la membrane. Ce complexe se lie aux protéines de la matrice extracellulaire.

Modèle d'action d'interaction actine-myosine

Les chercheurs dirigés par Rayment ont proposé un modèle en quatre étapes pour expliquer l'interaction de l'actine et de la myosine. La première étape se produit avec la liaison de l'ATP aux têtes de la myosine. Cette liaison génère un changement de conformation dans la protéine, la libérant de l'actine dans le petit filament.

L'ATP est ensuite hydrolysé en ADP, libérant un phosphate inorganique. La molécule de myosine se fixe à une nouvelle sous-unité d'actine, générant un état de haute énergie.

La libération de phosphate inorganique entraîne une modification de la myosine, le retour à la conformation initiale et le mouvement des petits filaments, par rapport aux filaments épais, se produit. Ce mouvement provoque le mouvement des deux extrémités du sarcomère, les rapprochant.

La dernière étape implique la publication de l'ADP. À ce stade, la tête de myosine est libre et peut se lier à une nouvelle molécule d'ATP.

Mouvement cellulaire entraîné par la polymérisation de l'actine

La motilité rampante est un type de motilité cellulaire. Les étapes de ce type de motilité sont: la projection de l'axe d'amorce d'adhésion vers le substrat; adhérence au substrat; rétraction arrière; et la désadhésion.

La projection de l'axe de tête nécessite la participation de protéines, qui participent à la polymérisation et à la dépolymérisation des filaments d'actine. L'axe principal se trouve dans le cortex cellulaire, appelé lamellipode. Les étapes de projection de l'axe sont:

- Activation des récepteurs par signal extracellulaire.

- Formation de GTPases actives et de 4,5-bisphosphate phosphoinositol (PIP ₂).

- Activation des protéines WASp / Scar et Arp2 / 3, qui se lient aux monomères d'actine pour former des ramifications dans les filaments d'actine.

- Croissance rapide des filaments d'actine, à l'extrémité décorée de myosine de la branche. La membrane est poussée vers l'avant.

- Achèvement de l'allongement produit par les protéines d'enveloppe.

- Hydrolyse de l'ATP lié à l'actine dans les filaments plus anciens.

- Dépolymérisation de l'actine-ADP des filaments promue par l'ADF / cofiline.

- Échange d'ADP contre ATP catalysé par la profiline, générant de l'actine G-ATP prête à commencer à allonger les branches.

Maladies liées à l'actine

Distrophie musculaire

La dystrophie musculaire est une maladie dégénérative du muscle squelettique. Il est héréditaire de manière récessive et est lié au chromosome X. Il affecte principalement les hommes avec une fréquence élevée dans la population (un homme sur 3 500). Les mères de ces hommes sont asymptomatiques hétérozygotes et peuvent ne pas avoir d'antécédents familiaux.

Il existe deux formes de dystrophie musculaire, Duchenne et Becker, et toutes deux sont causées par des anomalies du gène de la dystrophine. Ces défauts consistent en des suppressions qui éliminent les axones.

La dystrophine est une protéine (427 KDa) qui forme des liaisons croisées entre les filaments d'actine. Il a un domaine de liaison à l'actine à l'extrémité N-terminale et un domaine de liaison à la membrane à l'extrémité C-terminale. Entre les deux domaines, il y a un troisième domaine tubulaire composé de 24 répétitions en tandem.

Dans le réticulum cortical musculaire, la dystrophine participe à la liaison des filaments d'actine à la membrane plasmique par l'intermédiaire d'un complexe glycoprotéique. Ce complexe se lie également aux protéines de la matrice extracellulaire.

Chez les patients dépourvus de dystrophine fonctionnelle atteints de dystrophie musculaire de Duchenne, le cytosquelette cortical ne supporte pas la membrane plasmique. Par conséquent, la membrane plasmique est endommagée par le stress des contractions musculaires répétées.

Références

1. Devlin, TM 2000. Biochimie. Editorial Reverté, Barcelone.
2. Gunst, SJ et Zhang, W. 2008. Actine dynamique du cytosquelette dans le muscle lisse: un nouveau paradigme pour la régulation de la contraction du muscle lisse. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Biologie cellulaire et moléculaire. Éditorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexique, Sāo Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Principes de biochimie. WH Freeman, New York.
5. Pfaendtner, J., De La Cruz, EM, Voth, G. 2010. Remodelage du filament d'actine par facteur de dépolymérisation d'actine / cofiline. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Motilité cellulaire dictée par l'assemblage et le démontage des filaments d'actine. Cell, 112: 453-465.