肌动蛋白：特性，结构，细丝，功能 - 生物学 - 2025

该肌动蛋白是构成微丝胞浆蛋白。在真核生物中，肌动蛋白是最丰富的蛋白质之一。例如，它代表肌肉细胞中总蛋白质的10％（重量）；非肌肉细胞中蛋白质的1％至5％。

这种蛋白质与中间的细丝和微管一起形成细胞骨架，其主要功能是细胞的活动性，细胞形状的维持，细胞分裂以及植物，真菌和动物中细胞器的运动。

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肌动蛋白细胞骨架的同工型具有不同的功能，例如：调节平滑肌活动张力的发展，细胞周期，胚胎发育，组织发育和伤口愈合。

从进化的观点来看，肌动蛋白是高度保守的蛋白质。不同物种中约有90％的序列同源性。在单细胞生物中，单个基因编码肌动蛋白同工型。而在多细胞生物中，不同的基因编码肌动蛋白的多种同工型。

肌动蛋白和肌球蛋白是真核生物进化发展及其多样化的关键结构，因为它们可以在没有鞭毛和纤毛等其他结构的情况下移动。

结构：肌动蛋白丝

肌动蛋白是球状单链多肽蛋白。在肌肉中，肌动蛋白的分子量约为42 KDa。

该蛋白质具有两个结构域。每个域都有两个子域，两个域之间有一个间隔。ATP –镁⁺²结合到裂缝的底部。氨基和羧基末端在子域1处相遇。

肌动蛋白G和肌动蛋白F

肌动蛋白有两种主要形式：肌动蛋白单体，称为G-肌动蛋白；肌动蛋白单体称为肌动蛋白。用电子显微镜观察，肌动蛋白丝具有窄和宽的区域，直径分别为7nm和9nm，并且由由G-肌动蛋白单体组成的丝状聚合物称为F-肌动蛋白。

沿着丝，肌动蛋白单体形成紧密堆积的双螺旋。沿着长丝的重复单元由13个螺旋和28个肌动蛋白单体组成，距离为72 nm。

肌动蛋白丝具有两个末端。一种是由连接ATP – Mg ⁺²的缝隙形成的，该缝隙在细丝的所有肌动蛋白单体中位于同一方向，称为（-）末端；另一端则相反，称为（+）端。因此，肌动蛋白丝据说具有极性。

这些成分通常被称为微丝，因为它们是直径最小的细胞骨架的成分。

我们在哪里可以找到肌动蛋白？

肌动蛋白是真核生物中极为常见的蛋白质。在所有细胞蛋白中，肌动蛋白约占5-10％-取决于细胞类型。例如，在肝脏中，组成它的每个细胞都有近5,10 ^8个肌动蛋白分子。

特点

肌动蛋白的两种形式，单体和长丝，在聚合和解聚之间一直处于动态平衡。通常，此现象具有三个显着特征：

1）肌动蛋白丝是典型的肌肉组织结构和真核细胞的细胞骨架。

2）聚合和解聚是一个动态过程，需要调节。G – ATP – Mg ⁺²肌动蛋白单体的聚合或聚集发生在两端。此过程是否发生取决于环境条件和调节蛋白。

3）组成肌动蛋白细胞骨架的束和网状结构的形成增强了细胞的运动能力。这取决于参与交联形成的蛋白质。

特征

肌肉收缩

骨骼肌的功能和结构单元是肌节，其具有两种类型的细丝：肌动蛋白形成的细丝和肌球蛋白形成的粗丝。两条细丝以精确的几何方式交替排列。它们允许肌肉收缩。

细丝被锚定在称为Z盘的区域，该区域由一个纤维网络组成，在其中发现了CapZ蛋白，肌动蛋白丝的末端（+）被锚定在该纤维网络上。该锚防止（+）端的解聚。

另一方面，原调节蛋白位于肌动蛋白丝的末端（-），并保护它们免于解聚。除肌动蛋白外，细丝还具有原肌球蛋白和肌钙蛋白，它们的功能是控制肌动球蛋白之间的相互作用。

肌肉收缩如何发生？

在肌肉收缩期间，粗细丝会执行枢轴运动，将细细丝拉向肌小节的中间。这会导致粗细纤维滑动。

因此，粗细丝的长度保持恒定，但是两条细丝之间的重叠增加。由于细丝锚固在Z盘上，肌节的长度减少。

您如何停止肌肉收缩？

ATP是细胞的能量货币。因此，它几乎总是存在于活的肌肉组织中。考虑到上述情况，必须有一些机制可以使肌肉松弛并阻止收缩。

两种蛋白，称为原肌球蛋白和肌钙蛋白，在这种现象中起基本作用。这些共同作用以阻断肌球蛋白的结合位点（从而防止其与肌动蛋白的结合）。结果，肌肉松弛。

相反，当动物死亡时，会经历一种被称为“僵尸”的现象。在动物死亡后不久，对this体硬化的负责是阻断了肌球蛋白和肌动蛋白之间的相互作用。

这种现象的后果之一是需要ATP释放两个蛋白质分子。逻辑上，在死组织中没有ATP的可用性，并且这种释放不会发生。

其他类型的机芯

我们描述的相同机制（以后将深入研究运动的潜在机制）并不局限于动物的肌肉收缩。它负责我们在变形虫和某些殖民地霉菌中观察到的变形虫运动。

同样，我们在藻类和陆地植物中观察到的细胞质运动也受类似机制的驱动。

肌动蛋白丝聚合和解聚的调控

平滑肌组织和细胞的收缩产生F-肌动蛋白的增加和G-肌动蛋白的减少，肌动蛋白的聚合过程分为三个阶段：1）成核，一个缓慢的步骤；2）伸长，快速的步骤；3）稳定状态。聚合速率等于解聚速率。

肌动蛋白丝在（+）端比在（-）端增长更快。伸长率与与肌动蛋白丝平衡的肌动蛋白单体浓度成正比，称为临界浓度（Cc）。

（+）端的Cc为0.1 µM，（-）端的Cc为0.8 µM。这意味着聚合（+）端所需的肌动蛋白单体浓度要少8倍。

肌动蛋白的聚合反应主要受胸腺素β4（TB4）调控。该蛋白结合G肌动蛋白并保留它，防止其聚合。而脯氨酸蛋白刺激肌动蛋白聚合。Profilin与肌动蛋白单体结合，通过肌动蛋白-TB4复合物的解离促进（+）端的聚合。

其他因素，例如离子（Na ⁺，K ⁺或Mg ⁺²）的增加，有利于长丝的形成。

肌动蛋白细胞骨架的形成

肌动蛋白细胞骨架的形成需要在肌动蛋白丝之间建立交联。这些键由蛋白质形成，其突出特点是：具有肌动蛋白结合域；许多具有与钙蛋白类似的结构域；并且每种蛋白质都在某种类型的细胞中表达。

在丝状足和应力纤维中，肌动蛋白丝之间的交联是由fascina和filamin产生的。这些蛋白质分别导致肌动蛋白丝平行或具有不同角度。因此，肌动蛋白丝定义了细胞的形状。

肌动蛋白丝数量最多的细胞区域位于质膜附近。该区域称为皮质。取决于细胞的类型，皮质细胞骨架的组织方式不同，并通过结合蛋白与质膜相连。

描述得最好的一些细胞骨架是肌肉细胞，血小板，上皮细胞和红细胞。例如，在肌肉细胞中，肌营养不良蛋白结合蛋白将肌动蛋白丝与膜中的整合糖蛋白复合物结合。该复合物与细胞外基质蛋白结合。

肌动蛋白-肌球蛋白相互作用模型

由Rayment领导的研究人员提出了一个四步模型来解释肌动蛋白和肌球蛋白的相互作用。第一步是将ATP与肌球蛋白的头部结合。这种结合在蛋白质中产生构象变化，将其从细丝中的肌动蛋白释放出来。

然后将ATP水解为ADP，释放出无机磷酸盐。肌球蛋白分子将自身附着于新的肌动蛋白亚基，从而产生高能状态。

无机磷酸盐的释放引起肌球蛋白的改变，返回到初始构象，并且发生了细丝相对于粗丝的运动。这种运动使肌节的两端运动，使它们靠得更近。

最后一步涉及释放ADP。此时，肌球蛋白头是自由的，可以结合到新的ATP分子上。

肌动蛋白聚合驱动细胞运动

爬行运动是细胞运动的一种。这种运动的步骤是：粘合引导轴向基底的投影；对基材的附着力；后退 和脱粘。

前导轴的投影需要蛋白质的参与，蛋白质参与肌动蛋白丝的聚合和解聚。引导轴存在于称为皮层脂质体的细胞皮层中。轴投影步骤为：

-通过细胞外信号激活受体。

-形成活性GTP酶和4，5-双磷酸肌醇（PIP ₂）。

-激活WASp / Scar和Arp2 / 3蛋白，它们与肌动蛋白单体结合形成肌动蛋白丝中的分支。

-肌动蛋白丝在分支的肌球蛋白修饰末端快速生长。膜被向前推动。

-完成外壳蛋白产生的伸长。

-ATP水解与旧丝中的肌动蛋白结合。

-由ADF / cofilin促进的丝的肌动蛋白-ADP解聚。

-由脯氨酸蛋白催化的ADP交换为ATP，生成准备开始拉长分支的G-ATP肌动蛋白。

肌动蛋白相关疾病

肌营养不良症

肌营养不良症是骨骼肌的退行性疾病。它是隐性遗传的，并与X染色体相连，主要影响人群中频率较高的男性（每3,500个男性中就有1个）。这些男人的母亲是杂合无症状的，可能缺乏家族史。

肌肉营养不良有两种形式，杜兴氏和贝克尔，都是由肌营养不良蛋白基因的缺陷引起的。这些缺陷包括删除轴突的删除。

肌营养不良蛋白是一种蛋白质（427 KDa），可在肌动蛋白丝之间形成交联。它在N末端具有肌动蛋白结合结构域，在C末端具有膜结合结构域。在两个结构域之间存在由24个串联重复序列组成的第三个管状结构域。

在肌肉皮质网中，肌营养不良蛋白通过糖蛋白复合物参与肌动蛋白丝与质膜的结合。该复合物还与细胞外基质蛋白结合。

在缺乏功能性肌营养不良蛋白与杜氏肌营养不良症的患者中，皮质细胞骨架不支持质膜。因此，质膜被反复的肌肉收缩的应力破坏。

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