מיקרופילמנט

מיקרופילמנט, הנקרא גם סיב אקטין, הוא סיב חלבון בציטופלזמה של תאים אאוקריוטיים המהווה חלק משלד התא. קוטר סיב האקטין הוא כ-7 ננומטר והוא בנוי משני גדילים הכרוכים אחד סביב השני. כל אחד משני הגדילים המרכיבים את המיקרופילמנט הם פולימרים של חלבון האקטין, אשר יכולים לעבור מודיפיקציה ואינטראקציה על ידי חלבונים רבים אחרים בתא. המיקרופילמנט לוקח חלק במגוון תהליכים בתא כגון ציטוקינזה, תנועה אמבואידית, שינויים בצורת התא, אנדוציטוזה, אקסוציטוזה, והתכווצות התא. כמו כן, המיקרופילמנט מסייע ליציבות המכנית של התא יחד עם מרכיבי שלד התא האחרים. אקטין, החלבון המרכיב את המיקרופילמנטים, התגלה לראשונה בשרירי השלד של ארנב בשנת 1940 על ידי הביוכימאי ברונו פרנץ שטראוב (אנ'). כמעט 20 שנה לאחר מכן היו האקסלי (אנ') הדגים שאקטין חיוני להתכווצות שרירים. המנגנון שבו אקטין יוצר סיבים ארוכים תואר לראשונה ב-1983. מיקרופילמנטים נוצרים על ידי קישור יחידות אקטין. זהו אחד החלבונים התוך תאיים הנפוצים ביותר הנמצאים בתאים אאוקריוטיים. אקטין מופיע בתא באחד משני מבנים עיקריים, כשכל אחד מהם ניתן לחלוקה נוספת. הסוג הראשון הוא פולימר של יחידות אקטין המכונה אקטין סיבי (F – אקטין). מבחינה מבנית, סיבים אלו מופיעים כשני גדילים של תת-יחידות הכרוכות זו בזו בסליל ימני, המסודרות לסירוגין כאשר המרחק בין כל יחידה הוא מחצית האורך של יחידת אקטין או 27.6Å. סיב האקטין מכיל קצה "דוקרני" (Barbed) וקצה "מחודד" (Pointed) שבו נמצאים "חלבון קושר המטרה" ו"שסע קושר נוקלאוטיד" בהתאמה. צורה נוספת בה אקטין מופיע בתא היא אקטין כדורי (G – אקטין), צורה זו נקראת גם אקטין חופשי. מבנה חלבון זה נראה שטוח כאשר הוא מרכיב את סיבי האקטין עקב סיבוב אזור דמוי מספריים במהלך הקישור בסיב. ליחידות האקטין הבודדות ישנו אתר קישור לנוקלאוטיד ATP. מיקרופילמנטים נמצאים במצב רציף של הרכבה ופירוק. קישור של יחידות אקטין כדורי לאקטין סיבי מושפע מנוכחות ממס יוני חזק. כלומר, נוכחות של יונים חד ערכיים או דו ערכיים. בדומה למיקרוטובולים, לחוטי אקטין יש כיווניות מבנית מוגדרת. כאשר הרכבה ופירוק של יחידות האקטין מתרחשות בקצה הדוקרני והמחודד של החוט בהתאמה. הרכבת הסיב בסביבת מעבדה (in vitro) מתחילה בהתגרענות (נוקלאציה), הכוללת הרכבה של שלוש יחידות אקטין ליצירת טרימר המתפקד כגרעין הסיב. בסביבה התאית, חלבונים קושרי אקטין (ABP) כגון קומפלקס ARP2/3 ממלאים תפקיד מרכזי בהתגרענות סיב האקטין. התארכות סיב האקטין מתרחשת על ידי הוספת יחידות אקטין הקשורות ל-ATP בקצה הדוקרני של הסיב, אשר לאחר מכן עוברות הידרוליזה ל-ADP. אקטין סיבי הקשור ל-ADP פחות יציב מאקטין חופשי הקשור ל-ADP, לכן יחידות אקטין מתפרקות מהקצה המחודד של הסיב. תהליך הפירוק מואץ על ידי גורם האקטין-דה-פולימריזציה (ADF), ובני משפחת חלבוני הקופילין. אורך סיב האקטין מבוקר על ידי חלבוני מכסה המונעים הוספת יחידות לסיב וגורמים מאיצי פירוק. ריכוז יחידות האקטין החופשי ממלאות תפקיד בקביעת התארכות ופירוק סיב האקטין. במצב יציב, קצב הוספת יחידות האקטין בקצה הדוקרני של החוט שווה לקצב פירוק היחידות מהקצה המחודד. ריכוז היחידות החופשיות הקיים במצב זה נקרא הריכוז הקריטי (Cc). במצב היציב, סיבי האקטין מציגים תנועה המזכירה תנועת הליכון, כלומר הם מוסיפים ומאבדים יחידות משנה מהקצוות הדוקרניים והמחודדים של החוט בהתאמה. סיבי האקטין בתא מאורגנים במספר צורות שונות, כאגד של סיבים או כרשת סיבית. ארגון הסיבים נקבע על ידי חלבונים המסדרים את הסיבים לצורה הדרושה. חלבונים מצליבים קצרים יובילו ליצירת אגד צפוף של סיבי אקטין. כל הסיבים באגד יהיו בעלי כיווניות זהה. לעומת זאת, חלבונים מצליבים ארוכים וגמישים יובילו ליצירת רשת חופשיה של סיבים המכוונים בצורה בלתי תלויה. אקטין מסוגל לקשור 162 חלבונים נפרדים, ללא הכללת הצורות והצורונים השונים שלהם. לקבוצת חלבונים אלו ניתן השם חלבונים קושרי אקטין (Actin Binding Proteins – ABP). ניתן לחלק את החלבונים קושרי האקטין לשבע קבוצות על פי התפקיד שלהם. חלבונים קושרי יחידות, חלבונים מפרקי סיב, חלבוני קשירת קצה סיב, חלבונים חותכי סיב, חלבונים מצליבים, חלבונים מייצבים וחלבוני מנוע. חלבונים מפרקי סיב (משפחת חלבוני הקופילין): חלבונים קטנים (15–19 קילו דלטון) אלו מבוטאים כמעט בכל היצורים האאוקריוטים ומתקיימים במספר צורונים שונים. תפקידם העיקרי הוא מחזור מהיר של יחידות אקטין מתוך סיבי אקטין. משפחת חלבוני הפרופילין: חלבונים המבצעים תפקידים מגוונים בתאים אאוקריוטיים. תפקידם הבולט ביותר הוא לסייע לתהליכים המאריכים את הקצה הדוקרני של סיב האקטין. הם מבצעים תפקיד זה על ידי עיכוב תהליך ההידרוליזה של ATP הקשור לאקטין. משפחת חלבוני הג'לסולין: משפחת חלבונים מגוונת המבוטאת בכל התאים האאוקריוטים. ישנם שני תפקידים עיקריים אשר משויכים למשפחת חלבונים זו, חיתוך סיב האקטין וסיוע בתהליך ההתגרענות של סיב האקטין. משפחת חלבוני הטימוזין: טימוזין בטא 4 (Tβ4) הוא חלבון קטן (כחמישה קילו דלטון) אשר שייך למשפחה חלבונית שמורה מאוד. חלבונים מהמשפחה בודדו לראשונה מתאי תימוס. Tβ4 מתחרה עם חלבונים ממשפחת הג'לסולין על קשירה לסיבי האקטין. תפקיד מרכזי נוסף של חלבונים אלו הוא הסרת יחידות אקטין בודדות מהסיב ועיכוב של ההידרוליזה של ATP. DNase I: גליקו-חלבון אשר מפרק קשר פוספודיאסטרי בDNA דו גדילי. אקטין התגלה בתור מעכב טבעי ל-DNase I וניתן להשתמש ב-DNase I בכדי למדוד ריכוז אקטין חופשי בתא. כמו DNase I, Tβ4 עשוי לפעול כמייצב של יחידות אקטין על ידי הסרתם ביעילות ממאגר היחידות הזמינות להרכבה. קומפלקס Arp2/3 Arp2 ו-Arp3: חלבונים השייכים למשפחה עם דמיון לרצף ולמבנה של האקטין. שני חלבונים דמויי אקטין אלו, המרכיבים את הקומפלקס Arp2/3, שמורים במגוון רחב של אורגניזמים, משמרים ועד יונקים. התפקיד העיקרי של Arp2/3 הוא ליצור נקודות הסתעפות בסיב האקטין על ידי יצירת נקודות התגרענות על גבי סיבים בדרך כלל בסמוך לממברנות, תהליך זה זקוק לריכוזים גבוהים של ATP. חלבוני "מכסה" Capping: מכיוון שקצב החלפת יחידות האקטין גדול פי 20 בקצה המחודד מאשר בקצה הדוקרני, ישנה סבירות גבוהה ש-ATP שמתווסף לקצה זה יעבור הידרוליזה לפני שתתרחש הוספה נוספת. חלבוני "מכסה" המתחברים בקצוות ה"דוקרניים" של סיב האקטין ישנו את הקינטיקה של החלפת יחידות האקטין בסיב, בהתאם לחוזק הקישור וקצב החילוף שלהם. חלבוני מיוזין: מיוזין (Myosin) הוא חלבון מוטורי, אשר פעילותו דורשת השקעת אנרגיית ATP ומהווה לצד סיבי האקטין חלק ממערך השלד התא. התפקיד העיקרי של חלבון האקטין בתא הוא לייצר שרשראות קוויות של סיבים הנקראות מיקרופילמנטים אשר מבצעות תפקידים מגוונים במבנה התא. תפקידי המיקרופילמנטים כוללים בין היתר שינוע חומרים, תנועה תאית וחלוקת התא. המגוון הרחב של תפקידים אותם מבצעים המיקרופילמנטים תלוי בתכונות השונות של סיב האקטין. ראשית, יצירת סיב האקטין היא הפיכה, ותפקידו בתא לעיתים דורש יצירה ופירוק מהיר של הסיב. שנית, לסיב האקטין ישנה כיווניות מוגדרת. כלומר, שני קצוות הסיב שונים זה מזה ומגדירים את כיוון הסיב. בנוסף לכך סיב האקטין יכול לקשור מגוון רחב של חלבונים שונים אשר מסוגלים לסדר ולהתאים את סיב האקטין למטרות השונות. כיווץ שרירים תהליך שבו סיבי שריר מתקצרים ומייצרים כוח. תהליך זה הכרחי על מנת לאפשר לגוף לזוז, לשמור על יציבה ולבצע מטלות נוספות. על מנת שכיווץ הסיב יתרחש, תאי השריר משתמשים באינטראקציה בין שני סוגי סיבים הנקראים קורים דקים וקורים עבים. הקורים הדקים מורכבים מסיב דו גדילי של אקטין, והקורים העבים מורכבים בעיקר מחלבון מוארך הנקרא מיוזין. במהלך כיווץ השריר, סיבי האקטין נמשכים על ידי סיבי המיוזין לכיוון מרכז הסרקומר, תת-יחידה מחזורית של סיבי השריר. פעולה זו מתבצעת על ידי תנועת חלבוני המיוזין על גבי סיב האקטין, על ידי שימוש באנרגיה שמקורה בהידרוליזה של ATP. חלבוני המיוזין "הולכים" על גבי סיב האקטין ובכך מושכים אותם לכיוון מרכז הסרקומר, כך הסרקומר מתקצר ולכן גם סיב השריר כולו מתכווץ. הנעת התא סיבי האקטין לוקחים חלק במגוון דרכים בהנעת התא, לרבות תנועת תאים במהלך התפתחות האורגניזם, תנועת השוטון והריסונים, ומעבר תאי מערכת החיסון לכיוון מטרתם. אחת הדרכים המרכזיות בהן מעורב אקטין בהנעת התא היא על ידי יצירת מבנים דמויי בליטות באזור המתקדם של התא הנע הנקראים למליפודיה. למליפודיה הן שלוחות דקות ושטוחות של קרום התא המשמשות לחישת סביבת התא ומסייעות לתא לנוע קדימה. חלוקת התא במהלך תהליך חלוקת התא (ציטוקינזה), המיקרופילמנטים ממלאים תפקיד מרכזי בחלוקה הפיזית של תא האם לשני תאי בת חדשים. סיבי האקטין מרכיבים מבנה דמוי טבעת סביב מרכז התא הנקרא טבעת כיווץ אקטומיוזינית (אנ') (Actomyosin Contractile Ring). טבעת הכיווץ משמשת כמחיצת החלוקה של התא, סיבי האקטין מתכווצים סביב התא ומפרידים את הציטופלזמה בצורה פיזית לשני תאי בת חדשים. כיווץ הטבעת נעשה על ידי חלבוני הנעה אשר מושכים את סיב האקטין וגורמים לו להתכווץ סביב קרום התא. מדיה וקבצים בנושא מיקרופילמנט בוויקישיתוף Daniel J. Kelpsch, Tina L. Tootle, Nuclear Actin: From Discovery to Function, The Anatomical Record 301, 2018-11, עמ' 1999–2013 doi: 10.1002/ar.23959 C Frieden, Polymerization of actin: mechanism of the Mg2+-induced process at pH 8 and 20 degrees C., Proceedings of the National Academy of Sciences 80, 1983-11, עמ' 6513–6517 doi: 10.1073/pnas.80.21.6513 T D Pollard, Rate constants for the reactions of ATP- and ADP-actin with the ends of actin filaments., Journal of Cell Biology 103, 1986-12-01, עמ' 2747–2754 doi: 10.1083/jcb.103.6.2747 W. Kabsch, H.G. Mannherz, D. Suck, E. Pai, K.C. Holmes, Atomic structure of the actin:DNASE I complex, dx.doi.org, ‏1992-07-15 H.E. Huxley, Electron microscope studies on the structure of natural and synthetic protein filaments from striated muscle, Journal of Molecular Biology 7, 1963-09, עמ' 281–IN30 doi: 10.1016/s0022-2836(63)80008-x Roberto Dominguez, Kenneth C. Holmes, Actin Structure and Function, Annual Review of Biophysics 40, 2011-06-09, עמ' 169–186 doi: 10.1146/annurev-biophys-042910-155359 Toshiro Oda, Mitsusada Iwasa, Tomoki Aihara, Yuichiro Maéda, Akihiro Narita, The nature of the globular- to fibrous-actin transition, Nature 457, 2009-01-22, עמ' 441–445 doi: 10.1038/nature07685 Michiki Kasai, Sho Asakura, Fumio Oosawa, The cooperative nature of G-F transformation of actin, Biochimica et Biophysica Acta 57, 1962-01, עמ' 22–31 doi: 10.1016/0006-3002(62)91073-9 Alan Weeds, Actin-binding proteins—regulators of cell architecture and motility, Nature 296, 1982-04-01, עמ' 811–816 doi: 10.1038/296811a0 D T Woodrum, S A Rich, T D Pollard, Evidence for biased bidirectional polymerization of actin filaments using heavy meromyosin prepared by an improved method., Journal of Cell Biology 67, 1975-10-01, עמ' 231–237 doi: 10.1083/jcb.67.1.231 Hiroshi KONDO, Shin'ichi ISHIWATA, Uni-Directional Growth of F-Actin, The Journal of Biochemistry 79, 1976-01, עמ' 159–171 doi: 10.1093/oxfordjournals.jbchem.a131043 T. Hayashi, W. Ip, Polymerization polarity of actin, Journal of Mechanochemistry & Cell Motility 3, 1976-03, עמ' 163–169 Edward D. Korn, Marie-France Carlier, Dominique Pantaloni, Actin Polymerization and ATP Hydrolysis, Science 238, 1987-10-30, עמ' 638–644 doi: 10.1126/science.3672117 Steven J. Winder, Kathryn R. Ayscough, Actin-binding proteins, Journal of Cell Science 118, 2005-02-15, עמ' 651–654 doi: 10.1242/jcs.01670 David Sept, J. Andrew McCammon, Thermodynamics and Kinetics of Actin Filament Nucleation, Biophysical Journal 81, 2001-08, עמ' 667–674 doi: 10.1016/s0006-3495(01)75731-1 John Condeelis, How is actin polymerization nucleated in vivo?, Trends in Cell Biology 11, 2001-07, עמ' 288–293 doi: 10.1016/S0962-8924(01)02008-6 C. G. Dos Remedios, D. Chhabra, M. Kekic, I. V. Dedova, M. Tsubakihara, D. A. Berry, N. J. Nosworthy, Actin Binding Proteins: Regulation of Cytoskeletal Microfilaments, Physiological Reviews 83, 2003-04-01, עמ' 433–473 doi: 10.1152/physrev.00026.2002 John A Cooper, Dorothy A Schafer, Control of actin assembly and disassembly at filament ends, Current Opinion in Cell Biology 12, 2000-02, עמ' 97–103 doi: 10.1016/s0955-0674(99)00062-9 Paul Matsudalra, Modular organization of actin crosslinking proteins, Trends in Biochemical Sciences 16, 1991-01, עמ' 87–92 doi: 10.1016/0968-0004(91)90039-x Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter, The Self-Assembly and Dynamic Structure of Cytoskeletal Filaments, Molecular Biology of the Cell. 4th edition, 2002 A. Horowitz, C. B. Menice, R. Laporte, K. G. Morgan, Mechanisms of smooth muscle contraction, Physiological Reviews 76, 1996-10-01, עמ' 967–1003 doi: 10.1152/physrev.1996.76.4.967 H. Lee Sweeney, David W. Hammers, Muscle Contraction, Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 10, 2018-02, עמ' a023200 doi: 10.1101/cshperspect.a023200 Tatyana Svitkina, The Actin Cytoskeleton and Actin-Based Motility, Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 10, 2018-01, עמ' a018267 doi: 10.1101/cshperspect.a018267 Michael Glotzer, Cytokinesis in Metazoa and Fungi, Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 9, 2016-12-22, עמ' a022343 doi: 10.1101/cshperspect.a022343