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肌动蛋白

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肌动蛋白
Actin
G-肌动蛋白：ADP与钙离子（绿色球）组成的复合物结合到肌动蛋白的活性位点 (用其他颜色显示)上[1]
鉴定
标志Actin
PfamPF00022（旧版）
InterPro（英语：InterPro）IPR004000
PROSITE（英语：PROSITE）PDOC00340
SCOP（英语：Structural Classification of Proteins）2btf / SUPFAM

肌动蛋白（英语：Actin）是一类分子量大约在42,000的球状蛋白质。除了已经知道的线虫类精子细胞之外，在所有的真核细胞当中均发现有该蛋白质，浓度约在100μM以上，其质量约为42kDa，直径为4至7nm。

肌动蛋白是生物体中微丝的两个单体亚基之一，而微丝则是细胞骨架三大组成结构之一，肌动蛋白还构成了肌细胞中具有收缩功能的组织。所以，肌动蛋白对于细胞活动起到很大的作用，比如肌肉的收缩，细胞的转移、分裂和原质的流动、囊泡和胞器的运动、细胞间信息的传递、细胞的形状和连结的建立和维持等等。

肌动蛋白可以作为称为G-肌动蛋白 （球状）的游离单体存在，或作为称为F-肌动蛋白（丝状）的线性聚合物微丝的一部分存在，这两者对于细胞的移动和收缩等重要的细胞功能是必不可少的。

有许多疾病是由调控肌动蛋白基因表达活性的蛋白及其相关蛋白的等位基因突变引起的。肌动蛋白基因表达也是一些病原微生物感染过程中的关键因素。一些肌动蛋白调孔蛋白的突变会导致肌肉性肌病（英语：Myopathy），包括心脏大小与功能的变化以及耳聋等。细胞骨架的组装也与细胞内细菌与病毒的致病性有关，特别是在逃避免疫系统作用有关的过程中[2]。

发现和早期调查

诺贝尔奖获奖生理学家阿尔伯特·圣捷尔吉，与施特劳乌布·费伦茨·布鲁诺合作发现肌动蛋白。
F-肌动蛋白

肌动蛋白首先在1887年由威廉·哈里伯顿(W.D. Halliburton)实验观察，他从肌肉中提取了一种“凝固”肌凝蛋白制剂的蛋白质，他称之为“肌凝蛋白-酵素”[3]。然而，哈里伯顿无法进一步完善他的研究结果，而肌动蛋白的发现则归功于施特劳乌布·费伦茨·布鲁诺(Brunó Ferenc Straub)，他是一名年轻的生物化学家，在匈牙利的塞格德大学医学化学研究所的阿尔伯特·圣捷尔吉(Albert Szent-Györgyi)实验室工作。

1942年，施特劳乌布开发出一种新技术，用于提取肌肉蛋白，使其能够分离出大量相对纯净的肌动蛋白。 施特劳乌布的方法与今天的实验室使用的方法基本相同。 阿尔伯特·圣捷尔吉之前曾将慢肌提取产生的更为粘稠的肌球蛋白描述为“激活的”肌球蛋白，并且由于施特劳乌布的蛋白质产生了激活作用，因此它被称为肌动蛋白。将三磷酸腺苷(ATP)添加到两种蛋白质的混合物（称为肌动蛋白）中会导致粘度降低。

第二次世界大战的敌对行动意味着阿尔伯特·圣捷尔吉和施特劳乌布无法在西方科学期刊上发表这些作品。因此，肌动蛋白在1945年才在西方成名，当时他们的论文作为"Scandavica Acta Physiologica"期刊的补充出版[4]。 施特劳乌布继续研究肌动蛋白，并在1950年报道肌动蛋白含有结合的三磷酸腺苷(ATP) [5]，并且在蛋白质聚合成微丝的过程中，核苷酸被水解成二磷酸腺苷(ADP)和无机磷酸盐（其仍然与微丝结合）。 施特劳乌布认为ATP结合肌动蛋白向ADP结合肌动蛋白的转化在肌肉收缩中发挥作用。事实上，这只适用于平滑肌，直到2001年才通过实验得到支持[5][6]。

肌动蛋白的氨基酸测序由M. Elzinga及其同事于1973年完成[7]。 G-actin的晶体结构由Kabsch及其同事在1990年解决[8]。在同一年，Holmes及其同事在使用与不同蛋白质共结晶的实验后提出了F-肌动蛋白的模型[9] 。在接下来的几年中，重复使用与不同蛋白质共结晶的程序，直到2001年，分离的蛋白质与ADP一起结晶。然而，仍然没有F-肌动蛋白的高分辨率X射线结构。由于使用通过阻断半胱氨酸cys-374阻碍聚合的罗丹明结合物，F-肌动蛋白的结晶是可能的[1]。 Christine Oriol-Audit在肌动蛋白首次结晶的同一年去世，但她是1977年在没有肌动蛋白结合蛋白（ABPs）的情况下首次结晶肌动蛋白的研究员。然而，由此产生的晶体对于当时可用的技术来说太小了[10]。

尽管目前还没有肌动蛋白丝状形式的高分辨率模型，但是在2008年，Sawaya的团队能够基于多种肌动蛋白二聚体晶体在不同的地方产生更精确的结构模型[11]。 此模型随后由Sawaya和Lorenz进一步完善。 其他方法，例如使用低温电子显微镜和同步辐射，最近允许提高分辨率和更好地理解与肌动蛋白丝形成有关的相互作用和构象变化的性质[12][13][14]。

结构

在生物分子演化当中，肌动蛋白是高度保守的蛋白质分子之一，从藻类到人类细胞肌动蛋白只有不到20%的变化。[15] [16]因此，它被认为具有优化的结构[15]。 它有两个显着特征：它是一种能够缓慢水解ATP的酶，这是生物过程的“通用能量货币”。 但是，ATP是必需的，以保持其结构完整性。 其高效的结构由几乎独特的折叠过程形成。此外，它能够比任何其他蛋白质进行更多的相互作用，这使得它在几乎所有细胞生命水平上都能比其他蛋白质发挥更广泛的功能[15]。 肌凝蛋白是与肌动蛋白结合的蛋白质的一个例子。 另一个例子是绒毛蛋白（英语：Villin），它可以根据周围培养基中钙阳离子的浓度将肌动蛋白编织成束或切割长丝[17]。

肌动蛋白是在真核生物中最丰富的蛋白质之一，在整个细胞质中都可以找到它[17] 。 事实上，在肌肉纤维中，它占细胞总蛋白质的20％，在其他细胞中占1％-5％。然而，不仅有一种肌动蛋白，编码肌动蛋白的基因被定义为基因家族（植物中含有超过60种元素的家族，包括基因和假基因，在人类中超过30种元素）[15][18]。这意味着每个个体的遗传信息包含产生具有略微不同功能的肌动蛋白的变体（称为同种型）的指令。 反过来，这意味着真核生物表现不同的基因，这些基因产生：α-肌动蛋白，存在于收缩结构中; β-肌动蛋白，发现于细胞的扩展边缘，使用其细胞结构的投射作为其移动手段; 和γ-肌动蛋白，存在于应力纤维（英语：Stress fiber）的细丝中[19]。除了生物体异构体之间存在的相似性之外，甚至在不同真核生物结构域中包含的生物之间也存在结构和功能的进化保守性：在细菌中已经鉴定了肌动蛋白同源物MreB，其是能够聚合的蛋白质[15][13]。 和古菌中的同源物Ta0583甚至更类似于真核生物的肌动蛋白[20]。

参见

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 PDB 1J6Z; Otterbein LR, Graceffa P, Dominguez R. The crystal structure of uncomplexed actin in the ADP state. Science. July 2001, 293 (5530): 708–11. PMID 11474115. doi:10.1126/science.1059700.  引用错误：带有name属性“Otterbein_2001”的<ref>标签用不同内容定义了多次
  2. ^ Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Chapter 16: The cytoskeleton. Molecular biology of the cell. New York: Garland Science. 2002: 907–982. ISBN 0-8153-3218-1. 
  3. ^ Halliburton WD. On Muscle-Plasma. The Journal of Physiology. Aug 1887, 8 (3–4): 133–202. PMC 1485127 可免费查阅. PMID 16991477. doi:10.1113/jphysiol.1887.sp000252. 
  4. ^ Szent-Gyorgyi A. Studies on muscle. Acta Physiol Scandinav. 1945, 9 (Suppl): 25. 
  5. ^ 5.0 5.1 Straub FB, Feuer G. Adenosinetriphosphate. The functional group of actin. 1950. Biochimica et Biophysica Acta. 1989, 1000: 180–95. PMID 2673365. doi:10.1016/0006-3002(50)90052-7. 
  6. ^ Bárány M, Barron JT, Gu L, Bárány K. Exchange of the actin-bound nucleotide in intact arterial smooth muscle. The Journal of Biological Chemistry. Dec 2001, 276 (51): 48398–403. PMID 11602582. doi:10.1074/jbc.M106227200. 
  7. ^ Elzinga M, Collins JH, Kuehl WM, Adelstein RS. Complete amino-acid sequence of actin of rabbit skeletal muscle. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Sep 1973, 70 (9): 2687–91. PMC 427084 可免费查阅. PMID 4517681. doi:10.1073/pnas.70.9.2687. 
  8. ^ Kabsch W, Mannherz HG, Suck D, Pai EF, Holmes KC. Atomic structure of the actin:DNase I complex. Nature. Sep 1990, 347 (6288): 37–44. PMID 2395459. doi:10.1038/347037a0. 
  9. ^ 引用错误：没有为名为Holmes_1990的参考文献提供内容
  10. ^ Oriol C, Dubord C, Landon F. Crystallization of native striated-muscle actin. FEBS Letters. Jan 1977, 73 (1): 89–91. PMID 320040. doi:10.1016/0014-5793(77)80022-7. 
  11. ^ Sawaya MR, Kudryashov DS, Pashkov I, Adisetiyo H, Reisler E, Yeates TO. Multiple crystal structures of actin dimers and their implications for interactions in the actin filament. Acta Crystallographica Section D. Apr 2008, 64 (Pt 4): 454–65. PMC 2631129 可免费查阅. PMID 18391412. doi:10.1107/S0907444908003351. 
  12. ^ Narita A, Takeda S, Yamashita A, Maéda Y. Structural basis of actin filament capping at the barbed-end: a cryo-electron microscopy study. The EMBO Journal. Nov 2006, 25 (23): 5626–33. PMC 1679762 可免费查阅. PMID 17110933. doi:10.1038/sj.emboj.7601395. 
  13. ^ 13.0 13.1 Oda T, Iwasa M, Aihara T, Maéda Y, Narita A. The nature of the globular- to fibrous-actin transition. Nature. Jan 2009, 457 (7228): 441–5. PMID 19158791. doi:10.1038/nature07685. 
  14. ^ von der Ecken J, Müller M, Lehman W, Manstein DJ, Penczek PA, Raunser S. Structure of the F-actin-tropomyosin complex. Nature. May 2015, 519 (7541): 114–7. PMC 4477711 可免费查阅. PMID 25470062. doi:10.1038/nature14033. 
  15. ^ 15.0 15.1 15.2 15.3 15.4 Gunning PW, Ghoshdastider U, Whitaker S, Popp D, Robinson RC. The evolution of compositionally and functionally distinct actin filaments. Journal of Cell Science. 2015, 128 (11): 2009–19. PMID 25788699. doi:10.1242/jcs.165563. 
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  17. ^ 17.0 17.1 引用错误：没有为名为Maillet_2002的参考文献提供内容
  18. ^ Ponte P, Gunning P, Blau H, Kedes L. Human actin genes are single copy for alpha-skeletal and alpha-cardiac actin but multicopy for beta- and gamma-cytoskeletal genes: 3' untranslated regions are isotype specific but are conserved in evolution. Molecular and Cellular Biology. Oct 1983, 3 (10): 1783–91. PMC 370040 可免费查阅. PMID 6646124. doi:10.1128/MCB.3.10.1783. 
  19. ^ Scott MP, Lodish HF, Berk A, Kaiser C, Krieger M, Bretscher A, Ploegh H, Amon A. Molecular Cell Biology. San Francisco: W. H. Freeman. 2012. ISBN 978-1-4292-3413-9. 
  20. ^ Hara F, Yamashiro K, Nemoto N, Ohta Y, Yokobori S, Yasunaga T, Hisanaga S, Yamagishi A. An actin homolog of the archaeon Thermoplasma acidophilum that retains the ancient characteristics of eukaryotic actin. Journal of Bacteriology. Mar 2007, 189 (5): 2039–45. PMC 1855749 可免费查阅. PMID 17189356. doi:10.1128/JB.01454-06. 

外部链接

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