結構生物化學/蛋白質功能/肌動蛋白
肌動蛋白是真核細胞中最豐富的蛋白質。它是微絲（肌動蛋白絲）的單體單位。球狀肌動蛋白通常稱為 G-肌動蛋白。它包含一個核苷酸結合位點，可以結合 ATP 或 ADP。肌動蛋白的構象取決於核苷酸結合位點中的 ATP 或 ADP。肌動蛋白絲通常稱為 F-肌動蛋白。它是肌動蛋白的扭曲螺旋鏈，肌動蛋白單體在肌動蛋白絲的同一方向上定向。它具有極性，在其結構中包含不同的末端。一端稱為有刺端 (+)，另一端稱為尖端 (-)。它們被稱為肌球蛋白 S1 片段結合到其上的外觀。肌動蛋白在每 2.7 奈米處有一個肌球蛋白結合位點。肌動蛋白絲以線性絲的形式存在，也形成結構網路，這在肌肉收縮、細胞運動、細胞訊號傳導、胞質分裂和細胞分裂中起主要作用。
透過 X 射線晶體學觀察了肌動蛋白單體的原子解析度結構，科學家已經確定了肌動蛋白作為絲的結構。當肌動蛋白單體 (G-肌動蛋白) 結合在一起時，它們會形成肌動蛋白絲 (F-肌動蛋白)，它具有螺旋結構。每個單體在螺旋軸周圍旋轉 166 度，距離為 27.5pm。每個肌動蛋白單體沿螺旋結構 (F-肌動蛋白) 朝同一方向定向，從而構成結構的極性特徵。螺旋結構的一端稱為“有刺端”(+)，另一端稱為“尖端”(-)。肌動蛋白絲是自組裝的，肌動蛋白單體以非常結構化的極性螺旋形式聚合在一起。由於形成肌動蛋白絲的前兩個或三個單體的聚集非常不利，因此需要專門的蛋白質複合物，例如 Arp2/3，才能在細胞中作為肌動蛋白組裝的核。一旦存在第一個絲核，亞基的新增就更有利了。
骨骼肌纖維只有在受到刺激時才會移動。否則在休息時，結合位點會被阻斷。肌動蛋白包含兩種型別的調節蛋白，它們調節結合位點。第一種是肌球蛋白，一種沿肌動蛋白排列並覆蓋結合位點的蛋白質鏈。肌鈣蛋白 C 附著在肌球蛋白上，並指導肌球蛋白在肌動蛋白上的位置。一旦肌鈣蛋白 C 結合到鈣，它就會拉動肌球蛋白以解開結合位點。暴露的結合位點允許肌球蛋白結合到肌動蛋白。一旦肌球蛋白結合到肌動蛋白，它就會形成一個“橫橋”，稱為強直複合體。
肌動蛋白-ATP 可以聚合成肌動蛋白絲。它比肌動蛋白-ADP 更容易聚合，因為肌動蛋白聚合發生在肌動蛋白中結合的 ATP 水解成 ADP 時。
三個成核劑
肌動蛋白絲是自發組裝的，但福爾明可以幫助形成。福爾明結合到肌動蛋白絲的有刺端 (+) 上，肌動蛋白單體可以新增到它上面，直到一個正端封端蛋白結合到有刺端。這種機制穩定了聚合，並因此由於其 FH2 結構域而產生了線性的非分支絲。
分支肌動蛋白網路可以從與 Arp2/3 複合物的聚合中形成。Arp2/3 複合體是一種七亞基蛋白，包括兩個肌動蛋白相關蛋白 Arp2 和 Arp3，以及五個其他較小的蛋白。Arp2/3 複合體的成核與啟用劑（如 WASp）相關，可以啟動肌動蛋白聚合。它結合到肌動蛋白絲的側面，併成核以在 70° 角處啟動新的 Y 形絲分支的生長。在這種形成中，兩個亞基 Arp2 和 Arp3 的結構類似於肌動蛋白。然後這兩個亞基透過啟用劑的結合而被觸發，模擬絲的有刺端。
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Arp23 側分支模型
螺旋形產生非分支肌動蛋白絲，它具有 WH2 結構域，每個結構域都結合到一個肌動蛋白單體以完成成核。與螺旋形相關的機制與福爾明和 Arp2/3 複合物的機制完全不同。透過將肌動蛋白單體組織成預成核複合物，螺旋形為成絲形成製作模板。
詳細考慮聚合反應。假設一個具有 n 個亞基 An 的肌動蛋白絲。該絲可以結合一個額外的肌動蛋白單體 A，形成 An+1。給定方程如下
Kd=[An]*[A]/[An+1]]
Kd 是解離常數，它定義了長度為 n+1 的聚合物的濃度等於長度為 n 的聚合物的濃度。因此，聚合反應將繼續進行，直到單體濃度降低到 Kd 的值。
肌動蛋白的一些主要作用包括：(1) 作為細胞骨架的結構組成和支撐。
(2) 分裂和產生細胞，以使細胞能夠自發地和主動地移動。
(3) 在肌肉收縮過程中為肌球蛋白提供支援框架。
(4) 作為非肌細胞中貨物轉運肌球蛋白的軌道。
β- 和 γ- 肌動蛋白
哺乳動物細胞骨架蛋白 β- 和 γ- 肌動蛋白具有非常相似的氨基酸序列，但它們在細胞中具有顯著不同的功能。β- 肌動蛋白部分負責透過推動細胞向前移動而使細胞具有移動性，而 γ- 肌動蛋白促進細胞粘附。當新增精氨酸時，β- 肌動蛋白的蛋白質結構會發生變化，而 γ- 肌動蛋白的結構不會發生變化。科學家一直在努力從它們的形態和功能上區分這兩種蛋白質。他們發現，γ- 肌動蛋白的緩慢翻譯會導致細胞中蛋白酶體的快速降解，因為精氨醯化和泛素化都是允許的。泛素化是一種蛋白質翻譯後修飾 (PTM) 過程，導致蛋白質被標記，以便它們被送到蛋白酶體中被破壞。另一方面，β- 肌動蛋白的快速翻譯只允許精氨醯化並穩定蛋白質。γ- 肌動蛋白比 β- 肌動蛋白不穩定，這是因為它的基因中出現了許多密碼子，從而降低了翻譯速度。β- 肌動蛋白使用不同的密碼子來編碼相同的氨基酸。賴氨酸是 β- 肌動蛋白和 γ- 肌動蛋白中發現的一種重要氨基酸。研究人員發現，透過實驗減慢翻譯速度，透過將賴氨酸暴露於泛素來允許泛素化過程，並導致 γ- 肌動蛋白的快速降解。
肌動球蛋白的動力衝程透過三個事件連結在一起，這導致 ATP 水解產物（無機磷酸鹽和 ADP）的釋放：肌球蛋白頭部結合到肌動蛋白，頭部結構發生變化導致強烈的肌動球蛋白相互作用，以及槓桿的擺動。ATP 水解相關的酶促力生成的研究很難進行，因為有效的力生成需要在肌球蛋白結合到肌動蛋白時發生動力衝程。這個過程只有在肌球蛋白處於低肌動蛋白親和力狀態時才能開始，因此觀察到這種現象相當罕見。
肌球蛋白有三個不同的部分，一個運動域、一個槓桿和一個尾部區域。運動域是在肌動球蛋白動力衝程期間擺動槓桿的部分，它有三個主要部分：核苷酸口袋、肌動蛋白結合區和中繼區。三個環：P 環、開關 1 和開關 2 附著在核苷酸口袋上，並面向肌動蛋白結合區和中繼區。在肌動蛋白結合區的下部開始與肌動蛋白的弱相互作用，然後當裂隙閉合時，肌動蛋白結合區的上部摺疊到肌動蛋白上，產生更強的結合相互作用。中繼區解釋現在摺疊的肌動蛋白結合區的構象，並將槓桿從預先準備的“向上”位置擺動到向下，槓桿移動的距離決定了動力衝程的大小。
動力學阻斷了肌動蛋白分離狀態下的“無效”槓桿擺動，這會導致 ATP 浪費迴圈。ATP 在向下槓桿狀態和向上槓桿狀態之間快速構象平衡（也稱為恢復步驟）之後迅速結合到肌球蛋白；之後是 ATP 的水解。ATP 只能被處於向上槓桿狀態的肌球蛋白水解。當肌球蛋白結合到 ADP 和 P 時，它會導致更弱的相互作用，而 P 的釋放會降低複合物的穩定性，並且在沒有肌動蛋白的情況下是速率限制步驟；這與之前認為的速率限制步驟相矛盾：無機磷酸鹽的釋放。無機磷酸鹽的釋放只能在向下槓桿狀態下進行。在沒有肌動蛋白的情況下，肌球蛋白主要處於 ADP 和 Pi 結合的向上狀態。
在過去的幾十年中，透過結晶過程鑑定出了許多肌球蛋白構象，這使我們瞭解了動力衝程期間肌動蛋白結合區域和槓桿區域之間的變構通訊途徑。實驗表明，肌球蛋白酶促步驟（包括核苷酸結合、ADP釋放和構象變化）的能量勢壘直接取決於槓桿的作用，這意味著槓桿在動力衝程期間控制著肌球蛋白複合物中的能量。
肌動蛋白親和力由活性位點的核苷酸含量變構決定。已發現肌球蛋白的無核苷酸和結合ADP的形式強烈結合肌動蛋白，但在γ-磷酸位點被ATP或ADP-Pi佔據的複合物中，則發現肌動蛋白親和力較弱。這是由於肌動蛋白結合區域和核苷酸口袋之間的變構耦合，而核苷酸口袋位於運動域的更遠區域。肌動蛋白親和力由肌動蛋白結合區域的構象決定。親和力主要取決於核苷酸口袋的開關1環的平衡，該環可以具有開放或關閉的構象。肌動蛋白-肌球蛋白動力衝程由低肌動蛋白親和力的肌球蛋白啟動。
有效的動力衝程源於肌動蛋白誘導的槓桿擺動加速途徑。結合ADP-Pi的肌球蛋白的槓桿擺動被肌動蛋白加速了兩個數量級以上。因此，儘管動力衝程從弱肌動蛋白親和力或ADP-Pi狀態開始，但肌動蛋白啟用是有效動力衝程的關鍵部分。反應通量被帶入動力衝程引起的槓桿擺動相關的動力學途徑。然後，反應通量在無用槓桿擺動被動力學阻斷後被帶向肌動蛋白附著。然而，這在熱力學上並不有利，但這種非平衡狀態是必要的，因為這種途徑具有更高的自由能。這被稱為動力學途徑選擇，它被用來迫使反應透過更有效的途徑，而不是熱力學穩定的無用途徑。
另一種有效的動力衝程途徑也從肌動蛋白與肌動蛋白-肌球蛋白複合物的弱附著開始。但與僅僅發生擺動不同，肌動蛋白結合區域的開啟和關閉是引起槓桿擺動的原因。在另一種方法中，動力衝程可能在肌球蛋白上較低肌動蛋白區域的弱結合之後立即開始。這兩種替代反應途徑都會導致與上述原始途徑相似的反應通量。這表明反應通量也將經歷動力學途徑選擇，科學家最近開始詳細研究這個問題，以確定它在生理功能中的重要性。
參考文獻
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