结构生物化学/蛋白质功能/肌动蛋白

肌动蛋白是真核细胞中最丰富的蛋白质。它是微丝（肌动蛋白丝）的单体单位。球状肌动蛋白通常称为 G-肌动蛋白。它包含一个核苷酸结合位点，可以结合 ATP 或 ADP。肌动蛋白的构象取决于核苷酸结合位点中的 ATP 或 ADP。肌动蛋白丝通常称为 F-肌动蛋白。它是肌动蛋白的扭曲螺旋链，肌动蛋白单体在肌动蛋白丝的同一方向上定向。它具有极性，在其结构中包含不同的末端。一端称为有刺端 (+)，另一端称为尖端 (-)。它们被称为肌球蛋白 S1 片段结合到其上的外观。肌动蛋白在每 2.7 纳米处有一个肌球蛋白结合位点。肌动蛋白丝以线性丝的形式存在，也形成结构网络，这在肌肉收缩、细胞运动、细胞信号传导、胞质分裂和细胞分裂中起主要作用。

通过 X 射线晶体学观察了肌动蛋白单体的原子分辨率结构，科学家已经确定了肌动蛋白作为丝的结构。当肌动蛋白单体 (G-肌动蛋白) 结合在一起时，它们会形成肌动蛋白丝 (F-肌动蛋白)，它具有螺旋结构。每个单体在螺旋轴周围旋转 166 度，距离为 27.5pm。每个肌动蛋白单体沿螺旋结构 (F-肌动蛋白) 朝同一方向定向，从而构成结构的极性特征。螺旋结构的一端称为“有刺端”(+)，另一端称为“尖端”(-)。肌动蛋白丝是自组装的，肌动蛋白单体以非常结构化的极性螺旋形式聚合在一起。由于形成肌动蛋白丝的前两个或三个单体的聚集非常不利，因此需要专门的蛋白质复合物，例如 Arp2/3，才能在细胞中作为肌动蛋白组装的核。一旦存在第一个丝核，亚基的添加就更有利了。

肌动蛋白细丝的调节

骨骼肌纤维只有在受到刺激时才会移动。否则在休息时，结合位点会被阻断。肌动蛋白包含两种类型的调节蛋白，它们调节结合位点。第一种是肌球蛋白，一种沿肌动蛋白排列并覆盖结合位点的蛋白质链。肌钙蛋白 C 附着在肌球蛋白上，并指导肌球蛋白在肌动蛋白上的位置。一旦肌钙蛋白 C 结合到钙，它就会拉动肌球蛋白以解开结合位点。暴露的结合位点允许肌球蛋白结合到肌动蛋白。一旦肌球蛋白结合到肌动蛋白，它就会形成一个“横桥”，称为强直复合体。

文件：Myosin.jpg

聚合

肌动蛋白-ATP 可以聚合成肌动蛋白丝。它比肌动蛋白-ADP 更容易聚合，因为肌动蛋白聚合发生在肌动蛋白中结合的 ATP 水解成 ADP 时。

三个成核剂

福尔明

肌动蛋白丝是自发组装的，但福尔明可以帮助形成。福尔明结合到肌动蛋白丝的有刺端 (+) 上，肌动蛋白单体可以添加到它上面，直到一个正端封端蛋白结合到有刺端。这种机制稳定了聚合，并因此由于其 FH2 结构域而产生了线性的非分支丝。

Arp 2/3 复合体

分支肌动蛋白网络可以从与 Arp2/3 复合物的聚合中形成。Arp2/3 复合体是一种七亚基蛋白，包括两个肌动蛋白相关蛋白 Arp2 和 Arp3，以及五个其他较小的蛋白。Arp2/3 复合体的成核与激活剂（如 WASp）相关，可以启动肌动蛋白聚合。它结合到肌动蛋白丝的侧面，并成核以在 70° 角处启动新的 Y 形丝分支的生长。在这种形成中，两个亚基 Arp2 和 Arp3 的结构类似于肌动蛋白。然后这两个亚基通过激活剂的结合而被触发，模拟丝的有刺端。

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  Arp23 侧分支模型

螺旋形

螺旋形产生非分支肌动蛋白丝，它具有 WH2 结构域，每个结构域都结合到一个肌动蛋白单体以完成成核。与螺旋形相关的机制与福尔明和 Arp2/3 复合物的机制完全不同。通过将肌动蛋白单体组织成预成核复合物，螺旋形为成丝形成制作模板。

详细考虑聚合反应。假设一个具有 n 个亚基 A_n 的肌动蛋白丝。该丝可以结合一个额外的肌动蛋白单体 A，形成 A_n+1。给定方程如下

K_d=[A_n]*[A]/[A_n+1]]

K_d 是解离常数，它定义了长度为 n+1 的聚合物的浓度等于长度为 n 的聚合物的浓度。因此，聚合反应将继续进行，直到单体浓度降低到 K_d 的值。

功能

肌动蛋白的一些主要作用包括：(1) 作为细胞骨架的结构组成和支撑。

(2) 分裂和产生细胞，以使细胞能够自发地和主动地移动。

(3) 在肌肉收缩过程中为肌球蛋白提供支持框架。

(4) 作为非肌细胞中货物转运肌球蛋白的轨道。

β- 和 γ- 肌动蛋白

哺乳动物细胞骨架蛋白 β- 和 γ- 肌动蛋白具有非常相似的氨基酸序列，但它们在细胞中具有显着不同的功能。β- 肌动蛋白部分负责通过推动细胞向前移动而使细胞具有移动性，而 γ- 肌动蛋白促进细胞粘附。当添加精氨酸时，β- 肌动蛋白的蛋白质结构会发生变化，而 γ- 肌动蛋白的结构不会发生变化。科学家一直在努力从它们的形态和功能上区分这两种蛋白质。他们发现，γ- 肌动蛋白的缓慢翻译会导致细胞中蛋白酶体的快速降解，因为精氨酰化和泛素化都是允许的。泛素化是一种蛋白质翻译后修饰 (PTM) 过程，导致蛋白质被标记，以便它们被送到蛋白酶体中被破坏。另一方面，β- 肌动蛋白的快速翻译只允许精氨酰化并稳定蛋白质。γ- 肌动蛋白比 β- 肌动蛋白不稳定，这是因为它的基因中出现了许多密码子，从而降低了翻译速度。β- 肌动蛋白使用不同的密码子来编码相同的氨基酸。赖氨酸是 β- 肌动蛋白和 γ- 肌动蛋白中发现的一种重要氨基酸。研究人员发现，通过实验减慢翻译速度，通过将赖氨酸暴露于泛素来允许泛素化过程，并导致 γ- 肌动蛋白的快速降解。

肌动球蛋白动力冲程途径

肌动球蛋白的动力冲程通过三个事件链接在一起，这导致 ATP 水解产物（无机磷酸盐和 ADP）的释放：肌球蛋白头部结合到肌动蛋白，头部结构发生变化导致强烈的肌动球蛋白相互作用，以及杠杆的摆动。ATP 水解相关的酶促力生成的研究很难进行，因为有效的力生成需要在肌球蛋白结合到肌动蛋白时发生动力冲程。这个过程只有在肌球蛋白处于低肌动蛋白亲和力状态时才能开始，因此观察到这种现象相当罕见。

肌球蛋白有三个不同的部分，一个运动域、一个杠杆和一个尾部区域。运动域是在肌动球蛋白动力冲程期间摆动杠杆的部分，它有三个主要部分：核苷酸口袋、肌动蛋白结合区和中继区。三个环：P 环、开关 1 和开关 2 附着在核苷酸口袋上，并面向肌动蛋白结合区和中继区。在肌动蛋白结合区的下部开始与肌动蛋白的弱相互作用，然后当裂隙闭合时，肌动蛋白结合区的上部折叠到肌动蛋白上，产生更强的结合相互作用。中继区解释现在折叠的肌动蛋白结合区的构象，并将杠杆从预先准备的“向上”位置摆动到向下，杠杆移动的距离决定了动力冲程的大小。

动力学阻断了肌动蛋白分离状态下的“无效”杠杆摆动，这会导致 ATP 浪费循环。ATP 在向下杠杆状态和向上杠杆状态之间快速构象平衡（也称为恢复步骤）之后迅速结合到肌球蛋白；之后是 ATP 的水解。ATP 只能被处于向上杠杆状态的肌球蛋白水解。当肌球蛋白结合到 ADP 和 P 时，它会导致更弱的相互作用，而 P 的释放会降低复合物的稳定性，并且在没有肌动蛋白的情况下是速率限制步骤；这与之前认为的速率限制步骤相矛盾：无机磷酸盐的释放。无机磷酸盐的释放只能在向下杠杆状态下进行。在没有肌动蛋白的情况下，肌球蛋白主要处于 ADP 和 Pi 结合的向上状态。

在过去的几十年中，通过结晶过程鉴定出了许多肌球蛋白构象，这使我们了解了动力冲程期间肌动蛋白结合区域和杠杆区域之间的变构通讯途径。实验表明，肌球蛋白酶促步骤（包括核苷酸结合、ADP释放和构象变化）的能量势垒直接取决于杠杆的作用，这意味着杠杆在动力冲程期间控制着肌球蛋白复合物中的能量。

肌动蛋白亲和力由活性位点的核苷酸含量变构决定。已发现肌球蛋白的无核苷酸和结合ADP的形式强烈结合肌动蛋白，但在γ-磷酸位点被ATP或ADP-Pi占据的复合物中，则发现肌动蛋白亲和力较弱。这是由于肌动蛋白结合区域和核苷酸口袋之间的变构耦合，而核苷酸口袋位于运动域的更远区域。肌动蛋白亲和力由肌动蛋白结合区域的构象决定。亲和力主要取决于核苷酸口袋的开关1环的平衡，该环可以具有开放或关闭的构象。肌动蛋白-肌球蛋白动力冲程由低肌动蛋白亲和力的肌球蛋白启动。

有效的动力冲程源于肌动蛋白诱导的杠杆摆动加速途径。结合ADP-Pi的肌球蛋白的杠杆摆动被肌动蛋白加速了两个数量级以上。因此，尽管动力冲程从弱肌动蛋白亲和力或ADP-Pi状态开始，但肌动蛋白激活是有效动力冲程的关键部分。反应通量被带入动力冲程引起的杠杆摆动相关的动力学途径。然后，反应通量在无用杠杆摆动被动力学阻断后被带向肌动蛋白附着。然而，这在热力学上并不有利，但这种非平衡状态是必要的，因为这种途径具有更高的自由能。这被称为动力学途径选择，它被用来迫使反应通过更有效的途径，而不是热力学稳定的无用途径。

另一种有效的动力冲程途径也从肌动蛋白与肌动蛋白-肌球蛋白复合物的弱附着开始。但与仅仅发生摆动不同，肌动蛋白结合区域的打开和关闭是引起杠杆摆动的原因。在另一种方法中，动力冲程可能在肌球蛋白上较低肌动蛋白区域的弱结合之后立即开始。这两种替代反应途径都会导致与上述原始途径相似的反应通量。这表明反应通量也将经历动力学途径选择，科学家最近开始详细研究这个问题，以确定它在生理功能中的重要性。

参考文献

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