アクチン（actin）

すべての真核細胞に存在

その多くでもっとも大量に存在：全タンパク質の5％、脊椎動物の骨格筋細胞では全重量の20％。

筋肉の乾燥粉末をうすい塩溶液で処理するとアクチンフィラメントからアクチンが得られる。

高度に保存されたタンパク質；酵母では１種類だが、哺乳類では少なくとも６種類、α-actin(筋肉)、β,γ-actin（非筋肉細胞）。

ATPが強く結合。

アクチンフィラメント（actin filament）

球状のアクチン分子が径5ｰ9nmの螺旋状ポリマーを形成。

直鎖の束、二次元の網目構造、三次元構造を形成。

微絨毛の芯や筋細胞の収縮装置では安定な構造。

細胞運動においては不安定な構造。

アクチンフィラメントの形成

アクチンモノマー（ 球状アクチン；Gアクチン; G-actin）から、ATP, K⁺, Mg^2＋の存在下、２量体、３量体が形成され、アクチンフィラメント（F-actin）が形成される。

アクチンの重合は可逆的反応。

アクチンフィラメントにも極性がある；＋端はより早く伸長する。

ー端はミオシンとの複合体の形から矢尻端とも呼ばれる。

アクチンの重合に作用する化合物

サイトカラシンB（cytochalasin B）；　カビの代謝毒、＋端に結合して重合を阻害。

ファロイジン（phalloidin）；タマゴテングタケ毒、フィラメントを安定化し、脱重合を阻害、アクチンフィラメントの検出に利用。

アクチンフィラメントの重合

ATPを結合したGアクチン分子は＋端に容易に結合；−端への結合にはより高濃度が必要。

重合により構造変化を生じ、ATPが加水分解；ADPと結合したGアクチンがー端から遊離する。

この結果、トレッドミル（treadmilling）と呼ばれる現象が＋端と−端への重合に必要な臨界濃度の中間の濃度で生じる。

アクチンに結合したADPとATPの交換反応は比較的ゆっくり（分単位）で起る；微小管の交換反応は秒単位。

未重合のアクチン分子は50ｰ200 mM存在；この濃度はアクチンの重合の臨界濃度1 mMより高い

アクチン分子の重合を調節する分子（１）：アクチン単量体結合分子

チモシン（thymosin）：量的にもっともおおい、MW5000、血小板や好中球ではGアクチンの全量に結合できる量が存在する。

プロフィリン（profilin）：すべての細胞に存在し、細胞外の刺激に応答して、アクチンの重合の調節に働く；ADP結合型アクチンに結合して重合を阻害する一方、ADPとATPの交換反応を促進して重合を促進。

　植物のプロフィリンはアレルゲン；20ｰ40％の相同性であるが、機能的に相補、花粉に多い

アクチンの重合を調節する分子（２）：切断タンパク質etc

ゲルゾリン（gelsolin）：Ca²⁺濃度が一時的に上昇すると活性化され、アクチンフィラメントの切断＞＞ゾル化を引き起こす。細胞皮層を局所的に緩め、膜融合を起こす；食作用でのリソゾームとの密着。

アクチン脱重合因子（ADF;actin-depolymerizing factor）：アクチンのフィラメントへの会合を阻害。

アクチンフィラメントの集合によるアクチンの束や網目構造の形成；

束形成タンパク質（bundiling protein）：フィンブリン（fimbrin）　　　　　　 　　 　　α-アクチニン（α-actinin）。

ゲル形成タンパク質（gel forming protein）：フィラミン（filamin）。

スぺクトリン（spectrin）：２本のαｰならびに２本のβｰ鎖からなる四量体。βｰ鎖のN末端にあるアクチン結合ドメインで短いアクチンフィラメントと結合し、細胞膜直下に二次元の網目構造の細胞皮層（cell cortex）を形成

フィンブリン（fimbrin）

微小突起(microspike)や仮足(pseudopodium)に見られる平行な束を形成する。

一分子中に２つの並んだABD(actin binding domain)とCa^２＋結合ドメインをもつ。

同一の方向に10-20 nm間隔のフィラメントの束を形成する。モータータンパク質は入らない。

α-アクチニン（α-actinin）

一分子中に一つのアクチン結合ドメインとaヘリックススペサー領域をもち、二量体を形成して、アクチンフィラメントの束^＊を作る。

束の間隔は30-60 nmであり、II型ミオシン分子（モータータンパク質）が入る。

　＊ストレスファイバーや有糸分裂の際に細胞分割に働く収縮環などのアンチパラレルの方向性を持つ収縮性の束。

　cf. トロポミオシン（tropomyosin）：アクチンフィラメントへの結合により、フィラミンが排除され、αｰアクチニン分子が＋端にのみ結合するようになる。　

フィラミン（filamin）

一分子中に一つのアクチン結合ドメインとβシートからなるスぺーサーならびに二量体を形成するドメインをもつ。

二量体を形成し、交差した２本のアクチンフィラメントを結合；粘度の高い緩い網目、細胞皮層のゲル状網目構造を形成。

小腸上皮細胞における微絨毛(microvilli)の構造

ビリン（villiln）やフィンブリンにより２０ー３０本のアクチンフィラメントが平行に束ねられている。ビリンは微絨毛にのみ見い出される。　cf.ビリンの強勢発現により繊維芽細胞の微絨毛の大幅な伸長と安定化が起こる。

アクチンフィラメントの束は端末巣（terminal web）と呼ばれる密な網目構造に固定されている。＋端は先端方向。端末巣は中間径フィラメントの上に、スぺクトリン分子の密な網目構造がのっている。

細胞膜には、尾部にカルモジュリンを結合したI型ミオシンからなる側腕が固定。

ストレスファイバー（Stress fiber）

αｰアクチニン／アクチンフィラメントとII型ミオシンからなる収縮性の束。

培養繊維芽細胞の細胞骨格の主成分。

ストレスファイバーの一端は細胞膜が外部の基質（マトリックス）と接触するところ（接触点（focal contact, 接触板；adhesion plaque）に食い込んでいる。他の一端は核を取り巻く中間径フィラメントの網目構造か、別の接触点に入り込んでいる。

細胞に加わった張力により形成され、有糸分裂に際してはなくなる（細胞は丸くなる）。

筋ジストロフィー（Muscular dystrophy）

３５００人の男子にひとり発生する重度の筋無力症(Duchenne’s MD)や 3万人に一人発症(Becker’s MD)が知られている。

X-染色体にある劣性の遺伝子dystrophinの変異；PCRによる診断が可能、ただし１／３は新しい変異による。

Dystrophinはspectrinに似た427kDのアクチン結合タンパク質であり、筋肉細胞におけるアクチンフィラメントをマトリックスに固定。

外界からの刺激に対する応答とアクチンフィラメント

アメーバの走化性；cAMPに対する応答。

低分子量GTPaseの関与； Rac; 葉状仮足促進、Rho;ストレスファイバーの形成。　

myosin light chainのリン酸化を介した制御；ミオシンの活性化、ミオシンフィラメントの形成。

動物細胞の移動におけるアクチンの役割のモデル

1) 先導端における葉状仮足、微小突起の突出；アクチンの重合／I型ミオシン？

2) 接触点における付着；移動速度の速い細胞は比較的広い範囲で基質と接触

3) 索引；細胞の前方で生じた運動によって引っ張られる。前部の収縮／皮層の張力？

II型ミオシンがなくても、基質上を移動し、cAMPに対する走化性を示すが、収縮環は形成できない。

ミオシン（myosin）

アクチンフィラメントにより活性化されるATPase。

骨格筋に多い。

I型ミオシン（原始型ミオシン）：頭部は保存されているが、他のドメインは異なる。尾部でアクチンフィラメントや膜に結合。

II型ミオシン：２つの等しい重鎖と各々に結合した一対の軽鎖からなる。

−端から＋端へ、ミオシン頭部が移動。

ミオシンの運動

1) ATPの結合によるミオシンのアクチンからの解離。

2) ATPの加水分解によるミオシン頭部の構造変化>新しい位置へ約5 nmの移動。

3) アクチンへの結合。

4) ADPの遊離とミオシンの構造変化≥アクチンフィラメントの移動。

約5回／秒の運動；15 mm/秒で滑る。

平滑筋*や非筋細胞の収縮

ミオシン軽鎖（MLC）のリン酸化で活性化；アクチン結合部位の露出、ミオシン尾部の伸長が起こり、自己集合により15ｰ20分子よりなる２極性フィラメントが形成される。

約１秒とゆっくり起こる。cf.横紋筋では数msec.

MLCの活性化はCa²⁺/calmodulinで制御されている。骨格筋とは機構は異なるがCa²⁺による調節という点で共通している。

*胃、腸、動脈壁

Ca²⁺による骨格筋の収縮の制御

神経>>筋細胞膜>>T管（横行管）の脱分極、数msec>>筋小胞体（sarcoplasmic reticulum）からのCa²⁺の放出。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　cf　　　 吸収は<30 msec

Ca²⁺によりトロポミオシンとトロポニン複合体の構造変化が引き起こされ、ミオシンがアクチンフィラメントに結合できるようになる；Ca²⁺とトロポニンC（TnC）の結合によりTnIとアクチンの構造が切断され、トロポミオシンの位置がずれ、ミオシンの結合部位が露出。

横紋筋／骨格筋（skeletal muscle）

筋繊維：たくさんの細胞が融合してできた巨大な多核細胞。筋原繊維（myofibril）が細胞質の大部分（DWの2/3）を占める。

筋原繊維はアクチンとミオシン繊維の束から形成され、サルコメア（sarcomeres）と呼ばれる収縮単位が繰り返されている。

Z盤に+端で付着したアクチンフィラメントはサルコメアの中央に伸長。一方中央線（M line）から伸びたミオシンフィラメントと重なりあう。明帯（I band）と暗帯（A band）が形成。

心筋；組み手構造（intercalated discs）によりdesmosome, actin filaments, gap junctionを介して隣り合う細胞を結合

筋肉の収縮

アクチンフィラメント中のアクチン分子はそれぞれ１個のII型ミオシン頭部と結合。

アクチンおよびミオシンフィラメントの極性は中央線の両側で逆向き。

滑り説：収縮は太いミオシンフィラメントと細いアクチンフィラメントの滑りあいによる。

Cf. タイチン（titin）／コネクチン（connectin）；Z盤より中央線に伸び、ミオシンフィラメントをサルコメアの中央に保持。ネブリン（nebulin）; Z盤から伸び、アクチンフィラメントの長さ、重合を調節すると考えられる。

植物とアクチンフィラメント

原形質流動

オルガネラの移動