Aktin (englischactin; vonaltgriechischἀκτίςaktis ‚Strahl‘^[3]) ist einStrukturprotein, das in alleneukaryotischenZellen vorkommt. Es ist Bestandteil desZytoskeletts und eines der fünf häufigsten Proteine in Eukaryoten; inMuskelzellen ist jedes zehnte Proteinmolekül ein Aktinmolekül, in anderen Zellen beträgt der Anteil 1–5 %.

Aktin kommt in zwei Zuständen vor: als globuläres Einzelmolekül oderG-Aktin und aneinandergereiht als Filament oderF-Aktin. Charakteristisch für Aktinfilamente ist ihre dynamische Verlängerung und Verkürzung. Man zählt Aktinfilamente zu denMikrofilamenten der Zelle. Sie dienen der Stabilisierung der äußeren Zellform sowie der Ausbildung von Zellfortsätzen, intrazellulären Verlagerungen und gerichteten zellulären Bewegungen. In mehrzelligen Organismen werden sie zu zentralen Komponenten für dieMuskelkontraktion. Veränderungen in den für AktinecodierendenGenen können zu Muskel- und anderen Erkrankungen führen.

Aktin wurde erstmals 1887 vonWilliam Dobinson Halliburton experimentell aufgezeigt.^[4] Er untersuchte in Analogie zur Gerinnung des Blutplasmas die Bedingungen, unter denen Proteine in Zellflüssigkeiten der Muskulatur ihre Zustandsform verändern („koagulieren“), und stellte den Einfluss eines Extraktes heraus, das er als „Myosin-Ferment“ bezeichnete.^[5] Halliburton konnte seine Forschungen nicht weiter vertiefen, sodass die eigentliche Entdeckung des Aktins heuteBrunó Ferenc Straub zugeschrieben wird, der als Forschungsassistent im LaborAlbert Szent-Györgyis am Institut für medizinische Chemie der Universität vonSzeged in Ungarn über Proteine in Muskelzellen arbeitete.

Straub entwickelte 1942 eine Technik zur Extraktion von Muskelproteinen, die es ihm erlaubte erhebliche Mengen an relativ reinem Aktin zu gewinnen, und die im Wesentlichen unverändert heute noch angewendet wird. Szent-Györgyi hatte zuvor die zähflüssigere Form eines Myosins langsamer Muskelzellen als die „aktivierte“ Form beschrieben, und da Straubs Protein bei Myosinlösungen den gleichen Effekt zeigte, wurde es als „Aktin“ bezeichnet. Gibt man dem Gemisch bzw. dieser Zusammensetzung der beiden Proteine, „Aktomyosin“ genannt, dannATP zu, so nimmt seine Zähflüssigkeit wieder ab.

Während desZweiten Weltkrieges waren Szent-Györgyi und Straub nicht in der Lage, in westlichen Wissenschaftsjournalen zu publizieren. Erst 1945 konnten sie ihre Thesen in denActa Physiologica Scandinavica veröffentlichen,^[6] womit der Begriff des Aktins auch im Westen bekannt wurde. Straub setzte seine Arbeit mit Aktin fort und berichtete 1950, dass Aktin gebundenes ATP enthält, welches während der Polymerisation der Mikrofilamentehydrolysiert wird zuADP und anorganischem Phosphat, wobei das entstehende ADP zunächst gebunden bleibt.^[7] Straub vermutete, dass die Umwandlung von gebundenem ATP zu gebundenem ADP bei derMuskelkontraktion eine erhebliche Rolle spielen würde. Tatsächlich trifft dies nur fürglatte Muskulatur zu, wie jedoch erst 2001 experimentell nachgewiesen werden konnte.^[7][8]

DieAbfolge der Aminosäuren in derPolypeptid-Kette eines Aktins wurde 1973 von M. Elzinga und Mitarbeitern vollständig angegeben.^[9] DieKristallstruktur des G-Aktins konnte 1990 von Kabsch und Kollegen dargestellt werden.^[10] Im gleichen Jahr schlugen Holmes und Kollegen, nachdem sie (Ko-)Kristallisationsversuche mit unterschiedlichen Proteinen durchgeführt hatten, ein Modell für F-Aktin vor. Das Verfahren der Ko-Kristallisation wurde in den Folgejahren wiederholt eingesetzt, bis 2001 das isolierte Protein zusammen mit ADP kristallin dargestellt werden konnte. Allerdings gibt es bislang für das Aktin noch keine Röntgenstrukturanalyse mit hoher Auflösung. Möglich geworden war die Kristallisation des G-Aktin durch die Verwendung von Rhodamin-Aktin (G-Aktin welches chemisch mit demFluoreszenzfarbstoffRhodamin verbunden ist), welches die Polymerisation durch Blockierung der Aminosäure Cystein-374 verhindert.^[11]Christine Oriol-Audit gelang es bereits 1977, Aktin in Abwesenheit von Aktin-bindenden Proteinen (ABP) zu kristallisieren. Doch waren die resultierenden Kristalle für die damalige Technik zu klein, um sie weiter analysieren zu können.^[12]

Zwar liegt derzeit für das filamentöse Aktin (F-Aktin), noch kein hochauflösendes Modell vor, doch konnten Sawaya und sein Team 2008 zu einem genaueren Bild der Struktur beitragen, das sich auf die Analyse verschiedener Kristalle von Aktin-Dimeren stützt, bei denen zwei G-Aktine über unterschiedliche Bindungsstellen verbunden sind.^[13] Das hierauf beruhende Modell wurde von Sawaya und Lorenz weiter verfeinert. Mit Methoden der Kryo-Elektronenmikroskopie^[14] und der Nutzung vonSynchrotron-Strahlung konnte jüngst eine höhere Auflösung erreicht werden mit der Möglichkeit, die Interaktionen und Konformationsänderungen von G-Aktin während des Übergangs zu F-Aktin bei der Bildung von Aktin-Filamenten besser zu verstehen.^[15][16]

Aktin wird von einerGenfamilie kodiert. Der Mensch hat sechsparaloge Varianten, die sich nur in wenigen Aminosäuren unterscheiden und in verschiedenen Gewebetypenexprimiert werden; funktionell sind dieseIsoformen als alpha-, beta- oder gamma-Aktine differenzierbar.

Liegt Aktin als einzelnes Molekül (Monomer) vor, wird es als globuläres Aktin oderG-Aktin bezeichnet. Seine zum Protein kugelförmiger Gestalt aufgefaltetePolypeptidkette hat bei einer Länge von 375 Aminosäuren ein Gewicht von ca. 42 kDa. Aktin ist ein evolutionär hochkonserviertes Protein; beispielsweise weichen die Aktine von Algen und die von Menschen nur in einem Siebtel ihrer Aminosäuren voneinander ab, beziehungsweise stimmen die codierenden Genabschnitte zu über 85 % in ihrerBasensequenz überein. Ein bakteriellesHomolog des Aktins istFtsA.

Monomeres globuläres oder G-Aktin kann sich aneinanderlagern zudimeren,oligomeren undpolymeren Gebilden. Polymeres filamentäres oder F-Aktin bildet den Hauptbestandteil vonMikrofilamenten. Bei dem so genannten Polymerisationsvorgang von G-Aktin zu F-Aktin, handelt es sich um eine nicht-kovalente Aneinanderreihung von G-Aktin-Einheiten zu einem doppelkettigen, helikalen Aktinfilament. Dieser Prozess verläuft dynamisch – ebenso der umgekehrte Vorgang, der Abbau des Filaments zu G-Aktin. Das Aktin-Netzwerk einer Zelle passt sich den aktuellen Erfordernissen rasch an und trägt so zur Zellbewegung bei.^[17][18] Der Auf- und Abbau von Aktin-Filamenten kann durchZytoskelett-Inhibitoren gehemmt werden.

Aktin bildet als Bestandteil desZytoskeletts ein dichtes, steifes, dreidimensionaleskortikales Netz unterhalb der Plasmamembran, das durch die oben genannten Verbindungsproteine vernetzt ist. An bestimmten, spezifischen Punkten der Zelle tritt dieses Netzwerk verstärkt auf, z. B. in Membranausbuchtungen (Mikrovilli,Pseudopodien,Synapsen) sowie bei bestimmtenZellkontakten (Adherens Junctions,Tight Junctions) und tragen so zur Form und Stabilität von Zellen und Geweben bei.

Viele Transmembranproteine (Kanäle, Pumpen, Rezeptoren, Zelladhäsionsproteine) werden direkt oder indirekt an diesem kortikalen Aktinnetzwerk „gefesselt“ an ihrem Platz gehalten. Funktionell zusammengehörende Proteine werden dadurch auch in räumlicher Nähe gehalten. Entlang des Aktinnetzes erfolgt auch der Kurzstreckentransport vonVesikeln zur Membran durch Myosine, eine Klasse von Motorproteinen (während der Langstreckentransport vonMikrotubuli mit deren MotorproteinenDynein undKinesin übernommen wird). Dabei übernehmen die Myosine zum Teil die von Dynein/Kinesin herangebrachten Ladungen.

Viele eukaryotische Zellen besitzen ein hohes Maß an Bewegungsfähigkeit, Zellmotilität genannt. Sie erlaubt den Zellen gerichtete Formveränderungen bis hin zu Wanderbewegungen, derZellmigration; so etwa in der Entwicklung von Nervenzellen oder bei einzelligen Organismen wieAmöben. Zellen desImmunsystems nutzen ihre Motilität, um als fremd erkannte Zellen im Körper unschädlich zu machen, Hautzellen brauchen sie beispielsweise, damit Wunden verheilen können. Diese Beweglichkeit wird durch verschiedene Prozesse möglich.

Um die Zellumgebung zu "erfühlen" und eine neue Bewegungsrichtung einzuleiten, spielt die Ausbildung von Zellauswüchsen wieFilopodien undLamellipodien eine bedeutende Rolle. Diese werden durch Aktinfilamente gebildet und stabilisiert. Mit der gerichteten Aktinpolymerisierung in die Bewegungsrichtung kann eine Zelle auf Signale der Zellperipherie reagieren undZellfortsätze ausbilden. Durch Aktin-Myosin-Interaktion in Fibrillenbündeln (stress fibers) werden diese zu kontraktilen Zugseilen, die durch die Zelle verlaufen und sie formgebend mit Elementen der Unterlage oderMatrix verspannen.

Der Kontraktionsapparat aller Arten vonMuskulatur, also alle makroskopische Bewegung des Körpers und seiner inneren Organe (z. B.Darmperistaltik), basiert auf derAktin-Myosin-Wechselwirkung. Dabei sind zahlreiche Aktinfilamente, Myosin II und andere Proteine in großer Zahl in hochgeordneter Weise angeordnet. Für Details sei auf die Artikel zuMuskelgewebe verwiesen.

1. ↑Uncomplexed Actin,Protein Data Bank
2. ↑K. C. Holmes, D. Popp, W. Gebhard, W. Kabsch:Atomic model of the actin filament. In:Nature. 347, 1990, S. 21–22.PMID 2395461.
3. ↑Renate Wahrig-Burfeind (Hrsg.):Wahrig. Illustriertes Wörterbuch der deutschen Sprache. ADAC-Verlag, München 2004,ISBN 3-577-10051-6,S. 39. 
4. ↑Dariusz Grzanka, Maciej Gagat, Magdalena Izdebska:Actin is required for cellular death. In:Acta histochemica, 2013.
5. ↑W. D. Halliburton:On Muscle-Plasma. In:J. Physiol. (London).Band 8,Nr. 3–4, August 1887,S. 133–202,PMID 16991477,PMC 1485127 (freier Volltext).  Siehe insbesondere S. 147.
6. ↑A. Szent-Gyorgyi:Studies on muscle. In:Acta Physiol Scand.Band 9, Suppl, 1945,S. 25. 
7. ↑^abF. B. Straub, G. Feuer:Adenosinetriphosphate. The functional group of actin. 1950. In:Biochim. Biophys. Acta.Band 1000, 1989,S. 180–195,doi:10.1016/0006-3002(50)90052-7,PMID 2673365. 
8. ↑M. Bárány, J. T. Barron, L. Gu, K. Bárány:Exchange of the actin-bound nucleotide in intact arterial smooth muscle. In:J. Biol. Chem.Band 276,Nr. 51, Dezember 2001,S. 48398–48403,doi:10.1074/jbc.M106227200,PMID 11602582. 
9. ↑M. Elzinga, J. H. Collins, W. M. Kuehl, R. S. Adelstein:Complete amino-acid sequence of actin of rabbit skeletal muscle. In:Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.Band 70,Nr. 9, September 1973,S. 2687–2691,doi:10.1073/pnas.70.9.2687,PMID 4517681,PMC 427084 (freier Volltext). 
10. ↑W. Kabsch, H. G. Mannherz, D. Suck, E. F. Pai, K. C. Holmes:Atomic structure of the actin:DNase I complex. In:Nature.Band 347,Nr. 6288, September 1990,S. 37–44,doi:10.1038/347037a0,PMID 2395459. 
11. ↑PDB 1J6Z; L. R. Otterbein, P. Graceffa, R. Dominguez:The crystal structure of uncomplexed actin in the ADP state. In:Science.Band 293,Nr. 5530, Juli 2001,S. 708–711,doi:10.1126/science.1059700,PMID 11474115. 
12. ↑C. Oriol, C. Dubord, F. Landon:Crystallization of native striated-muscle actin. In:FEBS Lett.Band 73,Nr. 1, Januar 1977,S. 89–91,doi:10.1016/0014-5793(77)80022-7,PMID 320040. 
13. ↑M. R. Sawaya, D. S. Kudryashov, I. Pashkov, H. Adisetiyo, E. Reisler, T. O. Yeates:Multiple crystal structures of actin dimers and their implications for interactions in the actin filament. In:Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr.Band 64, Pt 4, April 2008,S. 454–465,doi:10.1107/S0907444908003351,PMID 18391412,PMC 2631129 (freier Volltext). 
14. ↑A. Narita, S. Takeda, A. Yamashita, Y. Maéda:Structural basis of actin filament capping at the barbed-end: a cryo-electron microscopy study. In:EMBO J.Band 25,Nr. 23, November 2006,S. 5626–5633,doi:10.1038/sj.emboj.7601395,PMID 17110933,PMC 1679762 (freier Volltext). 
15. ↑T. Oda, M. Iwasa, T. Aihara, Y. Maéda, A. Narita:The nature of the globular- to fibrous-actin transition. In:Nature.Band 457,Nr. 7228, Januar 2009,S. 441–445,doi:10.1038/nature07685,PMID 19158791. 
16. ↑J. von der Ecken, M. Müller, W. Lehman, D. J. Manstein, P. A. Penczek, S. Raunser:Structure of the F-actin-tropomyosin complex. In:Nature.Band 519,Nr. 7541, Mai 2015,S. 114–117,doi:10.1038/nature14033,PMID 25470062. 
17. ↑P. W. Gunning, U. Ghoshdastider, S. Whitaker, D. Popp, R. C. Robinson:The evolution of compositionally and functionally distinct actin filaments. In:Journal of Cell Science.Band 128,Nr. 11, 2015,S. 2009–2019,doi:10.1242/jcs.165563,PMID 25788699. 
18. ↑U. Ghoshdastider, S. Jiang, D. Popp, R. C. Robinson:In search of the primordial actin filament. In:Proc Natl Acad Sci U S A.Band 112,Nr. 30, 2015,S. 9150–9151,doi:10.1073/pnas.1511568112,PMID 26178194. 

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