Actina

La actina es una familia de proteínas globulares multifuncionales que forman microfilamentos en el citoesqueleto y los filamentos delgados en las fibrillas musculares . Se encuentra esencialmente en todas las células eucariotas , donde puede estar presente en una concentración de más de 100 µM ; su masa es de aproximadamente 42 kDa , con un diámetro de 4 a 7 nm.

Actina
Diagrama de cinta de actina G. Se resalta el ADP unido al sitio activo de la actina (barras multicolores cerca del centro de la figura), así como un dicado de calcio complejado (esfera verde). [1]
Identificadores
Símbolo	Actina
Pfam	PF00022
InterPro	IPR004000
PROSITE	PDOC00340
SCOP2	2btf / SCOPe / SUPFAM
Estructuras proteicas disponibles: Pfam   estructuras / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum resumen de estructura

Una proteína de actina es la subunidad monomérica de dos tipos de filamentos en las células: microfilamentos , uno de los tres componentes principales del citoesqueleto, y filamentos delgados, parte del aparato contráctil en las células musculares . Puede estar presente como un monómero libre llamado G-actina (globular) o como parte de un microfilamento de polímero lineal llamado F-actina (filamentoso), los cuales son esenciales para funciones celulares tan importantes como la movilidad y contracción de las células durante división celular .

La actina participa en muchos procesos celulares importantes, incluida la contracción muscular , la motilidad celular , la división celular y la citocinesis , el movimiento de vesículas y orgánulos , la señalización celular y el establecimiento y mantenimiento de las uniones celulares y la forma celular. Muchos de estos procesos están mediados por interacciones extensas e íntimas de actina con membranas celulares . ^[2] En los vertebrados, se han identificado tres grupos principales de isoformas de actina , alfa , beta y gamma . Las alfa actinas, que se encuentran en los tejidos musculares, son un componente principal del aparato contráctil. Las actinas beta y gamma coexisten en la mayoría de los tipos de células como componentes del citoesqueleto y como mediadores de la motilidad celular interna . Se cree que la diversa gama de estructuras formadas por la actina que le permiten cumplir una gama tan amplia de funciones se regula mediante la unión de la tropomiosina a lo largo de los filamentos. ^[3]

La capacidad de una célula para formar microfilamentos dinámicamente proporciona el andamiaje que le permite remodelar rápidamente en respuesta a su entorno oa las señales internas del organismo , por ejemplo, para aumentar la absorción de la membrana celular o aumentar la adhesión celular para formar tejido celular . Otras enzimas u orgánulos como los cilios se pueden anclar a este andamiaje para controlar la deformación de la membrana celular externa , lo que permite la endocitosis y la citocinesis . También puede producir movimiento por sí mismo o con la ayuda de motores moleculares . Por tanto, la actina contribuye a procesos como el transporte intracelular de vesículas y orgánulos, así como a la contracción muscular y la migración celular . Por tanto, juega un papel importante en la embriogénesis , la curación de heridas y la invasividad de las células cancerosas . El origen evolutivo de la actina se remonta a las células procariotas , que tienen proteínas equivalentes. ^[4] Los homólogos de actina de procariotas y arqueas se polimerizan en diferentes filamentos helicoidales o lineales que constan de una o varias hebras. Sin embargo, los contactos en la hebra y los sitios de unión de nucleótidos se conservan en procariotas y arqueas. ^[5] Por último, la actina juega un papel importante en el control de la expresión génica .

Un gran número de enfermedades y padecimientos están provocadas por mutaciones en los alelos de los genes que regulan la producción de actina o de sus proteínas asociadas. La producción de actina también es clave para el proceso de infección por algunos microorganismos patógenos . Las mutaciones en los diferentes genes que regulan la producción de actina en humanos pueden causar enfermedades musculares , variaciones en el tamaño y función del corazón , así como sordera . La composición del citoesqueleto también está relacionada con la patogenicidad de bacterias y virus intracelulares , particularmente en los procesos relacionados con la evasión de las acciones del sistema inmunológico . ^[6]

Descubrimiento e investigación temprana

El fisiólogo ganador del Premio Nobel Albert von Szent-Györgyi Nagyrápolt , co-descubridor de la actina con Brunó Ferenc Straub

La actina fue observada experimentalmente por primera vez en 1887 por WD Halliburton , quien extrajo una proteína del músculo que 'coagulaba' preparaciones de miosina que él llamó "fermento de miosina". ^[7] Sin embargo, Halliburton no pudo refinar aún más sus hallazgos, y el descubrimiento de la actina se atribuye en cambio a Brunó Ferenc Straub , un joven bioquímico que trabaja en el laboratorio de Albert Szent-Györgyi en el Instituto de Química Médica de la Universidad de Szeged. , Hungría .

Tras el descubrimiento de Ilona Banga & Szent-Györgyi en 1941 de que la coagulación solo ocurre en algunas extracciones de misosina y se revirtió con la adición de ATP, ^[8] Straub identificó y purificó la actina de las preparaciones de miosina que coagularon. Sobre la base del método de extracción original de Banga, desarrolló una técnica novedosa para extraer proteína muscular que le permitió aislar cantidades sustanciales de actina relativamente pura , publicada en 1942. ^[9] El método de Straub es esencialmente el mismo que se usa en los laboratorios de hoy. Dado que la proteína de Straub era necesaria para activar la coagulación de la miosina, se la denominó actina . ^{[8] [10]} Al darse cuenta de que las preparaciones de miosina coagulante de Banga también contenían actina, Szent-Györgyi llamó a la mezcla de ambas proteínas actomiosina . ^[11]

Las hostilidades de la Segunda Guerra Mundial hicieron que Szent-Gyorgyi no pudiera publicar el trabajo de su laboratorio en revistas científicas occidentales . Por lo tanto, la actina solo se hizo conocida en Occidente en 1945, cuando su artículo se publicó como un suplemento de Acta Physiologica Scandinavica . ^[12] Straub continuó trabajando con la actina, y en 1950 informó que la actina contiene ATP unido ^[13] y que, durante la polimerización de la proteína en microfilamentos , el nucleótido se hidroliza a ADP y fosfato inorgánico (que permanecen unidos al microfilamento). . Straub sugirió que la transformación de actina unida a ATP en actina unida a ADP jugó un papel en la contracción muscular. De hecho, esto es cierto solo en el músculo liso y no fue respaldado por la experimentación hasta 2001. ^{[13] [14]}

La secuenciación de aminoácidos de la actina fue completado por M. Elzinga y colaboradores en 1973. ^[15] La estructura cristalina de G-actina fue resuelto en 1990 por Kabsch y colegas. ^[16] En el mismo año, Holmes y sus colegas propusieron un modelo para la F-actina después de experimentos en los que se utilizó la cocristalización con diferentes proteínas. ^[17] El procedimiento de cocristalización con diferentes proteínas se utilizó repetidamente durante los años siguientes, hasta que en 2001 se cristalizó la proteína aislada junto con el ADP. Sin embargo, todavía no existe una estructura de rayos X de alta resolución de F-actina. La cristalización de F-actina fue posible debido al uso de un conjugado de rodamina que impide la polimerización al bloquear el aminoácido cys-374 . ^[1] Christine Oriol-Audit murió el mismo año en que la actina se cristalizó por primera vez, pero fue la investigadora que en 1977 cristalizó por primera vez la actina en ausencia de proteínas de unión a actina (ABP). Sin embargo, los cristales resultantes eran demasiado pequeños para la tecnología disponible en ese momento. ^[18]

Aunque actualmente no existe un modelo de alta resolución de la forma filamentosa de actina, en 2008 el equipo de Sawaya pudo producir un modelo más exacto de su estructura basado en múltiples cristales de dímeros de actina que se unen en diferentes lugares. ^[19] Este modelo ha sido posteriormente perfeccionado por Sawaya y Lorenz. Otros enfoques, como el uso de microscopía crioelectrónica y radiación de sincrotrón, han permitido recientemente una mayor resolución y una mejor comprensión de la naturaleza de las interacciones y cambios conformacionales implicados en la formación de filamentos de actina. ^{[20] [21] [22]}

Estructura

La secuencia de aminoácidos de la actina es una de las proteínas más conservadas, ya que ha cambiado poco a lo largo de la evolución , diferenciándose en no más del 20% en especies tan diversas como las algas y los seres humanos . ^[23] Por tanto, se considera que tiene una estructura optimizada . ^[4] Tiene dos características distintivas: es una enzima que hidroliza lentamente el ATP , la "moneda energética universal" de los procesos biológicos. Sin embargo, el ATP es necesario para mantener su integridad estructural. Su eficiente estructura está formada por un proceso de plegado casi único . Además, es capaz de realizar más interacciones que cualquier otra proteína, lo que le permite realizar una variedad más amplia de funciones que otras proteínas en casi todos los niveles de la vida celular. ^[4] La miosina es un ejemplo de una proteína que se une a la actina. Otro ejemplo es la villina , que puede tejer la actina en haces o cortar los filamentos dependiendo de la concentración de cationes de calcio en el medio circundante. ^[24]

La actina es una de las proteínas más abundantes en eucariotas , donde se encuentra en todo el citoplasma. ^[24] De hecho, en las fibras musculares comprende el 20% de la proteína celular total en peso y entre el 1% y el 5% en otras células. Sin embargo, no existe un solo tipo de actina; los genes que codifican la actina se definen como una familia de genes (una familia que en las plantas contiene más de 60 elementos, incluidos genes y pseudogenes y en humanos más de 30 elementos). ^{[4] [25]} Esto significa que la información genética de cada individuo contiene instrucciones que generan variantes de actina (llamadas isoformas ) que poseen funciones ligeramente diferentes. Esto, a su vez, significa que los organismos eucariotas expresan diferentes genes que dan lugar a: α-actina, que se encuentra en estructuras contráctiles; β-actina, que se encuentra en el borde en expansión de las células que utilizan la proyección de sus estructuras celulares como medio de movilidad; y γ-actina, que se encuentra en los filamentos de las fibras de tensión . ^[26] Además de las similitudes que existen entre las isoformas de un organismo, también existe una conservación evolutiva en la estructura y función incluso entre organismos contenidos en diferentes dominios eucariotas . En bacterias se ha identificado el homólogo de actina MreB , que es una proteína que es capaz de polimerizar en microfilamentos; ^{[4] [21]} y en arqueas el homólogo Ta0583 es ​​aún más similar a las actinas eucariotas. ^[27]

La actina celular tiene dos formas: glóbulos monoméricos llamados G-actina y filamentos poliméricos llamados F-actina (es decir, filamentos compuestos por muchos monómeros de G-actina). La F-actina también se puede describir como un microfilamento. Dos hebras de actina F paralelas deben girar 166 grados para que queden correctamente una encima de la otra. Esto crea la estructura de doble hélice de los microfilamentos que se encuentran en el citoesqueleto. Los microfilamentos miden aproximadamente 7 nm de diámetro y la hélice se repite cada 37 nm. Cada molécula de actina está unida a una molécula de trifosfato de adenosina (ATP) o difosfato de adenosina (ADP) que está asociada con un catión Mg 2+ . Las formas de actina más comúnmente encontradas, en comparación con todas las combinaciones posibles, son ATP-G-Actina y ADP-F-actina. ^{[28] [29]}

G-actina

Las imágenes de microscopio electrónico de barrido indican que la G-actina tiene una estructura globular; sin embargo, la cristalografía de rayos X muestra que cada uno de estos glóbulos consta de dos lóbulos separados por una hendidura. Esta estructura representa el "pliegue de ATPasa", que es un centro de catálisis enzimática que une ATP y Mg ²⁺ e hidroliza el primero en ADP más fosfato . Este pliegue es un motivo estructural conservado que también se encuentra en otras proteínas que interactúan con nucleótidos trifosfato como la hexoquinasa (una enzima utilizada en el metabolismo energético ) o en las proteínas Hsp70 (una familia de proteínas que juega un papel importante en el plegamiento de proteínas). ^[30] G-actina solo es funcional cuando contiene ADP o ATP en su hendidura, pero la forma que se une al ATP predomina en las células cuando la actina está presente en su estado libre. ^[28]

Modelo de cinta de actina extraído del tejido muscular estriado de un conejo según Graceffa y Domínguez, 2003. Se pueden ver los cuatro subdominios , así como los extremos N y C y la posición del enlace ATP. La molécula se orienta utilizando la convención habitual de colocar el extremo - (extremo puntiagudo) en la parte superior y el extremo + (extremo con púas) en la parte inferior. ^[1]

El modelo de cristalografía de rayos X de actina producido por Kabsch a partir del tejido muscular estriado de conejos es el más utilizado en estudios estructurales, ya que fue el primero en purificarse . La G-actina cristalizada por Kabsch tiene un tamaño de aproximadamente 67 x 40 x 37 Å , una masa molecular de 41.785 Da y un punto isoeléctrico estimado de 4,8. Su carga neta a pH = 7 es -7. ^{[15] [31]}

Estructura primaria

Elzinga y sus colaboradores determinaron por primera vez la secuencia completa de péptidos para este tipo de actina en 1973, y el trabajo posterior del mismo autor agregó más detalles al modelo. Contiene 374 residuos de aminoácidos. Su extremo N-terminal es muy ácido y comienza con un aspartato acetilado en su grupo amino. Mientras que su extremo C-terminal es alcalino y está formado por una fenilalanina precedida por una cisteína , que tiene cierto grado de importancia funcional. Ambos extremos están muy próximos dentro del subdominio I. Una N τ -metilhistidina anómala se encuentra en la posición 73. ^[31]

Estructura terciaria - dominios

La estructura terciaria está formado por dos dominios conocidos como la grande y la pequeña, que están separados por una hendidura centrada alrededor de la ubicación de la unión con ATP - ADP + P i . Debajo de esto hay una muesca más profunda llamada "surco". En el estado nativo , a pesar de sus nombres, ambos tienen una profundidad comparable. ^[15]

La convención normal en los estudios topológicos significa que una proteína se muestra con el dominio más grande en el lado izquierdo y el dominio más pequeño en el lado derecho. En esta posición, el dominio más pequeño se divide a su vez en dos: subdominio I (posición inferior, residuos 1–32, 70–144 y 338–374) y subdominio II (posición superior, residuos 33–69). El dominio más grande también se divide en dos: subdominio III (inferior, residuos 145–180 y 270–337) y subdominio IV (superior, residuos 181–269). Las áreas expuestas de los subdominios I y III se denominan extremos "con púas", mientras que las áreas expuestas de los dominios II y IV se denominan extremos "puntiagudos". Esta nomenclatura se refiere al hecho de que, debido a la pequeña masa del subdominio II actina es polar; la importancia de esto se discutirá más adelante en la discusión sobre la dinámica de ensamblaje. Algunos autores llaman a los subdominios Ia, Ib, IIa y IIb, respectivamente. ^[32]

Otras estructuras importantes

La estructura supersecundaria más notable es una hoja beta de cinco cadenas que se compone de un meandro β y una unidad β-α-β en el sentido de las agujas del reloj. Está presente en ambos dominios, lo que sugiere que la proteína surgió de la duplicación de genes. ^[dieciséis]

• El sitio de unión del nucleótido de adenosina se encuentra entre dos estructuras beta en forma de horquilla pertenecientes a los dominios I y III. Los residuos que están implicados son Asp11-Lys18 y Asp154-His161 respectivamente.
• El sitio de unión del catión divalente se encuentra justo debajo del nucleótido de adenosina. In vivo está formado con mayor frecuencia por Mg 2+ o Ca 2+, mientras que in vitro está formado por una estructura quelante formada por Lys18 y dos oxígenos de los fosfatos α y β de los nucleótidos . Este calcio está coordinado con seis moléculas de agua que son retenidas por los aminoácidos Asp11 , Asp154 y Gln137 . Forman un complejo con el nucleótido que restringe los movimientos de la región denominada "bisagra", ubicada entre los residuos 137 y 144. Esto mantiene la forma nativa de la proteína hasta que su retirada desnaturaliza el monómero de actina. Esta región también es importante porque determina si la hendidura de la proteína está en la conformación "abierta" o "cerrada". ^{[1] [32]}
• Es muy probable que haya al menos otros tres centros con una afinidad menor (intermedia) y otros con una afinidad baja por los cationes divalentes. Se ha sugerido que estos centros pueden jugar un papel en la polimerización de actina actuando durante la etapa de activación. ^[32]
• Hay una estructura en el subdominio 2 que se llama "bucle D" porque se une con DNasa I , se encuentra entre los residuos His40 y Gly48 . Tiene la apariencia de un elemento desordenado en la mayoría de los cristales, pero parece una hoja β cuando se compleja con DNasa I. Se ha propuesto que el evento clave en la polimerización es probablemente la propagación de un cambio conformacional de la centro del enlace con el nucleótido a este dominio, que cambia de un bucle a una espiral. ^[1] Sin embargo, esta hipótesis ha sido refutada por otros estudios. ^[33]

F-actina

F-actina; Representación de superficie de una repetición de 13 subunidades basada en el modelo de filamento de actina de Ken Holmes ^[17]

La descripción clásica de F-actina establece que tiene una estructura filamentosa que puede considerarse una hélice levógira monocatenaria con una rotación de 166 ° alrededor del eje helicoidal y una traslación axial de 27,5 Å , o una hélice dextrorrotatoria monocatenaria con un espaciado de cruce de 350-380 Å, con cada actina rodeada por cuatro más. ^[34] La simetría del polímero de actina a 2,17 subunidades por vuelta de una hélice es incompatible con la formación de cristales , que solo es posible con una simetría de exactamente 2, 3, 4 o 6 subunidades por vuelta. Por lo tanto, los modelos tienen que ser construidos que explican estas anomalías con datos de la microscopía electrónica , crio-microscopía electrónica , la cristalización de dímeros en diferentes posiciones y de difracción de rayos-X . ^{[21] [22]} Cabe señalar que no es correcto hablar de una “estructura” para una molécula tan dinámica como el filamento de actina. En realidad hablamos de distintos estados estructurales, en estos la medida de traslación axial permanece constante en 27,5 Å mientras que los datos de rotación de la subunidad muestran una variabilidad considerable, con desplazamientos de hasta un 10% desde su posición óptima comúnmente vistos. Algunas proteínas, como la cofilina, parecen incrementar el ángulo de giro, pero nuevamente esto podría interpretarse como el establecimiento de diferentes estados estructurales. Estos podrían ser importantes en el proceso de polimerización. ^[35]

Hay menos acuerdo con respecto a las mediciones del radio de giro y el grosor del filamento: mientras que los primeros modelos asignaron una longitud de 25 Å, los datos de difracción de rayos X actuales, respaldados por microscopía crioelectrónica, sugieren una longitud de 23,7 Å. Estos estudios han demostrado los puntos de contacto precisos entre los monómeros. Algunos están formados con unidades de la misma cadena, entre el extremo "con púas" de un monómero y el extremo "puntiagudo" del siguiente. Mientras que los monómeros en cadenas adyacentes hacen contacto lateral a través de proyecciones del subdominio IV, las proyecciones más importantes son las formadas por el extremo C-terminal y el enlace hidrofóbico formado por tres cuerpos que involucran los residuos 39-42, 201-203 y 286. Esto El modelo sugiere que un filamento está formado por monómeros en una formación de "hoja", en la que los subdominios giran sobre sí mismos, esta forma también se encuentra en el homólogo de actina bacteriana MreB . ^[21]

Se considera que el polímero de F-actina tiene polaridad estructural debido al hecho de que todas las subunidades del microfilamento apuntan hacia el mismo extremo. Esto da lugar a una convención de nomenclatura: el extremo que posee una subunidad de actina que tiene su sitio de unión de ATP expuesto se denomina "extremo (-)", mientras que el extremo opuesto donde la hendidura se dirige a un monómero adyacente diferente se denomina " (+) final ". ^[26] Los términos "puntiagudos" y "con púas" que se refieren a los dos extremos de los microfilamentos se derivan de su apariencia bajo microscopía electrónica de transmisión cuando las muestras se examinan siguiendo una técnica de preparación llamada "decoración". Este método consiste en la adición de fragmentos de miosina S1 al tejido que ha sido fijado con ácido tánico . Esta miosina forma enlaces polares con los monómeros de actina, dando lugar a una configuración que parece flechas con emplumados a lo largo de su eje, donde el eje es la actina y los emplumados son la miosina. Siguiendo esta lógica, el extremo del microfilamento que no tiene miosina sobresaliente se denomina punta de la flecha (extremo -) y el otro extremo se denomina extremo con púas (extremo +). ^[36] Un fragmento S1 está compuesto por los dominios de cabeza y cuello de la miosina II . En condiciones fisiológicas, la G-actina (la forma monomérica ) se transforma en F-actina (la forma polimérica ) por el ATP, donde el papel del ATP es esencial. ^[37]

El filamento helicoidal de F-actina que se encuentra en los músculos también contiene una molécula de tropomiosina , que es una proteína de 40 nanómetros de largo que se envuelve alrededor de la hélice de F-actina. ^[22] Durante la fase de reposo, la tropomiosina cubre los sitios activos de la actina, de modo que la interacción actina-miosina no puede tener lugar y producir la contracción muscular. Hay otras moléculas de proteínas unidas a la rosca tropomiosina, éstas son las troponinas que tienen tres polímeros: troponina I , troponina T , y troponina C . ^[38]

Plegable

Modelo de cinta obtenido mediante el programa PyMOL en cristalografías ( PDB : 2ZDI ) de las proteínas prefoldina encontradas en el arcaico Pyrococcus horikoshii . Las seis estructuras supersecundarias están presentes en una hélice enrollada que "cuelga" de los barriles beta centrales . Estos se comparan a menudo en la literatura con los tentáculos de una medusa . Hasta donde sea visible usando microscopía electrónica , la prefoldina eucariótica tiene una estructura similar. ^[39]

La actina puede adquirir de forma espontánea gran parte de su estructura terciaria . ^[40] Sin embargo, la forma en que adquiere su forma completamente funcional a partir de su forma nativa recién sintetizada es especial y casi única en la química de las proteínas. El motivo de esta ruta especial podría ser la necesidad de evitar la presencia de monómeros de actina plegados incorrectamente, que podrían ser tóxicos ya que pueden actuar como terminadores de polimerización ineficaces. Sin embargo, es clave para establecer la estabilidad del citoesqueleto y, además, es un proceso fundamental para la coordinación del ciclo celular . ^{[41] [42]}

Se requiere CCT para garantizar que el plegado se realice correctamente. CCT es una chaperonina del grupo II, un gran complejo proteico que ayuda en el plegamiento de otras proteínas. CCT está formado por un doble anillo de ocho subunidades diferentes (hetero-octaméricas) y se diferencia de las chaperoninas del grupo I como GroEL , que se encuentra en las eubacterias y en los orgánulos eucariotas, ya que no requiere una co-chaperona para actuar como tapa. sobre la cavidad catalítica central . Los sustratos se unen a CCT a través de dominios específicos. Inicialmente se pensó que solo se unía con actina y tubulina , aunque estudios recientes de inmunoprecipitación han demostrado que interactúa con una gran cantidad de polipéptidos , que posiblemente funcionan como sustratos . Actúa a través de cambios conformacionales dependientes de ATP que en ocasiones requieren varias rondas de liberación y catálisis para completar una reacción. ^[43]

Para completar con éxito su plegamiento, tanto la actina como la tubulina deben interactuar con otra proteína llamada prefoldina , que es un complejo heterohexámero (formado por seis subunidades distintas), en una interacción que es tan específica que las moléculas han coevolucionado ^{[ cita requerida ]} . La actina forma complejos con la prefoldina mientras aún se está formando, cuando tiene aproximadamente 145 aminoácidos de longitud, específicamente los del extremo N-terminal. ^[44]

Se utilizan diferentes subunidades de reconocimiento para actina o tubulina, aunque existe cierta superposición. En actina, las subunidades que se unen a la prefoldina son probablemente PFD3 y PFD4, que se unen en dos lugares, uno entre los residuos 60-79 y el otro entre los residuos 170-198. La actina se reconoce, se carga y se administra a la chaperonina citosólica (CCT) en una conformación abierta por el extremo interno de los "tentáculos" de Prefoldin (ver la imagen y la nota). ^[40] El contacto cuando se administra la actina es tan breve que no se forma un complejo terciario, liberando inmediatamente el prefoldin. ^[39]

Modelo de cinta del dominio γ apical de la chaperonina CCT

El CCT luego causa el plegamiento secuencial de la actina formando enlaces con sus subunidades en lugar de simplemente encerrarla en su cavidad. ^[45] Es por eso que posee áreas de reconocimiento específicas en su dominio β apical. La primera etapa del plegamiento consiste en el reconocimiento de los residuos 245–249. A continuación, otros determinantes establecen contacto. ^[46] Tanto la actina como la tubulina se unen a CCT en conformaciones abiertas en ausencia de ATP. En el caso de la actina, dos subunidades se unen durante cada cambio conformacional, mientras que para la tubulina, la unión tiene lugar con cuatro subunidades. La actina tiene secuencias de unión específicas, que interactúan con las subunidades δ y β-CCT o con δ-CCT y ε-CCT. Después de que AMP-PNP se une a CCT, los sustratos se mueven dentro de la cavidad de la chaperonina. También parece que en el caso de la actina, la proteína CAP es necesaria como posible cofactor en los estados finales de plegamiento de la actina. ^[42]

La forma exacta por la que se regula este proceso aún no se comprende del todo, pero se sabe que la proteína PhLP3 (una proteína similar a la fosducina ) inhibe su actividad mediante la formación de un complejo terciario. ^[43]

Mecanismo catalítico de ATPasa

La actina es una ATPasa , lo que significa que es una enzima que hidroliza el ATP. Este grupo de enzimas se caracteriza por sus lentas velocidades de reacción. Se sabe que esta ATPasa es “activa”, es decir, su velocidad aumenta unas 40.000 veces cuando la actina forma parte de un filamento. ^[35] Un valor de referencia para esta tasa de hidrólisis en condiciones ideales es alrededor de 0,3 s −1 . A continuación, la P _i permanece unido a la actina lado de la ADP por un largo tiempo, hasta que se libera de forma cooperativa desde el interior del filamento. ^{[47] [48]}

Los detalles moleculares exactos del mecanismo catalítico aún no se comprenden completamente. Aunque hay mucho debate sobre este tema, parece cierto que se requiere una conformación "cerrada" para la hidrólisis de ATP, y se piensa que los residuos que están involucrados en el proceso se mueven a la distancia adecuada. ^[35] El ácido glutámico Glu137 es uno de los residuos clave, que se encuentra en el subdominio 1. Su función es unir la molécula de agua que produce un ataque nucleofílico en el enlace γ-fosfato del ATP , mientras que el nucleótido está fuertemente unido a los subdominios. 3 y 4. La lentitud del proceso catalítico se debe a la gran distancia y posición sesgada de la molécula de agua en relación con el reactivo. Es muy probable que el cambio conformacional producido por la rotación de los dominios entre las formas G y F de la actina acerque el Glu137 permitiendo su hidrólisis. Este modelo sugiere que la polimerización y la función de ATPasa se desacoplarían de inmediato. ^{[21] [22]} La transformación "abierta" a "cerrada" entre las formas G y F y sus implicaciones en el movimiento relativo de varios residuos clave y la formación de cables de agua se han caracterizado en dinámica molecular y simulaciones QM / MM . ^{[49] [50]}

Genética

Las interacciones principales de las proteínas estructurales se producen en la unión adherente basada en cadherina . Los filamentos de actina están unidos a la α- actinina y a la membrana a través de la vinculina . El dominio principal de la vinculina se asocia a E-cadherina a través de α-catenina , β-catenina y γ-catenina . El dominio de la cola de la vinculina se une a los lípidos de la membrana y a los filamentos de actina.

La actina ha sido una de las proteínas más conservadas a lo largo de la evolución porque interactúa con un gran número de otras proteínas. Tiene un 80,2% de conservación de la secuencia a nivel genético entre Homo sapiens y Saccharomyces cerevisiae (una especie de levadura) y un 95% de conservación de la estructura primaria del producto proteico. ^[4]

Aunque la mayoría de las levaduras tienen un solo gen de actina, los eucariotas superiores , en general, expresan varias isoformas de actina codificadas por una familia de genes relacionados. Los mamíferos tienen al menos seis isoformas de actina codificadas por genes separados, ^[51] que se dividen en tres clases (alfa, beta y gamma) según sus puntos isoeléctricos . En general, las alfa actinas se encuentran en el músculo (α-esquelético, α-aórtico liso, α-cardíaco), mientras que las isoformas beta y gamma son prominentes en las células no musculares (β-citoplasmático, γ1-citoplasmático, γ2-entérico liso) . Aunque las secuencias de aminoácidos y las propiedades in vitro de las isoformas son muy similares, estas isoformas no pueden sustituirse completamente entre sí in vivo . ^[52]

El gen de actina típico tiene una UTR 5 'de aproximadamente 100 nucleótidos , una región traducida de 1200 nucleótidos y una UTR 3' de 200 nucleótidos . La mayoría de los genes de actina están interrumpidos por intrones , con hasta seis intrones en cualquiera de las 19 ubicaciones bien caracterizadas. La alta conservación de la familia hace que la actina sea el modelo preferido para los estudios que comparan los modelos intrones tempranos e intrones tardíos de la evolución intrónica.

Todos los procariotas no esféricos parecen poseer genes como MreB , que codifican homólogos de actina; estos genes son necesarios para que se mantenga la forma de la célula. El gen ParM derivado del plásmido codifica una proteína similar a la actina cuya forma polimerizada es dinámicamente inestable y parece dividir el ADN del plásmido en sus células hijas durante la división celular mediante un mecanismo análogo al empleado por los microtúbulos en la mitosis eucariota . ^[53] La actina se encuentra tanto en los retículos endoplásmicos lisos como en los rugosos.

Dinámica de montaje

Nucleación y polimerización

Formación de filamentos finos que muestra el mecanismo de polimerización para convertir G-actina en F-actina; nótese la hidrólisis del ATP.

Los factores de nucleación son necesarios para estimular la polimerización de actina. Uno de estos factores de nucleación es el complejo Arp2 / 3 , que imita un dímero de actina G para estimular la nucleación (o formación del primer trímero) de actina G monomérica. El complejo Arp2 / 3 se une a los filamentos de actina a 70 grados para formar nuevas ramas de actina a partir de los filamentos de actina existentes. La nucleación mediada por Arp2 / 3 es necesaria para la migración celular dirigida. ^[54] Además, los propios filamentos de actina se unen al ATP, y la hidrólisis de este ATP estimula la desestabilización del polímero.

El crecimiento de los filamentos de actina puede ser regulado por timosina y profilina . La timosina se une a la G-actina para amortiguar el proceso de polimerización, mientras que la profilina se une a la G-actina para intercambiar ADP por ATP , promoviendo la adición de monómeros a las púas, más el extremo de los filamentos de F-actina.

La F-actina es fuerte y dinámica. A diferencia de otros polímeros , como el ADN , cuyos elementos constituyentes están unidos por enlaces covalentes , los monómeros de los filamentos de actina se ensamblan mediante enlaces más débiles. ^[55] Los enlaces laterales con los monómeros vecinos resuelven esta anomalía, que en teoría debería debilitar la estructura ya que pueden romperse por agitación térmica. Además, los enlaces débiles dan la ventaja de que los extremos del filamento pueden liberar o incorporar monómeros fácilmente. Esto significa que los filamentos se pueden remodelar rápidamente y pueden cambiar la estructura celular en respuesta a un estímulo ambiental. Lo cual, junto con el mecanismo bioquímico por el cual se produce, se conoce como "dinámica de ensamblaje". ^[6]

Estudios in vitro

Los estudios que se centran en la acumulación y pérdida de subunidades por microfilamentos se llevan a cabo in vitro (es decir, en el laboratorio y no en sistemas celulares) ya que la polimerización de la actina resultante da lugar a la misma F-actina que se produce in vivo . El proceso in vivo está controlado por multitud de proteínas para que responda a las demandas celulares, lo que dificulta la observación de sus condiciones básicas. ^[56]

La producción in vitro tiene lugar de manera secuencial: primero, está la "fase de activación", cuando la unión y el intercambio de cationes divalentes se produce en lugares específicos de la actina G, que está unida al ATP. Esto produce un cambio conformacional, a veces llamado monómero G * -actina o F-actina, ya que es muy similar a las unidades que se encuentran en el filamento. ^[32] Esto lo prepara para la "fase de nucleación", en la que la G-actina da lugar a pequeños fragmentos inestables de F-actina que son capaces de polimerizar. Inicialmente se forman dímeros y trímeros inestables. La "fase de alargamiento" comienza cuando hay un número suficientemente grande de estos polímeros cortos. En esta fase, el filamento se forma y crece rápidamente mediante la adición reversible de nuevos monómeros en ambos extremos. ^[57] Finalmente, se logra un equilibrio estacionario donde los monómeros de actina G se intercambian en ambos extremos del microfilamento sin ningún cambio en su longitud total. ^[24] En esta última fase la "concentración crítica C _c " se define como la relación entre la constante de ensamblaje y la constante de disociación para G-actina, donde la dinámica para la adición y eliminación de dímeros y trímeros no produce un cambio en la longitud del microfilamento. En condiciones in vitro , C _c es 0,1 µM, ^{[58] lo} que significa que a valores más altos se produce la polimerización ya valores más bajos se produce la despolimerización. ^[59]

Papel de la hidrólisis de ATP

Como se indicó anteriormente, aunque la actina hidroliza el ATP, todo apunta a que el ATP no es necesario para el ensamblaje de la actina, dado que, por un lado, la hidrólisis se produce principalmente en el interior del filamento, y por otro lado el ADP también podría instigar la polimerización. Esto plantea la cuestión de comprender qué proceso termodinámicamente desfavorable requiere un gasto de energía tan prodigioso . El ciclo de actina, que acopla la hidrólisis de ATP a la polimerización de actina, consiste en la adición preferencial de monómeros de G-actina-ATP al extremo con púas de un filamento y el desmontaje simultáneo de los monómeros de F-actina-ADP en el extremo puntiagudo donde posteriormente se encuentra el ADP cambiado a ATP, cerrando así el ciclo. Este aspecto de la formación de filamentos de actina se conoce como "cinta de correr".

El ATP se hidroliza con relativa rapidez justo después de la adición de un monómero de actina G al filamento. Hay dos hipótesis sobre cómo ocurre esto; el estocástico , que sugiere que la hidrólisis ocurre aleatoriamente de una manera que está influenciada de alguna manera por las moléculas vecinas; y el vectorial, que sugiere que la hidrólisis solo ocurre adyacente a otras moléculas cuyo ATP ya ha sido hidrolizado. En cualquier caso, la P resultante _i no se libera; permanece durante algún tiempo unido de forma no covalente al ADP de actina. De esta forma hay tres especies de actina en un filamento: ATP-Actina, ADP + P _i -Actina y ADP-Actina. ^{[47] [60]} La cantidad de cada una de estas especies presentes en un filamento depende de su longitud y estado: como alargamiento comienza el filamento tiene una cantidad aproximadamente igual de actina monómeros atado con ATP y ADP + P _i y una pequeña cantidad de ADP-actina en el extremo (-). A medida que el estado estacionario se alcanza los reveses de situación, con ADP presente a lo largo de la mayor parte del filamento y sólo el área más próxima al extremo (+) que contiene ADP + P _i y con ATP sólo está presente en la punta. ^[61]

Si comparamos los filamentos que solo contienen ADP-Actina con los que incluyen ATP, en los primeros las constantes críticas son similares en ambos extremos, mientras que C _c para los otros dos nucleótidos es diferente: En el extremo (+) Cc ⁺ = 0.1 μM, mientras que en el extremo (-) Cc ^- = 0.8 μM, lo que da lugar a las siguientes situaciones: ^[26]

• Para concentraciones de G-actina-ATP inferiores a Cc ^+, no se produce elongación del filamento.
• Para concentraciones de G-actina-ATP menores que Cc ^- pero mayores que Cc ^{+, se} produce un alargamiento en el extremo (+).
• Para concentraciones de G-actina-ATP mayores que Cc ^, el microfilamento crece en ambos extremos.

Por tanto, es posible deducir que la energía producida por la hidrólisis se utiliza para crear un verdadero "estado estacionario", es decir, un flujo, en lugar de un equilibrio simple, dinámico, polar y unido al filamento. Esto justifica el gasto de energía ya que promueve funciones biológicas esenciales. ^[47] Además, la configuración de los diferentes tipos de monómeros es detectada por proteínas de unión a actina, que también controlan este dinamismo, como se describirá en la siguiente sección.

Se ha descubierto que la formación de microfilamentos mediante cinta de correr es atípica en los estereocilios . En este caso el control del tamaño de la estructura es totalmente apical y está controlado de alguna manera por la expresión génica, es decir, por la cantidad total de monómero proteico sintetizado en un momento dado. ^[62]

Proteínas asociadas

Un complejo de actina (verde) - profilina (azul). ^[63] La profilina que se muestra pertenece al grupo II, normalmente presente en los riñones y el cerebro .

El citoesqueleto de actina in vivo no está compuesto exclusivamente de actina, se requieren otras proteínas para su formación, continuidad y función. Estas proteínas se denominan proteínas de unión a actina (ABP) y participan en la polimerización, despolimerización, estabilidad, organización en haces o redes, fragmentación y destrucción de la actina. ^[24] La diversidad de estas proteínas es tal que se cree que la actina es la proteína que participa en el mayor número de interacciones proteína-proteína . ^[64] Por ejemplo, existen elementos secuestradores de G-actina que impiden su incorporación en microfilamentos. También existen proteínas que estimulan su polimerización o que dan complejidad a las redes de síntesis. ^[26]

• La timosina β-4 es una proteína de 5 kDa que puede unirse con G-actina-ATP en una estequiometría 1: 1 ; lo que significa que una unidad de timosina β-4 se une a una unidad de G-actina. Su función es impedir la incorporación de los monómeros al polímero en crecimiento. ^{[sesenta y cinco]}
• La profilina , es una proteína citosólica con un peso molecular de 15 kDa, que también se une con G-actina-ATP o -ADP con una estequiometría de 1: 1, pero tiene una función diferente ya que facilita la sustitución de nucleótidos de ADP por ATP . También está implicado en otras funciones celulares, como la unión de repeticiones de prolina en otras proteínas o de lípidos que actúan como mensajeros secundarios . ^{[66] [67]}

La proteína gelsolina , que es un regulador clave en el ensamblaje y desensamblaje de actina. Tiene seis subdominios, S1-S6, cada uno de los cuales está compuesto por una hoja β de cinco hebras flanqueada por dos hélices α , una colocada perpendicular a las hebras y la otra en posición paralela. Tanto el extremo N-terminal, (S1-S3), como el extremo C-terminal, (S4-S6), forman una hoja β extendida. ^{[68] [69]}

Otras proteínas que se unen a la actina regulan la longitud de los microfilamentos cortándolos, lo que da lugar a nuevos extremos activos para la polimerización. Por ejemplo, si un microfilamento con dos extremos se corta dos veces, habrá tres nuevos microfilamentos con seis extremos. Esta nueva situación favorece la dinámica de montaje y desmontaje. Las más notables de estas proteínas son la gelsolina y la cofilina . Estas proteínas primero logran un corte al unirse a un monómero de actina ubicado en el polímero y luego cambian la conformación del monómero de actina mientras permanecen unidas al extremo (+) recién generado. Esto tiene el efecto de impedir la adición o el intercambio de nuevas subunidades de G-actina. Se fomenta la despolimerización ya que los extremos (-) no están unidos a ninguna otra molécula. ^[70]

Otras proteínas que se unen a la actina cubren los extremos de la F-actina para estabilizarlos, pero no pueden romperlos. Ejemplos de este tipo de proteína son CapZ , que une los extremos (+) dependiendo de los niveles de Ca 2+ / calmodulina de una célula . Estos niveles dependen de las señales internas y externas de la célula y están involucrados en la regulación de sus funciones biológicas). ^[71] Otro ejemplo es la tropomodulina (que se une al extremo (-)). La tropomodulina actúa básicamente para estabilizar la F-actina presente en las miofibrillas presentes en los sarcómeros musculares , que son estructuras caracterizadas por su gran estabilidad. ^[72]

Estructura atómica de Arp2 / 3. ^[73] Cada color corresponde a una subunidad: Arp3, naranja; Arp2, azul marino (no se muestran las subunidades 1 y 2); p40, verde; p34, azul claro; p20, azul oscuro; p21, magenta; p16, amarillo.

El complejo Arp2 / 3 se encuentra ampliamente en todos los organismos eucariotas . ^[74] Está compuesto por siete subunidades, algunas de las cuales poseen una topología que está claramente relacionada con su función biológica: dos de las subunidades, ARP2 y ARP3, tienen una estructura similar a la de los monómeros de actina. Esta homología permite que ambas unidades actúen como agentes de nucleación en la polimerización de actina G y actina F. Este complejo también se requiere en procesos más complicados como en el establecimiento de estructuras dendríticas y también en la anastomosis (la reconexión de dos estructuras ramificadas que se habían unido previamente, como en los vasos sanguíneos). ^[75]

Inhibidores químicos

Estructura química de la faloidina

Hay una serie de toxinas que interfieren con la dinámica de la actina, ya sea evitando que se polimerice ( latrunculina y citocalasina D ) o estabilizándola ( faloidina ):

• La latrunculina es una toxina producida por esponjas . Se une a la G-actina evitando que se una a los microfilamentos. ^[76]
• La citocalasina D, es un alcaloide producido por hongos , que se une al extremo (+) de la F-actina impidiendo la adición de nuevos monómeros. ^[77] Se ha descubierto que la citocalasina D interrumpe la dinámica de la actina, activando la proteína p53 en animales. ^[78]
• Phalloidin, es una toxina que se ha aislado del hongo del casquete de la muerte Amanita phalloides . Se une a la interfaz entre los monómeros de actina adyacentes en el polímero de F-actina, evitando su despolimerización. ^[77]

Funciones y ubicación

Los filamentos de las formas de actina ('F-actina' o microfilamentos ) son elementos esenciales del citoesqueleto eucariota , capaces de sufrir dinámicas de polimerización y despolimerización muy rápidas. En la mayoría de las células, los filamentos de actina forman redes a mayor escala que son esenciales para muchas funciones clave en las células: ^[79]

• Varios tipos de redes de actina (hechas de filamentos de actina) brindan soporte mecánico a las células y proporcionan rutas de tráfico a través del citoplasma para ayudar a la transducción de señales.
• El montaje y desmontaje rápido de la red de actina permite que las células migren ( migración de células ).
• En las células del músculo metazoario , es el andamio sobre el que las proteínas de miosina generan fuerza para apoyar la contracción muscular.
• En células no musculares, para ser una pista para el transporte de carga miosinas (miosinas no convencionales) como la miosina V y VI. Las miosinas no convencionales utilizan la hidrólisis de ATP para transportar carga, como vesículas y orgánulos, de forma dirigida mucho más rápido que la difusión. La miosina V camina hacia el extremo con púas de los filamentos de actina, mientras que la miosina VI camina hacia el extremo puntiagudo. La mayoría de los filamentos de actina están dispuestos con el extremo con púas hacia la membrana celular y el extremo puntiagudo hacia el interior celular. Esta disposición permite que la miosina V sea un motor eficaz para la exportación de cargas y que la miosina VI sea un motor eficaz para la importación.

La proteína actina se encuentra tanto en el citoplasma como en el núcleo celular . ^[80] Su ubicación está regulada por vías de transducción de señales de la membrana celular que integran los estímulos que recibe una célula estimulando la reestructuración de las redes de actina en respuesta. En Dictyostelium , se ha encontrado que la fosfolipasa D interviene en las vías del fosfato de inositol . ^[81] Los filamentos de actina son particularmente estables y abundantes en las fibras musculares . Dentro del sarcómero (la unidad morfológica y fisiológica básica de las fibras musculares), la actina está presente en las bandas I y A; la miosina también está presente en este último. ^[82]

Citoesqueleto

Micrografía de fluorescencia que muestra F-actina (en verde) en fibroblastos de rata

Los microfilamentos participan en el movimiento de todas las células móviles, incluidos los tipos no musculares, ^{[83] [84]} y los fármacos que alteran la organización de la F-actina (como las citocalasinas ) afectan la actividad de estas células. La actina comprende el 2% de la cantidad total de proteínas en los hepatocitos , el 10% en los fibroblastos , el 15% en las amebas y hasta el 50-80% en las plaquetas activadas . ^[85] Hay varios tipos diferentes de actina con estructuras y funciones ligeramente diferentes. Esto significa que la α-actina se encuentra exclusivamente en las fibras musculares , mientras que los tipos β y γ se encuentran en otras células. Además, como los últimos tipos tienen una alta tasa de rotación, la mayoría de ellos se encuentran fuera de las estructuras permanentes. Esto significa que los microfilamentos que se encuentran en células distintas de las células musculares están presentes en tres formas: ^[86]

• Redes de microfilamentos : las células animales comúnmente tienen una corteza celular debajo de la membrana celular que contiene una gran cantidad de microfilamentos, lo que impide la presencia de orgánulos . Esta red está conectada con numerosas células receptoras que transmiten señales al exterior de una célula.

Una pila combinada de imágenes confocales que muestran filamentos de actina dentro de una célula. La imagen ha sido codificada por colores en el eje z para mostrar en una imagen 2D en qué alturas se pueden encontrar los filamentos dentro de las celdas.

• Paquetes de microfilamentos : estos microfilamentos extremadamente largos están ubicados en redes y, en asociación con proteínas contráctiles como la miosina no muscular , están involucrados en el movimiento de sustancias a nivel intracelular.
• Anillos de actina periódicos: recientemente se ha descubierto que existe una estructura periódica construida con anillos de actina espaciados uniformemente en los axones (no en las dendritas ). ^[87] En esta estructura, los anillos de actina, junto con los tetrámeros de espectrina que unen los anillos de actina vecinos, forman un citoesqueleto cohesivo que sostiene la membrana del axón. La periodicidad de la estructura también puede regular los canales de iones de sodio en los axones.

Levaduras

El citoesqueleto de actina es clave para los procesos de endocitosis , citocinesis , determinación de la polaridad celular y morfogénesis en levaduras . Además de depender de la actina, estos procesos involucran 20 o 30 proteínas asociadas, todas ellas con un alto grado de conservación evolutiva, junto con muchas moléculas de señalización. Juntos, estos elementos permiten un ensamblaje modulado espacial y temporalmente que define la respuesta de una célula a estímulos tanto internos como externos. ^[88]

Las levaduras contienen tres elementos principales asociados a la actina: parches, cables y anillos que, a pesar de no estar presentes por mucho tiempo, están sujetos a un equilibrio dinámico debido a la polimerización y despolimerización continuas. Poseen una serie de proteínas accesorias que incluyen ADF / cofilina, que tiene un peso molecular de 16 kDa y está codificada por un solo gen, llamado COF1 ; Aip1, cofactor de cofilina que promueve el desmontaje de microfilamentos; Srv2 / CAP, un regulador de proceso relacionado con las proteínas adenilato ciclasa ; una profilina con un peso molecular de aproximadamente 14 kDa que está relacionada / asociada con monómeros de actina; y twinfilin, una proteína de 40 kDa involucrada en la organización de parches. ^[88]

Plantas

Los estudios del genoma vegetal han revelado la existencia de isovariantes de proteínas dentro de la familia de genes de actina. Dentro de Arabidopsis thaliana , una dicotiledónea utilizada como organismo modelo , hay diez tipos de actina, nueve tipos de α-tubulinas, seis β-tubulinas, seis profilinas y docenas de miosinas. Esta diversidad se explica por la necesidad evolutiva de poseer variantes que difieran levemente en su expresión temporal y espacial. ^[4] La mayoría de estas proteínas se expresaron conjuntamente en el tejido analizado. Las redes de actina se distribuyen por todo el citoplasma de las células cultivadas in vitro . Existe una concentración de la red alrededor del núcleo que se conecta mediante radios a la corteza celular, esta red es altamente dinámica, con una polimerización y despolimerización continua. ^[89]

Estructura del subdominio C-terminal de la villina , una proteína capaz de dividir microfilamentos ^[90]

Si bien la mayoría de las células vegetales tienen una pared celular que define su morfología e impide su movimiento, sus microfilamentos pueden generar la fuerza suficiente para lograr una serie de actividades celulares, como las corrientes citoplasmáticas generadas por los microfilamentos y la miosina. La actina también participa en el movimiento de los orgánulos y en la morfogénesis celular, que implican la división celular , así como el alargamiento y diferenciación de la célula. ^[91]

Las proteínas más notables asociadas con el citoesqueleto de actina en las plantas incluyen: ^{[91] la} villina , que pertenece a la misma familia que la gelsolina / severina y es capaz de cortar microfilamentos y unir monómeros de actina en presencia de cationes de calcio; fimbrina , que es capaz de reconocer y unir monómeros de actina y que participa en la formación de redes (mediante un proceso de regulación diferente al de los animales y las levaduras); ^[92] forminas , que pueden actuar como un agente nucleante de polimerización de F-actina; miosina , un motor molecular típico que es específico de eucariotas y que en Arabidopsis thaliana está codificado por 17 genes en dos clases distintas; CHUP1, que puede unirse a la actina y está implicado en la distribución espacial de los cloroplastos en la célula; KAM1 / MUR3 que definen la morfología del aparato de Golgi así como la composición de xiloglucanos en la pared celular; NtWLIM1, que facilita la aparición de estructuras celulares de actina; y ERD10, que está involucrado en la asociación de orgánulos dentro de membranas y microfilamentos y que parece jugar un papel que está involucrado en la reacción de un organismo al estrés .

Actina nuclear

La actina nuclear fue notada y descrita por primera vez en 1977 por Clark y Merriam. ^{[93] Los} autores describen una proteína presente en la fracción nuclear, obtenida de ovocitos de Xenopus laevis , que muestra las mismas características que la actina del músculo esquelético. Desde entonces, ha habido muchos informes científicos sobre la estructura y funciones de la actina en el núcleo (para una revisión, ver: Hofmann 2009. ^[94] ) El nivel controlado de actina en el núcleo, su interacción con las proteínas de unión a actina (ABP) y la presencia de diferentes isoformas permite que la actina juegue un papel importante en muchos procesos nucleares importantes. ^[95]

Transporte de actina a través de la membrana nuclear.

La secuencia de actina no contiene una señal de localización nuclear. El pequeño tamaño de la actina (alrededor de 43 kDa) le permite ingresar al núcleo por difusión pasiva. ^[96] Sin embargo, la actina se desplaza entre el citoplasma y el núcleo con bastante rapidez, lo que indica la existencia de transporte activo. La importación de actina al núcleo (probablemente en un complejo con cofilina) se ve facilitada por la importación de proteína importina 9. ^[97]

El bajo nivel de actina en el núcleo parece ser muy importante, porque la actina tiene dos señales de exportación nuclear (NES) en su secuencia. La actina microinyectada se elimina rápidamente del núcleo al citoplasma. La actina se exporta al menos de dos formas, a través de exportin 1 (EXP1) y exportin 6 (Exp6). ^{[98] [99]}

Las modificaciones específicas, como la SUMOilación, permiten la retención de actina nuclear. Se demostró que una mutación que previene la SUMOilación provoca una rápida exportación de beta actina desde el núcleo. ^[100]

Sobre la base de los resultados experimentales, se puede proponer un mecanismo general de transporte de actina nuclear: ^{[100] [101]}

• En el citoplasma, la cofilina se une a los monómeros de ADP-actina. Este complejo se importa activamente al núcleo.
• Una mayor concentración de ATP en el núcleo (en comparación con el citoplasma) promueve el intercambio de ADP a ATP en el complejo actina-cofilina. Esto debilita la fuerza de unión de estas dos proteínas.
• El complejo de cofilina-actina finalmente se disocia después de la fosforilación de cofilina por la quinasa LIM nuclear.
• La actina está SUMOilada y de esta forma se retiene dentro del núcleo.
• La actina puede formar complejos con la profilina y salir del núcleo a través de la exportina 6.

La organización de la actina nuclear.

La actina nuclear existe principalmente como monómero, pero también puede formar oligómeros dinámicos y polímeros cortos. ^{[102] [103] [104]} La organización de la actina nuclear varía en diferentes tipos de células. Por ejemplo, en los ovocitos de Xenopus (con mayor nivel de actina nuclear en comparación con las células somáticas), la actina forma filamentos que estabilizan la arquitectura del núcleo. Estos filamentos se pueden observar al microscopio gracias a la tinción con faloidina conjugada con fluoróforo. ^{[93] [96]}

En los núcleos de células somáticas, sin embargo, no se pueden observar filamentos de actina utilizando esta técnica. ^[105] El ensayo de inhibición de la DNasa I, hasta ahora la única prueba que permite la cuantificación de la actina polimerizada directamente en muestras biológicas, ha revelado que la actina nuclear endógena de hecho se presenta principalmente en forma monomérica. ^[104]

El nivel de actina controlado con precisión en el núcleo celular, más bajo que en el citoplasma, evita la formación de filamentos. La polimerización también se reduce por el acceso limitado a los monómeros de actina, que están unidos en complejos con ABP, principalmente cofilina. ^[101]

Isoformas de actina en el núcleo celular

Se presta poca atención a las isoformas de actina; sin embargo, se ha demostrado que en el núcleo celular están presentes diferentes isoformas de actina. Las isoformas de actina, a pesar de su alta similitud de secuencia, tienen diferentes propiedades bioquímicas como la polimerización y la despolimerización cinética. ^[106] También muestran diferentes localizaciones y funciones.

El nivel de isoformas de actina, tanto en el citoplasma como en el núcleo, puede cambiar, por ejemplo, en respuesta a la estimulación del crecimiento celular o la detención de la proliferación y la actividad transcripcional. ^[107]

Las preocupaciones de la investigación sobre la actina nuclear suelen centrarse en la isoforma beta. ^{[108] [109] [110] [111]} Sin embargo, el uso de anticuerpos dirigidos contra diferentes isoformas de actina permite identificar no solo la beta citoplasmática en el núcleo celular, sino también:

• actina gamma en los núcleos celulares del melanoma humano, ^[104]
• actina del músculo esquelético alfa en los núcleos de mioblastos de ratón, ^[112]
• gamma actina citoplasmática y también alfa actina del músculo liso en el núcleo del fibroblasto fetal de ratón ^[113]

La presencia de diferentes isoformas de actina puede tener un efecto significativo sobre su función en procesos nucleares, especialmente porque el nivel de isoformas individuales puede controlarse de forma independiente. ^[104]

Funciones de la actina nuclear

Las funciones de la actina en el núcleo están asociadas con su capacidad para polimerizar e interactuar con una variedad de ABP y con elementos estructurales del núcleo. La actina nuclear está involucrada en:

• Arquitectura del núcleo : la interacción de la actina con la espectrina alfa II y otras proteínas es importante para mantener la forma adecuada del núcleo. ^{[114] [115]}
• Transcripción : la actina participa en la reorganización de la cromatina, ^{[80] [108] [116] [117]} iniciación de la transcripción e interacción con el complejo de transcripción. ^[118] La actina participa en la regulación de la estructura de la cromatina, ^{[119] [120] [121]} interactuando con la ARN polimerasa I, ^[111] II ^[109] y III. ^[110] En la transcripción de Pol I, la actina y la miosina ( MYO1C , que se une al ADN) actúan como un motor molecular . Para la transcripción de Pol II, se necesita β-actina para la formación del complejo de preiniciación. Pol III contiene β-actina como subunidad. La actina también puede ser un componente de los complejos de remodelación de la cromatina, así como de las partículas pre-mRNP (es decir, el ARN mensajero precursor incluido en las proteínas) y participa en la exportación nuclear de ARN y proteínas. ^[122]
• Regulación de la actividad genética : la actina se une a las regiones reguladoras de diferentes tipos de genes. ^{[123] [124] [125] [126]} La capacidad de la actina para regular la actividad genética se utiliza en el método de reprogramación molecular, que permite que las células diferenciadas regresen a su estado embrionario. ^{[125] [127]}
• Translocación del fragmento de cromosoma activado de la región debajo de la membrana a la eucromatina donde comienza la transcripción. Este movimiento requiere la interacción de actina y miosina. ^{[128] [129]}
• Integración de diferentes compartimentos celulares . La actina es una molécula que integra las vías de transducción de señales nucleares y citoplasmáticas. ^[130] Un ejemplo es la activación de la transcripción en respuesta a la estimulación sérica de células in vitro . ^{[131] [132] [133]}
• Respuesta inmune : la actina nuclear se polimeriza tras la estimulación del receptor de células T y es necesaria para la expresión de citocinas y la producción de anticuerpos in vivo . ^[134]

Debido a su capacidad para sufrir cambios conformacionales e interacción con muchas proteínas, la actina actúa como un regulador de la formación y actividad de complejos proteicos como el complejo transcripcional. ^[118]

Contracción muscular

La estructura de un sarcómero , la unidad morfológica y funcional básica de los músculos esqueléticos que contiene actina.

Esquema de una contracción muscular

En las células musculares, las miofibrillas de actomiosina constituyen gran parte del material citoplasmático. Estas miofibrillas están formadas por finos filamentos de actina (típicamente alrededor de 7 nm de diámetro) y filamentos gruesos de la proteína motora miosina (típicamente alrededor de 15 nm de diámetro). ^[135] Estas miofibrillas utilizan energía derivada del ATP para crear movimientos de células, como la contracción muscular . ^[135] Usando la hidrólisis de ATP para obtener energía, las cabezas de miosina se someten a un ciclo durante el cual se adhieren a filamentos delgados, ejercen una tensión y luego, dependiendo de la carga, realizan una carrera de potencia que hace que los filamentos delgados se deslicen y se acorten. el músculo.

En los haces contráctiles, la proteína alfa- actinina que forma los haces de actina separa cada filamento delgado en ~ 35 nm. Este aumento en la distancia permite que los filamentos gruesos encajen entre sí e interactúen, permitiendo la deformación o contracción. En la deformación, un extremo de la miosina se une a la membrana plasmática , mientras que el otro extremo "camina" hacia el extremo positivo del filamento de actina. Esto hace que la membrana adopte una forma diferente en relación con la corteza celular . Para la contracción, la molécula de miosina generalmente está unida a dos filamentos separados y ambos extremos simultáneamente "caminan" hacia el extremo positivo de su filamento, deslizando los filamentos de actina más cerca uno del otro. Esto resulta en el acortamiento o contracción del haz de actina (pero no del filamento). Este mecanismo es responsable de la contracción muscular y la citocinesis , la división de una célula en dos.

Papel de la actina en la contracción muscular

El filamento helicoidal de F-actina que se encuentra en los músculos también contiene una molécula de tropomiosina , una proteína de 40 nanómetros que se envuelve alrededor de la hélice de F-actina. Durante la fase de reposo la tropomiosina recubre los sitios activos de la actina para que la interacción actina-miosina no se produzca y produzca una contracción muscular (la interacción da lugar a un movimiento entre las dos proteínas que, al repetirse muchas veces, produce una contracción) . Hay otras moléculas de proteínas unidas a la rosca tropomiosina, estos incluyen las troponinas que tienen tres polímeros: troponina I , troponina T , y troponina C . ^[38] La función reguladora de la tropomiosina depende de su interacción con la troponina en presencia de iones Ca ²⁺ . ^[136]

Tanto la actina como la miosina están involucradas en la contracción y relajación muscular y constituyen el 90% de las proteínas musculares. ^[137] El proceso general se inicia mediante una señal externa, generalmente a través de un potencial de acción que estimula el músculo, que contiene células especializadas cuyos interiores son ricos en filamentos de actina y miosina. El ciclo de contracción-relajación comprende los siguientes pasos: ^[82]

1. La despolarización de la sarcolema y transmisión de un potencial de acción a través de los túbulos T .
2. Apertura del retículo sarcoplásmico ‘s Ca 2+ canales.
3. Aumento de las concentraciones de Ca ²⁺ citosólico y la interacción de estos cationes con la troponina provocando un cambio conformacional en su estructura . Esto, a su vez, altera la estructura de la tropomiosina, que recubre el sitio activo de la actina, lo que permite la formación de enlaces cruzados de miosina-actina (esta última presente como filamentos delgados). ^[38]
4. El movimiento de las cabezas de miosina sobre los filamentos delgados, puede involucrar ATP o ser independiente de ATP. El mecanismo anterior, mediada por ATPasa actividad en las cabezas de miosina, provoca el movimiento de los filamentos de actina hacia el Z-disco .
5. Captura de Ca ²⁺ por el retículo sarcoplásmico, provocando un nuevo cambio conformacional en la tropomiosina que inhibe la interacción actina-miosina. ^[137]

Otros procesos biológicos

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Imágenes de fluorescencia de la dinámica de la actina durante la primera división celular embrionaria de C. elegans . Primero, los filamentos de actina se ensamblan en la parte superior de la célula, contribuyendo así a la división celular asimétrica . Luego, a los 10 s, se puede observar la formación del anillo de actina contráctil.