Microfilamento

Citoesqueleto de actina de fibroblastos de embriones de ratón , teñidos con isotiocianato de fluoresceína - faloidina

Los microfilamentos , también llamados filamentos de actina , son filamentos de proteínas en el citoplasma de las células eucariotas que forman parte del citoesqueleto . Se componen principalmente de polímeros de actina , pero se modifican e interactúan con muchas otras proteínas de la célula. Los microfilamentos suelen tener unos 7 nm de diámetro y están formados por dos hebras de actina. Las funciones del microfilamento incluyen citocinesis , movimiento ameboide , motilidad celular , cambios en la forma celular, endocitosis yexocitosis , contractilidad celular y estabilidad mecánica. Los microfilamentos son flexibles y relativamente fuertes, y resisten el pandeo por fuerzas de compresión multi-piconewton y la fractura del filamento por fuerzas de tracción de nanonewton. Al inducir la motilidad celular , un extremo del filamento de actina se alarga mientras que el otro extremo se contrae, presumiblemente por motores moleculares de miosina II . ^[1] Además, funcionan como parte de actomiosina motores moleculares impulsada contráctiles, en el que los filamentos finos sirven como plataformas de tracción para de miosina ATP dependiente de acción de tracción en la contracción muscular y seudópodoavance. Los microfilamentos tienen una estructura resistente y flexible que ayuda a la célula a moverse. ^[2]

Historia

Los procesos mediados por actina y microfilamentos han sido objeto de investigación durante mucho tiempo. El botánico estadounidense-alemán George Engelmann (1879) sugirió que muchos tipos de movimiento observados en plantas y protozoos, como el flujo citoplasmático y el movimiento ameboide, eran de hecho una versión primitiva de los movimientos de contracción muscular .

En la década de 1930, Szent-Györgyi y colaboradores, violando uno de los cánones de la bioquímica , comenzaron a "estudiar el residuo en lugar del extracto", es decir, proteínas estructurales y no enzimas , lo que llevó a muchos descubrimientos relacionados con los microfilamentos. ^[3]

Organización

Los filamentos de actina se ensamblan en dos tipos generales de estructuras: haces y redes. Los paquetes pueden estar compuestos por arreglos de filamentos polares, en los que todos los extremos con púas apuntan al mismo extremo del paquete, o arreglos no polares, donde los extremos con púas apuntan hacia ambos extremos. Una clase de proteínas de unión a actina , llamadas proteínas de reticulación, dictan la formación de estas estructuras. Las proteínas de reticulación determinan la orientación y el espaciado de los filamentos en los haces y redes. Estas estructuras están reguladas por muchas otras clases de proteínas de unión a actina, incluidas proteínas motoras, proteínas de ramificación, proteínas de corte, promotores de polimerización y proteínas de protección.

In vitro autoensamblaje

Medición de aproximadamente 6 nm en diámetro , ^[4] microfilamentos son las fibras más finas del citoesqueleto. Son polímeros de subunidades de actina (actina globular o G-actina), que como parte de la fibra se denominan actina filamentosa o F-actina. Cada microfilamento está formado por dos hebras de subunidades entrelazadas y helicoidales . Al igual que los microtúbulos , los filamentos de actina están polarizados. Las micrografías electrónicas han proporcionado evidencia de sus extremos con púas de rápido crecimiento y su extremo puntiagudo de crecimiento lento. Esta polaridad ha sido determinada por el patrón creado por la uniónde fragmentos de miosina S1: ellos mismos son subunidades del complejo proteico de miosina II más grande . El extremo puntiagudo se conoce comúnmente como el extremo menos (-) y el extremo con púas se conoce como el extremo más (+).

La polimerización o nucleación de actina in vitro comienza con la autoasociación de tres monómeros de actina G para formar un trímero . La actina unida a ATP se une por sí misma al extremo con púas y, posteriormente, el ATP se hidroliza . La hidrólisis de ATP ocurre con un tiempo medio de aproximadamente 2 segundos, ^[5] mientras que el tiempo medio para la disociación del fosfato inorgánico es de aproximadamente 6 minutos. ^[5] Este evento autocatalizado reduce la fuerza de unión entre subunidades vecinas y, por lo tanto, generalmente desestabiliza el filamento. En vivoLa polimerización de actina es catalizada por una clase de motores moleculares de seguimiento de extremos de filamentos conocidos como actoclampinas . La evidencia reciente sugiere que la tasa de hidrólisis de ATP y la tasa de incorporación de monómero están fuertemente acopladas.

Posteriormente, la ADP -actina se disocia lentamente del extremo puntiagudo, un proceso significativamente acelerado por la proteína de unión a actina, la cofilina . La cofilina unida a ADP corta las regiones ricas en ADP más cercanas a los extremos (-) -. Tras su liberación, el monómero de actina libre se disocia lentamente del ADP, que a su vez se une rápidamente al ATP libre que se difunde en el citosol , formando así las unidades monoméricas de ATP-actina necesarias para una mayor elongación del filamento del extremo con púas. Esta rápida rotación es importante para el movimiento de la célula. Las proteínas de terminación como CapZ evitan la adición o pérdida de monómeros en el extremo del filamento donde el recambio de actina es desfavorable, como en el aparato muscular.

La polimerización de actina junto con proteínas de protección se utilizaron recientemente para controlar el crecimiento tridimensional del filamento de proteína a fin de realizar topologías 3D útiles en tecnología y la creación de interconexiones eléctricas. La conductividad eléctrica se obtiene mediante la metalización de la estructura 3D de la proteína. ^{[6] [7]}

Mecanismo de generación de fuerza

Como resultado de la hidrólisis de ATP, los filamentos se alargan aproximadamente 10 veces más rápido en sus extremos con púas que en sus extremos puntiagudos. En estado estacionario , la velocidad de polimerización en el extremo con púas coincide con la velocidad de despolimerización en el extremo puntiagudo, y se dice que los microfilamentos son una cinta de correr . La cinta de correr da como resultado un alargamiento en el extremo con púas y un acortamiento en el extremo puntiagudo, de modo que el filamento en total se mueve. Dado que ambos procesos son energéticamente favorables, esto significa que se genera fuerza, la energía finalmente proviene del ATP. ^[1]

Actina en las células

El ensamblaje y el desensamblaje del citoesqueleto de actina intracelular están estrechamente regulados por mecanismos de señalización celular. Muchos sistemas de transducción de señales usan el citoesqueleto de actina como un andamio, manteniéndolos en o cerca de la cara interna de la membrana periférica . Esta ubicación subcelular permite una respuesta inmediata a la acción del receptor transmembrana y la cascada resultante de enzimas procesadoras de señales.

Debido a que los monómeros de actina deben reciclarse para mantener altas tasas de motilidad basada en actina durante la quimiotaxis , se cree que la señalización celular activa la cofilina, la proteína despolimerizante del filamento de actina que se une a las subunidades de actina ricas en ADP más cercanas al extremo puntiagudo del filamento y promueve la fragmentación del filamento. , con despolimerización concomitante para liberar monómeros de actina. En la mayoría de las células animales, la actina monomérica se une a la profilina y a la timosina beta-4., los cuales se unen preferentemente con estequiometría uno a uno a monómeros que contienen ATP. Aunque la timosina beta-4 es estrictamente una proteína secuestradora de monómeros, el comportamiento de la profilina es mucho más complejo. Profilin mejora la capacidad de los monómeros para ensamblarse estimulando el intercambio de ADP unido a actina por ATP en fase de solución para producir actina-ATP y ADP. Profilin se transfiere al borde de ataque en virtud de su sitio de unión PIP 2 , y emplea su sitio de unión de poli-L-prolina para acoplarse a proteínas de seguimiento de extremos. Una vez unido, la profilina-actina-ATP se carga en el sitio de inserción del monómero de los motores de actoclampina.

Otro componente importante en la formación de filamentos es el complejo Arp2 / 3 , que se une al lado de un filamento ya existente (o "filamento madre"), donde nuclea la formación de un nuevo filamento hijo en un ángulo de 70 grados con respecto a la madre. filamento, que efectúa una red de filamentos ramificados en forma de abanico. ^[8]

Las estructuras citoesqueléticas de actina únicas especializadas se encuentran adyacentes a la membrana plasmática. Cuatro ejemplos notables incluyen glóbulos rojos , células renales embrionarias humanas , neuronas y espermatozoides . En los glóbulos rojos, una red hexagonal de espectrina- actina está formada por filamentos cortos de actina interconectados. ^[9] En las células renales embrionarias humanas, la actina cortical forma una estructura fractal libre de escamas . ^[10] En los axones neuronales , la actina forma anillos periódicos que son estabilizados por espectrina y aducina. ^{[11] [12]} Y en el esperma de los mamíferos, la actina forma unestructura helicoidal en la pieza intermedia, es decir, el primer segmento del flagelo . ^[13]

Proteínas asociadas

En las células no musculares, los filamentos de actina se forman proximales a las superficies de las membranas. Su formación y renovación están reguladas por muchas proteínas, que incluyen:

• Proteína de seguimiento del extremo del filamento (p. Ej., Formins , VASP , N-WASP )
• Filamento-nucleador conocido como complejo de proteína relacionada con actina 2/3 (o Arp2 / 3 )
• Reticuladores de filamentos (p. Ej., Α-actinina, fascin y fimbrina )
• Proteínas de unión a monómero de actina profilina y timosina β4
• Filamento cappers gama de púas tales como Proteína Capping y CapG, etc .
• Proteínas que cortan los filamentos como la gelsolina .
• Proteínas despolimerizantes de actina como ADF / cofilin .

La red de filamentos de actina en las células no musculares es muy dinámica. La red de filamentos de actina está dispuesta con el extremo con púas de cada filamento unido a la membrana periférica de la célula por medio de motores de elongación de filamentos fijados, los "actoclampins" antes mencionados, formados a partir de un extremo con púas del filamento y una proteína de fijación (formins , VASP, Mena, WASP y N-WASP). ^[14] El sustrato principal de estos motores de elongación es el complejo profilina-actina-ATP que se transfiere directamente a los extremos de los filamentos que se alargan. ^[15] El extremo puntiagudo de cada filamento está orientado hacia el interior de la celda. En el caso del crecimiento lamelipodial, el complejo Arp2 / 3 genera una red ramificada y en los filopodios se forma una matriz paralela de filamentos.

La actina actúa como una pista para la motilidad motora de la miosina

Los motores de miosina son enzimas intracelulares dependientes de ATP que se unen y se mueven a lo largo de los filamentos de actina. Varias clases de motores de miosina tienen comportamientos muy diferentes, que incluyen ejercer tensión en la célula y transportar vesículas de carga.

Un modelo propuesto - extremos del filamento de la pista de actoclampins

Un modelo propuesto sugiere la existencia de motores moleculares de seguimiento de extremos de púas de filamento de actina denominados "actoclampina". ^[16] Las actoclampinas propuestas generan las fuerzas propulsoras necesarias para la motilidad basada en actina de lamelipodios , filopodios , invadipodios, espinas dendríticas , vesículas intracelulares y procesos móviles en endocitosis , exocitosis , formación de podosomas y fagocitosis . Los motores de actoclampina también impulsan patógenos intracelulares como Listeria monocytogenes , Shigella flexneri , Vacciniay Rickettsia . Cuando se ensamblan en condiciones adecuadas, estos motores moleculares de seguimiento final también pueden impulsar partículas biomiméticas .

El término actoclampin se deriva de acto - para indicar la participación de un filamento de actina, como en actomiosina, y abrazadera para indicar un dispositivo de sujeción utilizado para fortalecer objetos flexibles / móviles y para sujetar de forma segura dos o más componentes, seguido del sufijo - en para indicar su origen proteico. Por tanto, una proteína de seguimiento de extremos de filamentos de actina puede denominarse clampina.

Dickinson y Purich reconocieron que la rápida hidrólisis de ATP podría explicar las fuerzas logradas durante la motilidad basada en actina. ^[14] Propusieron una secuencia mecanoenzimática simple conocida como Modelo de bloqueo, carga y disparo , en el que una proteína de seguimiento final permanece fuertemente unida ("bloqueada" o sujeta) en el extremo de un sub-filamento de la actina de doble hebra. filamento. Después de unirse a los registros Glycyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-en las proteínas rastreadoras, la profilina-ATP-actina se administra ("carga") al extremo no sujeto del otro subfilamento, después de lo cual ATP dentro de la subunidad terminal ya sujetada del otro subfragmento se hidroliza ("dispara"), proporcionando la energía necesaria para liberar ese brazo del rastreador final, que luego puede unir otra profilina-ATP-actina para comenzar una nueva ronda de adición de monómero .

Pasos involucrados

Los siguientes pasos describen un ciclo de generación de fuerza de un motor molecular actoclampin:

1. El cofactor de polimerización profilina y el ATP · actina se combinan para formar un complejo profilina-ATP-actina que luego se une a la unidad de seguimiento final.
2. El cofactor y el monómero se transfieren al extremo con púas de un filamento de actina ya sujeto
3. La unidad de seguimiento y el cofactor se disocian del protofilamento adyacente, en un paso que puede ser facilitado por la energía de hidrólisis de ATP para modular la afinidad del cofactor y / o la unidad de seguimiento por el filamento; y luego se repite este ciclo mecanoenzimático, comenzando esta vez en el otro sitio de crecimiento del sub-filamento.

Cuando funcionan con el beneficio de la hidrólisis de ATP, los motores de CA generan fuerzas por filamento de 8 a 9 pN, que es mucho mayor que el límite por filamento de 1 a 2 pN para motores que funcionan sin hidrólisis de ATP. ^{[14] [16] [17]} El término actoclampin es genérico y se aplica a todos los motores moleculares de seguimiento de extremos de filamentos de actina, independientemente de si son impulsados ​​activamente por un mecanismo activado por ATP o pasivamente.

Algunas actoclampinas (p. Ej., Las que involucran proteínas Ena / VASP, WASP y N-WASP) aparentemente requieren la iniciación del filamento mediada por Arp2 / 3 para formar el núcleo de polimerización de actina que luego se "carga" en el rastreador final antes de que pueda comenzar la motilidad procesiva. . Para generar un nuevo filamento, Arp2 / 3 requiere un filamento "madre", ATP-actina monomérica y un dominio de activación de Listeria ActA o la región VCA de N-WASP. El complejo Arp2 / 3 se une al lado del filamento madre, formando una rama en forma de Y que tiene un ángulo de 70 grados con respecto a la longitudeje del filamento madre. Luego, tras la activación por ActA o VCA, se cree que el complejo Arp sufre un cambio conformacional importante, lo que hace que sus dos subunidades de proteínas relacionadas con la actina se acerquen lo suficiente entre sí para generar una nueva puerta de filamento. Si la hidrólisis de ATP puede ser necesaria para la nucleación y / o la liberación de la rama Y es un asunto que se encuentra bajo investigación activa.

Referencias

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Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con microfilamentos .

Scholia tiene un perfil de filamento de actina (Q329638) .

• Microfilamentos en los encabezados de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
• Microfilamento + proteínas en los títulos de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
• " Microfilamento " en el Diccionario médico de Dorland