- Estructura: filaments d'actina
- Actina G i actina F
- On trobem a l'actina?
- Característiques
- funcions
- contracció muscular
- Com ocorre la contracció muscular?
- Com s'atura la contracció muscular?
- Altres tipus de moviment
- Regulació de la polimerització i despolimerització de l'filament d'actina
- Formació de l'citoesquelet d'actina
- Model d'acció d'interacció actina-miosina
- Moviment cel·lular impulsat per la polimerització d'actina
- Malalties relacionades a l'actina
- distròfia muscular
- referències
La actina és una proteïna citosòlica que forma microfilaments. En els eucariotes, l'actina és una de les proteïnes més abundants. Per exemple, representa el 10% en pes de la proteïna total en les cèl·lules musculars; i entre 1 i 5% de la proteïna en cèl·lules no musculars.
Aquesta proteïna, al costat dels filaments intermedis i els microtúbuls, forma el citoesquelet, la funció principal és la mobilitat de la cèl·lula, el manteniment de la forma cel·lular, la divisió cel·lular i el moviment de organel·les en plantes, fongs i animals.
Font: Sarcomere.svg: David Richfield (Slashme user) derivative work: Ginesta
Les isoformes de l'citoesquelet d'actina tenen funcions diferents, com ara: regulació en el desenvolupament de la tensió activa en el múscul llis, cicle cel·lular, desenvolupament dels embrions, desenvolupament de teixits i cicatrització de ferides.
Des del punt de vista evolutiu, l'actina és una proteïna altament conservada. Hi voltant de 90% d'homologia de seqüència en diferents espècies. En organismes unicel·lulars, un únic gen codifica una isoforma d'actina. Mentre que en organismes multicel·lulars, diferents gens codifiquen múltiples isoformes d'actina.
L'actina, juntament amb la miosina, van ser estructures crucials en l'esdevenir evolutiu dels organismes eucariotes i en la diversificació dels mateixos, ja que van permetre el moviment en absència d'altres estructures, com flagels i cilis.
Estructura: filaments d'actina
L'actina és una proteïna globular d'una sola cadena polipeptídica. En el múscul, l'actina té una massa molecular d'aproximadament uns 42 KDa.
Aquesta proteïna posseeix dos dominis. Cada un té dos subdominis, i una esquerda entre els dominis. L'ATP-Mg +2 s'uneix a el fons de l'esquerda. Els amino i carboxil terminals s'ajunten en el subdomini 1.
Actina G i actina F
Hi ha dues formes d'actina principals: el monòmer d'actina, denominat actina G; i un polímer filamentós, conformat per monòmers d'actina G, denominat actina F. Els filaments d'actina, observats mitjançant microscòpia electrònica, tenen regions estretes i amples, de respectivament 7 nm i 9 nm de diàmetre.
Al llarg de l'filament, els monòmers d'actina forma una doble hèlix atapeïda. Una unitat que es repeteix al llarg de l'filament consta de 13 hèlixs i 28 monòmers d'actina, i té una distància de 72 nm.
El filament d'actina té dos extrems. Un el forma l'esquerda que uneix ATP-Mg +2, que se situa en la mateixa direcció en tots els monòmers d'actina de l'filament, anomenat extrem (-); i l'altre extrem és l'oposat, denominat extrem (+). Per això, es diu que el filament d'actina té polaritat.
Moltes vegades aquests components són coneguts com microfilaments, ja que són els components de l'citoesquelet que presenten menor diàmetre.
On trobem a l'actina?
L'actina és una proteïna extremadament comuna en els organismes eucariotes. De totes les proteïnes cel·lulars, l'actina representa prop de el 5 a l'10% - depenent de el tipus cel·lular. En el fetge, per exemple, cadascuna de les cèl·lules que el constitueixen posseeix gairebé 5.10 8 molècules d'actina.
Característiques
Les dues formes de l'actina, monòmer i filament, es troben contínuament en un equilibri dinàmic entre polimerització i despolimerització. En general, hi ha tres característiques resaltantes d'aquest fenomen:
1) Els filaments d'actina són típics de l'estructura de el teixit muscular i de l'citoesquelet de les cèl·lules eucariotes.
2) La polimerització i despolimerització és un procés dinàmic que és regulat. On la polimerització o agregació de monòmers d'actina G-ATP-Mg +2 passa per tots dos extrems. Que aquest procés ocorri depèn de les condicions de el medi i les proteïnes reguladores.
3) La formació de feixos i reticles, que componen el citoesquelet d'actina, dóna força a la motilitat cel·lular. Això depèn de proteïnes que participen en la formació d'enllaços creuats.
funcions
contracció muscular
La unitat funcional i estructural de l'múscul esquelètic és el sarcòmer, el qual posseeix dos tipus de filaments: els filaments prims, formats per actina, i els filaments gruixuts, formats per miosina. Tots dos filaments estan organitzats de forma alternada, d'una manera geomètrica precisa. Permeten la contracció muscular.
Els filaments prims estan ancorats a regions denominades discos Z. Aquesta regió consisteix en un entramat de fibres, en el qual es troba la proteïna CapZ, ia la qual s'ancoren els extrems (+) dels filaments d'actina. Aquest ancoratge evita despolimerització de l'extrem (+).
D'altra banda, en els extrems (-) dels filaments d'actina es localitza la tropomodulina, i els protegeix de la despolimerització. A més de l'actina, els filaments prims posseeixen tropomiosina i troponina, que tenen com a funció controlar les interaccions de actomiosina.
Com ocorre la contracció muscular?
Durant la contracció muscular, els filaments gruixuts realitzen moviments de pivot, i tiren dels filaments prims cap a la meitat de l'sarcòmer. Això produeix el lliscament de les fibres gruixudes i primes.
Així, la longitud dels filaments gruixuts i prims es manté constant, però incrementa el solapament entre els dos filaments. La longitud de l'sarcòmer disminueix per l'ancoratge de filaments prims als discos Z.
Com s'atura la contracció muscular?
L'ATP és la moneda energètica de la cèl·lula. Per això, aquesta gairebé sempre disponible en els teixits musculars vius. Tenint en compte l'anterior, ha d'haver mecanismes que permetin la relaxació del múscul i la detenció de les contraccions.
Dues proteïnes, denominades tropomiosina i troponina, tenen un paper fonamental en aquest fenomen. Aquestes treballen en conjunt per aconseguir bloquejar els llocs d'unió de la miosina (impedint així la seva unió amb l'actina). Com a resultat, el múscul es relaxa.
Contràriament, quan un animal mor experimenta un fenomen conegut com rigor mortis. El responsable d'aquest enduriment de el cadàver és el bloqueig de la interacció entre la miosina i l'actina, poc temps després de la mort de l'animal.
Una de les conseqüències d'aquest fenomen és la necessitat d'ATP per l'alliberament de les dues molècules de proteïnes. Lògicament, en els teixits morts no hi ha disponibilitat d'ATP i no pot passar aquest alliberament.
Altres tipus de moviment
El mateix mecanisme que descrivim (més endavant aprofundirem en el mecanisme subjacent a el moviment) no es restringeix a les contraccions musculars dels animals. És el responsable dels moviments de tipus ameboidales que observem en les amebes i en alguns floridures colonials.
De la mateixa manera, el moviment citoplasmàtic que observem en les algues i en les plantes terrestres està dirigit per mecanismes similars.
Regulació de la polimerització i despolimerització de l'filament d'actina
La contracció de el teixit de l'múscul llis i les cèl·lules produeix un augment d'actina F i una disminució d'actina G. La polimerització d'actina es produeix en tres etapes: 1) nucleació, un pas lent; 2) elongació, un pas ràpid; i 3) estat estable. La velocitat de polimerització és igual a la velocitat de despolimerització.
El filament d'actina creix més ràpid per l'extrem (+) que l'extrem (-). La velocitat d'elongació és proporcional a la concentració de monòmers d'actina en equilibri amb filaments d'actina, anomenada concentració crítica (CC).
La Cc per a l'extrem (+) és 0,1 micres, i per a l'extrem (-) és 0,8 micres. En aquest cas es requereix a 8 vegades menys concentració de monòmers d'actina per polimeritzar l'extrem (+).
La polimerització de l'actina està regulada principalment per la timosina beta4 (TB4). Aquesta proteïna uneix actina G i la reté, evitant que polimerice. Mentre que la profilina estimula la polimerització de l'actina. La profilina s'uneix als monòmers d'actina facilitant la polimerització per l'extrem (+), mitjançant la dissociació de l'complex actina-TB4.
Altres factors com l'increment d'ions (Na +, K + o Mg +2) afavoreixen la formació de filaments.
Formació de l'citoesquelet d'actina
La formació de l'citoesquelet d'actina requereix l'elaboració d'enllaços creuats entre filaments d'actina. Aquests enllaços els formen proteïnes, les característiques resaltantes són: posseeixen dominis d'unió a l'actina; moltes tenen dominis homòlegs a la calponina; i cada tipus de proteïna s'expressa en un determinat tipus de cèl·lula.
En filopodios i fibres d'estrès, els enllaços creuats entre filaments d'actina els realitzen la fascina i la filamina. Aquestes proteïnes, respectivament, fan que filaments d'actina siguin paral·lels o que tinguin diferents angles. Per això, els filaments d'actina defineixen la forma de la cèl·lula.
La regió de la cèl·lula amb major quantitat de filaments d'actina es troba prop de la membrana plasmàtica. A aquesta regió se l'anomena escorça. El citoesquelet cortical s'organitza en diferents formes, depenent de el tipus de cèl·lula, i es connecta a la membrana plasmàtica a través de proteïnes fixadores.
Alguns dels citosquelets millor descrits són de cèl·lules de múscul, plaquetes, cèl·lules epitelials i eritròcits. Per exemple, en les cèl·lules musculars, la proteïna fixadora distrofina uneix els filaments d'actina a un complex glucoproteico integral de la membrana. Aquest complex s'uneix a proteïnes de la matriu extracel·lular.
Model d'acció d'interacció actina-miosina
Els investigadors liderats per Rayment van proposar un model de quatre passos per explicar la interacció de l'actina i la miosina. El primer pas es dóna amb la unió de l'ATP als caps de la miosina. Aquesta unió genera un canvi conformacional en la proteïna, alliberant-la de l'actina en el filament petit.
Després, l'ATP és hidrolitzat a ADP, alliberant un fosfat inorgànic. La molècula de miosina s'ancora a una nova subunitat d'actina, generant un estat d'alta energia.
L'alliberament de l'fosfat inorgànic comporta un canvi en la miosina, tornant a la conformació inicial i passant el moviment dels filaments petits, pel que fa als filaments gruixuts. Aquest moviment causa el moviment dels dos extrems de l'sarcòmer, apropant.
L'últim pas involucra l'alliberament de l'ADP. En aquest punt el cap de la miosina es troba lliure i pot unir-se a una nova molècula d'ATP.
Moviment cel·lular impulsat per la polimerització d'actina
La motilitat reptant és un tipus de motilitat de les cèl·lules. Els passos d'aquest tipus de motilitat són: projecció de l'eix líder d'adhesió cap al substrat; adhesió a l'substrat; retracció posterior; i des-adhesió.
La projecció de l'eix líder requereix de la participació de proteïnes, les quals participen en la polimerització i despolimerització de filaments d'actina. L'eix líder es troba en l'escorça cel·lular, anomenada lamellipodio. Els passos de projecció de l'eix són:
- Activació de receptors per senyal extracel·lular.
- Formació de GTPases actives i 4,5-bisfosfat fosfoinositol (PIP 2).
- Determinació de les proteïnes wasp / Scar i Arp2 / 3, que s'uneixen als monòmers d'actina per formar ramificacions en els filaments d'actina.
- Creixement ràpid dels filaments d'actina, per l'extrem decorat amb miosina, de la ramificació. Es produeix l'empenta de la membrana cap endavant.
- Culminació de l'elongació produïda per proteïnes de coberta.
- Hidròlisi de l'ATP unit a l'actina en els filaments més vells.
- despolimerització de l'actina-ADP dels filaments promoguda per ADF / cofilina.
- Intercanvi d'ADP per ATP catalitzat per profilina, generant actina G-ATP llista per començar a estirar ramificacions.
Malalties relacionades a l'actina
distròfia muscular
La distròfia muscular és una malaltia degenerativa de l'múscul esquelètic. Es hereta recesivamente i està lligada a l'cromosoma X. Afecta principalment a homes amb una freqüència alta a la població (un de cada 3.500 homes). Les mares d'aquests homes són heterozigotes asimptomàtiques, i poden mancar d'historial familiar.
Hi ha dues formes de distròfia muscular, Duchenne i Becker, i ambdues són ocasionades per defectes en el gen de la distrofina. Aquests defectes consisteixen en delecions que eliminen axons.
La distrofina és una proteïna (427 KDa) que forma enllaços creuats entre els filaments d'actina. Posseeix un domini d'unió a l'actina al N-terminal, i un domini d'unió a la membrana al C-terminal. Entre tots dos dominis hi ha un tercer domini tubular format per 24 repeticions en tàndem.
Al reticle cortical muscular, la distrofina participa en la unió dels filaments d'actina a la membrana plasmàtica mitjançant un complex glucoproteico. Aquest complex també s'uneix a les proteïnes de la matriu extracel·lular.
En els pacients que no tenen distrofina funcional, amb distròfia muscular de Duchenne, el citoesquelet cortical no sosté la membrana plasmàtica. En conseqüència, la membrana plasmàtica es fa malbé amb l'estrès de les contraccions musculars repetides.
referències
- Devlin, TM 2000. Bioquímica. Editorial Reverté, Barcelona.
- Gunst, SJ, and Zhang, W. 2008. Actin cytoskeletal dynamic in smooth muscle: a new paradigm for the regulation of smooth muscle contraction. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
- Lodish et, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Biologia cel·lular i molecular. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotà, Caracas, Madrid, Mèxic, Sāo Paulo.
- Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger-Principles of biochemistry. WH Freeman, New York.
- Pfaendtner, J., De la Cruz, EM, Voth, G. 2010. Actin filament remodeling by Actin depolymerization factor / cofilin. PNAS, 107: 7299-7304.
- Pollard, TD, Borisy, GG 2003. lular Motility Driven by Assembly and Disassembly of Actin Filaments. Cell, 112: 453-465.