MICROFILAMENTS: CARACTERÍSTIQUES, ESTRUCTURA, FUNCIONS, PATOLOGIA - BIOLOGIA - 2025

Els microfilaments o filaments d'actina, són un dels tres components fonamentals de l'citoesquelet de les cèl·lules eucariotes (microfilaments, microtúbuls i filaments intermedis) i estan compostos de petits filaments d'una proteïna anomenada actina (polímers d'actina).

En els eucariotes, els gens que codifiquen per als microfilaments d'actina es troben altament conservats en tots els organismes, de manera que moltes vegades són emprats com a marcadors moleculars per a estudis de diversa índole.

Fotografia dels filaments d'actina d'una cèl·lula tenyits (Font: Howard Vindin via Wikimedia Commons)

Els microfilaments es distribueixen per tot el citosol, però són especialment abundants a la regió subjacent a la membrana plasmàtica, on formen una de xarxa complexa i s'associen amb altres proteïnes especials per a conformar el citoesquelet.

Les xarxes de microfilaments en el citoplasma de les cèl·lules dels mamífers estan codificades per dos dels sis gens descrits per l'actina, que estan implicats en la dinàmica dels microfilaments i que fins i tot són molt importants durant la diferenciació de les cèl·lules mare.

Molts autors concorden que els microfilaments són les proteïnes més diverses, versàtils i importants de l'citoesquelet de la majoria de les cèl·lules eucariotes, i és important recordar que aquests no es troben en els microorganismes procariotes.

En aquest tipus de cèl·lules, en canvi, es troben uns filaments homòlegs als microfilaments, però que estan formats per una altra proteïna: la proteïna MreB.

En l'actualitat, es pensa que el gen que codifica per aquesta proteïna és un possible gen ancestral per l'actina dels eucariotes. No obstant, la homologia de seqüència dels aminoàcids que formen a la proteïna MreB és només de l'15% respecte a la seqüència de l'actina.

Com són part fonamental de l'citoesquelet, qualsevol defecte fenotípic tant en els microtúbuls com en els filaments intermedis i els microfilaments d'actina (citoesquelet) poden causar diferents patologies cel·lulars i sistèmiques.

Característiques i estructura

Els microfilaments estan constituïts per monòmers de proteïnes de la família actina, que són proteïnes contràctils summament abundants en les cèl·lules eucariotes, ja que també participen en la contracció muscular.

Aquests filaments tenen un diàmetre entre els 5 i els 7 nm, de manera que també es coneixen com filaments prims i estan compostos per dues formes d'actina: la forma globular (actina G) i la forma filamentosa (actina F).

Les proteïnes que participen en el citoesquelet es coneixen com actines γ i β, mentre que les que participen en la contracció són, usualment actines α.

La proporció d'actina globular i actina filamentosa al citosol depèn de les necessitats cel·lulars, ja que els microfilaments són estructures molt variables i versàtils, que estan en constant creixement i escurçament per polimerització i despolimerització.

L'actina G és una proteïna globular de mida petita, conformada per gairebé 400 aminoàcids i d'al voltant de 43 kDa de pes molecular.

Els monòmers d'actina G que conformen els microfilaments s'ordenen en forma de bri helicoïdal, ja que cada un pateix una torsió quan s'associa amb el següent.

L'actina G s'associa amb una molècula de Ca2 + i amb una altra d'ATP, que estabilitzen la seva forma globular; mentre que l'actina F s'obté després de la hidròlisi de l'fosfat terminal de la molècula d'ATP en l'actina G, el que contribueix a la polimerització.

organització

Els filaments d'actina poden organitzar-se en forma de "fas" o de "xarxes" que tenen diferents funcions en l'interior de les cèl·lules. Els feixos formen estructures paral·leles unides per ponts creuats bastant rígides.

Les xarxes, d'altra banda, són estructures més amples, com malles tridimensionals amb les propietats dels gels semisòlids.

Existeixen moltes proteïnes que s'associen amb els filaments d'actina o microfilaments i que es coneixen com ABP (de l'anglès Actin binding proteins), que posseeixen llocs específics per a això.

Moltes d'aquestes proteïnes els permeten als microfilaments interactuar amb els altres dos components de l'citoesquelet: els microtúbuls i els filaments intermedis, així com amb els altres components de la cara interna de la membrana plasmàtica.

Entre altres de les proteïnes amb les que interactuen els microfilaments es troben les làmines nuclears i la espectrina (en els glòbuls vermells).

Com es formen els filaments d'actina?

Ja que els monòmers d'actina globular s'uneixen sempre de la mateixa manera, orientats en la mateixa direcció, els microfilaments tenen una polaritat definida, amb dos extrems: un "més" i un "menys".

La polaritat d'aquests filaments és molt important, ja que aquests creixen considerablement més ràpid pel seu extrem positiu, on es van afegint els nous monòmers d'actina G.

Representació gràfica de la formació dels microfilaments d'actina (Font: derivative work: Ginesta (talk) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström via Wikimedia Commons)

El primer que té lloc durant la polimerització dels filaments d'actina és un procés conegut com "nucleació", que consisteix en l'associació de tres monòmers de la proteïna.

A aquest trímer s'addicionen nous monòmers per tots dos extrems, de manera que el filament creix. Els monòmers d'actina G són capaços d'hidrolitzar ATP amb cada unió, el que té implicacions en la velocitat de la polimerització, ja que les porcions actina-ATP es dissocien amb més dificultat que les d'actina-ADP.

L'ATP no és necessari per a la polimerització i la funció concreta de la seva hidròlisi encara no ha estat aclarida.

Alguns autors consideren que, atès que els esdeveniments de polimerització d'actina són ràpidament reversibles, l'ATP associat amb aquests processos pot representar fins el 40% de l'recanvi cel·lular total d'aquesta molècula energètica.

Regulació

Tant la polimerització dels filaments d'actina com la seva despolimerització són processos altament regulats per una sèrie de proteïnes específiques, que s'encarreguen de la remodelació dels filaments.

Exemple de les proteïnes que regulen la despolimerització són el factor de despolimerització d'actina cofilina. Una altra proteïna, la profilina, té una funció contrària, ja que estimula l'associació dels monòmers (mitjançant l'estimulació de l'intercanvi d'ADP per ATP).

funcions

Els microfilaments interactuen amb els filaments de miosina que estan associats amb proteïnes transmembranales que posseeixen un domini en el citosol i un altre a l'exterior cel·lular, de manera que participen en els processos de mobilitat cel·lular.

Aquests microfilaments associats amb la membrana plasmàtica mitjançant diverses respostes cel·lulars a diferents classes d'estímuls. Per exemple, l'adhesió cel·lular dels teixits epitelials està dirigida per unes proteïnes transmembranales conegudes com cadherinas, que interactuen amb els microfilaments per reclutar els factors de resposta.

Els filaments d'actina interactuen amb els filaments intermedis per fer que els estímuls extracel·lulars es transmeten a llocs claus com els ribosomes i els cromosomes a l'interior de l'nucli.

Representació de la funció motora intracel·lular dels microfilaments d'actina (Font: Boumphreyfr via Wikimedia Commons)

Una funció clàssica i molt estudiada dels microfilaments és la seva capacitat de formar "ponts", "rails" o "autopistes" per al moviment de la proteïna motora miosina I, que és capaç de carregar vesícules de transport des dels orgànuls cap a la membrana plasmàtica en les vies secretores.

Els microfilaments també interaccionen amb la miosina II per establir l'anell contràctil que es forma durant la citocinesi, precisament durant l'última etapa de la divisió cel·lular en la qual se separa el citosol de les cèl·lules mare i filla.

En general, els microfilaments en forma d'actina F modulen la distribució d'alguns orgànuls com el complex de Golgi, el reticle endoplasmàtic i les mitocòndries. A més, també participen en el posicionament espacial dels ARNm perquè siguin llegits pels ribosomes.

Tot el conjunt cel·lular de microfilaments, especialment els que estan estretament relacionats amb la membrana plasmàtica, participen en la formació de les membranes ondulants de les cèl·lules que posseeixen un moviment actiu constant.

També participen en la formació de les microvellositats i altres protuberàncies comunes en la superfície de moltes cèl·lules.

Exemple de funcions en el fetge

Els microfilaments participen en el procés de secreció de la bilis en els hepatòcits (cèl·lules hepàtiques) i també en els moviments peristàltics (contracció coordinada) dels canalicles hepàtics.

Contribueixen a la diferenciació de dominis de membrana plasmàtica gràcies a la seva associació amb diferents elements citosólicos i a el control que exerceixen sobre la topografia d'aquests elements intracel·lulars.

patologies relacionades

Hi ha poques malalties associades amb defectes primaris en l'estructura o amb les proteïnes i enzims reguladors en la síntesi dels microfilaments, tot i que aquests estan directament implicats en gran nombre de funcions.

El baix índex de malalties i malformacions en l'estructura primària dels microfilaments es deu al fet que, generalment, hi ha múltiples gens codificants tant d'actina com de les seves proteïnes reguladores, fenomen conegut com "redundància genètica".

Una de les patologies més estudiades és la vitrificació dels oòcits sobre el seu citoesquelet, on s'observa una interrupció a la xarxa de microfilaments corticals, així com una despolimerització i una desorganització dels microtúbuls de l'fus mitòtic.

En termes generals, aquesta vitrificació causa una dispersió cromosòmica, ja que comporta a un trastorn en la compactació de tota la cromatina.

Les cèl·lules que posseeixen una major organització i proporció de microfilaments en el seu citoesquelet són les cèl·lules de múscul estriat, per tant, la majoria de les patologies s'associen amb un mal funcionament de l'aparell contràctil.

Microfilaments defectuosos o atípics han estat associats també amb la malaltia dels ossos coneguda com a malaltia de Paget.

referències

1. Aguilar-Conca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., & Vicente-Manzanares, M. (2017). Microfilament-Coordinated adhesió dynamics drives single cell migration and shapes whole tissues. F1000Research, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Actin binding proteins: regulation of cytoskeletal microfilaments. Physiological reviews, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, I. (2018). Bistability in the synchronization of actuated microfilaments. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Llança, R., Langer, R., & Vacanti, JP (Eds.). (2011). Principles of tissue engineering. Academic press.
5. Robbins, J. (2017). Diseases of the Cytoskeleton: The Desminopathies. In Cardioskeletal Myopathies in Children and Young Adults (pp. 173-192). Academic Press.