Proteínas de control de la polimerización: Actina y filamentos intermedios, Apuntes de Biología Celular

¡Descarga Proteínas de control de la polimerización: Actina y filamentos intermedios y más Apuntes en PDF de Biología Celular solo en Docsity!

Sergi Serrano

BIOLOGIA CEL·LULAR | UNIVERSITAT DE BARCELONA

Biologia Cel·lular

RESUMS SERGI SERRANO 0

Contents

• 1. Introducció...............................................................................................
• 1. Tema 1: Citoesquelet d’actina..................................................................
  • 1.1. Composició i distribució cel·lular........................................................
  • 1.2. Cinètica de Polimerització..................................................................
  • 1.3. Proteïnes d’unió a l’actina (ABP’s).....................................................
    • 1.3.1. Proteïnes de control de la polimerització:....................................
    • 1.3.2. Proteïnes que promouen la formació de superestructures:.........
    • 1.3.3. Proteïnes organitzadores del citoesquelet perifèric:....................
    • 1.3.4. Proteïnes motores.......................................................................
  • 1.4. Regulació funcional de les ABPs......................................................
• 2. Tema 2: citoesquelet de tubulina...........................................................
  • 2.1. Distribució cel·lular..........................................................................
  • 2.2. Estructura molecular........................................................................
  • 2.3. Cinètica de polimerització...............................................................
  • 2.4. Fàrmacs que afecten la tubulina i la seva polimerització.................
  • 2.5. Proteïnes associades a MT...............................................................
    • 2.5.1. Proteïnes de control de creixement...........................................
    • 2.5.2. Proteïnes motores.....................................................................
  • 2.6. Regulació funcional de MAPs...........................................................
• 3. Tema 3: citoesquelet de filament intermedis.........................................
  • 3.1. Disposició cel·lular...........................................................................
  • 3.2. Estructura molecular.......................................................................
  • 3.3. Cinètica de polimerització...............................................................
  • 3.4. Classificació.....................................................................................
  • 3.5. Proteïnes d’associació a filaments intermedis.................................
  • 3.6. Regulació de les IFAP....................................................................... - SERGI SERRANO

 Nucleació: és l’etapa més costosa energèticament (l’etapa limitant).  Elongació: etapa ràpida on el filament creix fins l’estat d’equilibri.  Equilibri: el filament no creix il·limitadament, per tant en aquesta etapa no té un creixement net (els monòmers que entren són iguals als de sortida). Els filaments creixen pels dos extrems, però no a la mateixa velocitat:  Extrem +: creix més ràpid.  Extrem -: creix més lentament. Per això en l’estat d’equilibri hi haurà un creixement APERENT per l’extrem +, tot i que no es consideri una creixement net. En tot cas hi haurà una tendència a l’equilibri, si augmenta la concentració de monòmers, el filament tendirà a la polimerització i si hi ha una disminució de la concentració el filament tendirà a la despolimerització. La concentració crítica, concentració mínima perquè hi hagi polimerització, en ambdós extrems també serà diferent, en el extrem + serà més petita que en l’extrem -. SERGI SERRANO 3

2. Tema 1: Citoesquelet d’actina

1.1. Composició i distribució cel·lular........................................................

El citoesquelet d’actina es troba per sota del còrtex cel·lular, en estructures o localitzacions específiques. Dóna forma a la cèl·lula i mobilitat. Poden ser estructures estàtiques o dinàmiques, aquestes últimes són:  Fibres d’estrès: com en els fibroblasts, les quals desfan i fan les fibres per generar un moviment per la matriu extracel·lular, per exemple en la cicatrització.  Fil·lopodis: extensions cel·lulars que es mouen cap un estímul, quan troben el substrat i hi hagut una extensió total del citoplasma s’anomena lamel·lipodi.  Anell contràctil: estrangulació en la divisió cel·lular. L’actina pot trobar-se en forma d’actina G, despolimeritzada (monòmers), o en forma d’actina F, formant filaments ( dos protofilaments enrullats helicoïdalment a la dreta). L’actina G està formada per 4 subunitats i 2 dominis, i en el centre té la capacitat d’unir-se ATP i ADP. Sent més ràpida la hidròlisi d’ATP en l’actina filamentada. L’actina està codificada per 6 gens en mamífers:  3 alfa-actina  1 beta-actina  2 omega-actina Existeix un 90% homologia entre gens i espècies, la raó de les poques mutacions es degut a la alta especificitat que necessita amb moltes proteïnes. SERGI SERRANO 4

 Fragmentadores: ADF/cofilina, gelsolina… Fragmenten filaments per tal de generar fil·lopodis, divisió cel·lular, etc.  PROTEÏNES QUE PROMOUEN LA FORMACIÓ DE SUPERESTRUCTURES: Fimbrina, α-actinina, espectrina, filamina…  PROTEÏNES ORGANITZADORES DEL CITOESQUELET PERIFÈRIC: proteïnes ERM, talina, vinculina, anquirina…  PROTEÏNES MOTORES: Miosina I, miosina II, miosina V…

2.3.1.Proteïnes de control de la polimerització:

 Formina: 140-200 kDa. genera un creixement més ràpid. S’uneix al extrem + durant el creixement i formen formes fibril·lars. Molt present en les fibres d’estrés.  ARP 2/3: formació de nous filaments a partir de filaments ja formats. Està compost per 7 subunitats i ramifica un nou filament amb un angle de 70º respecte el filament ja format. S’activa gràcies a la unió del WASP, que s’enllaça al complex donant la senyal d’inici. El complex mimetitza l’extrem + de l’actina i genera un creixement. El WASP és una proteïna rica en prolina on el seu extrem C-terminal és el responsable d’unió amb el complex Arp 2/3, tot i que necessita una activació per tal de desplegar-se i unir- se. Alguns bacteris tenen la capacitat d’enllaçar-se amb l’Arp 2/ per afavorir el seu desplaçament per la cèl·lula. SERGI SERRANO 6

 CAP Z: heterodímer alfa i beta que bloqueja l’extrem +. Té una regulació negativa per PiP i PiP2, que són proteïnes capaces de perdre algun grup fosfat.  Tropomodulina: bloqueja l’extrem – i s’enllaça a la actina només en presència de tropomiosina.  Profilines: 19 kDa. Té una unió 1 a 1 amb la G-actina, i promou l’intercanvi d’ADP a ATP afavorint la polimerització ja que hi ha més ATP en el medi. És regulada pel PiP2. La profilina està enllaçada a la membrana amb el PiP2 (fosfatidilinositol) que al rebre una senyal d’una fosfolipasa, genera un lípid sense fosforliar de membrana que es queda en la membrana i allibera al medi un inusitolfosfat 3 i la porfirina lliure.  Beta-timosines: 5 kDa (43 aa.). Té una unió 1 a 1 amb la G-actina, regula la concentració d’actina lliure unint-se a la actina globular.  Cofilina: 15-20 kDa. S’enllaça amb l’extrem – i en genera un escurçament. Ja que doblega l’estructura recta de l’actina i allibera actina al medi. Està regulada per LIMK/PiP-PiP2. Ja que quan presenta un grup fosfat, unit gràcies a la kinasa, es troba en forma inactiva i al perdre’l, gràcies a la fosfatasa, s’activa i pot desencadenar la seva funció.

Gelsolina: 82-84 kDa i 6 subdominis. S’activa gràcies a un augment

de Calci +2, que quan succeeix la gelsoina bloqueja l’extrem + i no

permet la polimerització i trenca l’estrucutra del filament. Una segona

senyal, PiP2, fa que la gelsolina es el descapsili generant més extrem

+ per la polimerització. Per això té la capacitat de passar al medi

d’estat gel (fibres llargues) a un estat de solució (moltes fibres però

curtes).

2.3.2.Proteïnes que promouen la formació de superestructures:

SERGI SERRANO 7

 Fascina: proteïna fasciculadora, reordenen els filaments d’actina per tal de formar, per exemple, un fil•lopodi. Activació plaquetària: les plaquetes per ser funcionals han de ser deformables perquè això passi es desencadenen unes reaccions en la plaqueta: i. Arriba una senyal de calci que activa el complex. ii. La gelsolina trenca els filaments, encara encapsilats. iii. Una senyal d PiP 2 desencapsila i deixa lliure els extrems + per tal de formar un creixement dels filaments d’actina nous. Aquí, poden intervenir també les altres proteïnes, com les profilines, convertint el ADP en ATP per tal de ajudar a la polimerotzació. iv. La filamina, la alfa-actinina i la fimbrina creen xarxes per formar els filopodis

2.3.3.Proteïnes organitzadores del citoesquelet perifèric:

 Proteïnes ERM: ezrin, rodoxin i moesin. Pertanyen a la familia de les Band 4.1 amb domini FERM. Aquestes proteïnes uneixen SERGI SERRANO 9

l’actina amb altres proteïnes transmembrana, per tant comuniquen interior amb exterior. S’activen a partir de fosforliació pel PiP2. Ja que despleguen els dos dominis de les ERM i permeten la seva unió.  Talina i vinculina: les trobem en les adhesions focals. Les dos proteïnes interaccionen entre elles de forma directe, però només la vinculina té una unió directa amb l’actina.

2.3.4.Proteïnes motores.

Són proteïnes capces de desplaçar-se pels microfilaments, en el cas dels filaments d’actina la proteïna pròpia és la miosina. Tenen 3 dominis diferenciats: cap, coll i cua. El cap és el domini motor amb dos subdominis amb capacitat d’unió a l’actina i un amb capacitat ATPasa; el coll té una funció reguladora i la cua té una capacitat d’associació lateral, on la seva funció variarà depenen de la miosina. EL cap i la cua són cadenes pesants, mentre que el coll està format per una cadena lleugera. En les miosines, l’extrem C-terminal i N-terminal són molt diferents entre ells i en canvi els dominis motors són molt semblants entre ells. La majoria de miosines, excepte la miosina VI es desplacen de – a + en els filaments d’actina. Es coneixen com unes 18 miosines codificades, en humans, per uns 40 gens. Les més important són la miosina I, la miosina II i la miosina V.  Miosina I: monomèrica. Té al voltant un número variables de cadenes lleugeres i la podem trobar en els laterals dels microvil·lis, interactuant amb la membrana, pot tenir una funció d’endocitosi.  Miosina V: dues cadenes pesades i cinc cadenes lleugers per cada una pesada. La seva funció pot ser unió o arrossegament de vesícules.  Miosina II: És una proteïna dimèrica, i té la funció de contracció muscular, de fibres d’estrès o en l’anell contràctil. Generen el moviment de la cèl·lula cap endavant. La miosina II és la única que es pot col·locar en les fibres de manera antiparal·lela. Les trobem formant el sarcòmer (unitat funcional del múscul). SERGI SERRANO

desplaçament de la miosina pel filament d’actina, això passa quan no cal contracció.  Tropomina: té tres subunitats; la T, que interacciona amb la tropomiosina; la C, que serveix d’unió al calci i la I, amb unió a l’actina. El lloc d’unió amb la tropomiosina, quan rep la senyal de calci, estira la tropomiosina i destapa els llocs d’unió actina- miosina. Funcionament: I. Els músculs reben una impuls de calci, propi dels impulsos nerviosos, i el domini motor, que és una ATPasa, hidrolitza el ATP en ADP i un àcid fosfòric. II. El domini motor es torça i es separa de l’actina. III. El calci allibera, gràcies a la tropomina i la tropomiosina, els llocs d’unió actina-miosina. IV. El fosfat, encara enllaçat, salta i genera un moviment del filament, una contracció. La miosina II també es troba en cèl·lules no musculars. Com en el moviment de contracció de cèl·lules per tal de formar fil·lopodis i lamel·lopodis. La miosina aquí treballa en la contracció de les fibres d’estres per tal de trencar els enllaços focals anteriors i crear-ne de nous un cop fet el moviment de la cèl·lula. Aquesta, igual que les musculars s’activa per calci, que activa una quinasa, la MLCK, de cadena lleugera que desplega la miosina inactiva. La miosina II també és la responsable de generar la contracció en la divisió cel·lular (anell contràctil). SERGI SERRANO

1.4. Regulació funcional de les ABPs......................................................

 Fosforilació: el grups fosfats, específics per residus de serina, treonina i tirosina, s’enganxen a la proteïna generant una activació o inhibició. Els enzims encarregats d’afegir un grup fosfats s’anomenen quinases, i els encarregats de treure’l s’anomenen fosfatases. En cèl·lules no musculars el MLCK s’activa gràcies a la fosforilació  Calci: algunes proteïnes no tenen lloc d’unió amb calci,, per això necessiten altres proteïnes, com la calmodulina, proteïna ubiqua (que es troba pe tota la cèl·lula), amb quatre llocs d’unió al calci i que activa el MLCK. La concentració de calci en la cèl·lula és molta baixa, menys en reticle i mitocondris. Aquesta concentració de calci es regulat per unes bombes i quan entra desencadenen totes les reaccions que calguin, un exemple són les calpeines, proteases que degraden proteïnes.  Pi (fosfatidilinositol): anell inositol, unit en la posició 3, 4 o 5, un o varis àcids fosfatídics. En aquest cas un PLC, pot dissociar-los formant un Pi i un DAG, que serien segons missatgers.  GTPases monomèriques: 20-25 kDa. Són interruptors moleculars amb unió al GTP. Estan, a més connectades a proteïnes de membrana, amb capacitat de comunicació amb l’exterior cel·lular. Estan compostes per cinc famílies: Ras, Sar1/Arf, Ran, Rab i Rho. Aquesta última té el control del citoesquelet, com la forma, la polaritat, la motilitat i la adhesió. Activa altres proteïnes, per tant actua com a senyal. o Rho: dintre de les rho trobem la cdc42 (control de fil·lopodis), la rac (control de lamel·lipodis) i la rho (control de les adhesions focals, unió al substrat). Per exemple per activar WASP, proteïna que activa el complex ARP 2/3, es necessita el cdc42. Rho també és encarregada d’activar la formina, proteïna controladora de les fibres d’estrès, i la miosina que es troba en aquestes fibres. SERGI SERRANO

Funcions:  Organitzar orgànuls membranosos.  Transport intercel·lular.  Formació del fus mitòtic en la divisió cel·lular. Centríols. El centrosoma. El centríol, estructura pròpia dels animals, està format per un triplet de microtúbuls. Organitzats aquests en una estructura 9x3 organitzats en disposició radial. En les cèl·lules en trobem dos, excepte durant la divisió cel·lular, que n’hi ha quatre. Els dos centríols estan organitzats perpendicularment i envoltat del material pericentriolar. En ell podem trobar proteïnes com la gamma-tubulina, el qual genera un anell per facilitar la generació del microtúbul. La gamma-tubulina només facilita la nucleació. Cilis i flagels: axonema. L’axonema és l’estructura que dona lloc al cili i al flagel. El cos basal, MTOC del cili o el flagel, està organitzat en disposició 9x3, però l’estructura del cili i el flagel esta compost per nou doblets organitzats radialment amb un altre doblet central (9X2+2). Les proteïnes que uneixen els dobletes dels microtúbuls entre ells són els dyneins.

3.2. Estructura molecular.......................................................................

El microtúbul, d’uns 55 kDa, està format per heterodímers de tubulina, formats aquests per alfa-tubulina i beta-tubulina, cada una es pot trobar en sis isoformes diferents formant el dímer. L’extrem alfa correspon sempre a l’extrem negatiu, mentre que l’extrem beta correspon al extrem positiu. La unió de diferents heterodímers formarà el protofilament, i la unió de 13 protofilaments generarà el microtúbul com es coneix. Per generar el protofilament la unió serà longitudinal, on un extrem alfa s’enganxarà al extrem beta lliure del protofilament, mentre que la unió de protofilaments per generar el microtúbul té una unió lateral, la unió serà alfa amb alfa i beta amb beta. En aquest cas, com veiem en els microfilaments, la tubulina també te la capacitat d’unió a una molècula de transferència d’energia, en aquest cas el GTP. Tota la alfa-tubulina estarà unida a GTP, mentre que la beta- tubulina tindrà la capacitat d’hidrolitzar, o no, el GTP a GDP. Per que la unió longitudinal es doni tant alfa com beta han de presentar GTP, serà SERGI SERRANO

més endavant, quan el filament s’hagi allargat que les molècules allunyades del cap de creixement beta s’hidrolitzaran a GDP. La tubulina té un gen ancestral, el FTs Z, i una homologia entre espècies en l’extrem N-terminal. A més en els individus avançats trobem diferents variants de la tubulina, alfa, beta, omega (nucleadora), delta, epsilon (ajuda en la duplicació del centrìols) o ζ.

3.3. Cinètica de polimerització...............................................................

Els dos extrems polimeritzen i despolimeritzen, però l’extrem + creix més ràpid i a vegades és l’únic en créixer ja que l’extrem – pot estar limitat per el MTOC. La polimerització i despolimerització també està relacionat amb una concertació crítica. Inestabilitat dinàmica: el cap de l’extrem + acabat de polimeritzar estarà compost sempre per GTP, tant en alfa com en beta, però si aquesta concentració cau ràpidament, per la falta de GTP en el medi per exemple, el filament s’escurçarà (catàstrofe). Tot i així és reversible i el filament podrà tronar a créixer (rescat) si la concentració ho permet, quan hi ha GTP suficient en el medi. Aquests fets depenen de la concentració crítica, i quan es perd el cap de GTP el filament s’escurçarà fins formar-ne un de nou, que permeti un altre cop un creixement. L’extrem - al està en contacte amb el MTOC, molts cops està protegit. In vitro en un tub d’assaig SERGI SERRANO

2.5. Proteïnes associades a MT...............................................................

3.5.1.Proteïnes de control de creixement

 Nucleadores: o Omega-TURC: es troben en el material pericentriolar, al nucleosoma. Genera el creixement dels microtúbuls gràcies a una formació d’un anell de 13 omega-tubulina que genera la unió de la alfa i beta tubulina. No tenen membrana.  Bloquejants: o EB1 (+TIP): s’uneix al extrem + del microtúbul i controla la seva longitud i fan de pont d’unió amb cromosomes, orgànuls, altres proteïnes, etc. Incrementen la inestabilitat dinàmica (desastres i rescats)  Estabilitzadores: o MAPs: no permeten la despolimerització del microtúbul (estabilitzen). Tenen dos braços un d’unió al MT (c-termianl) i un altre braç (n-terminal) que es pot enllaçar a altres components, com altres MT o en TAUs. Existeixen les tipus I, MAP 1, formada per seqüències de 4 aa que es repeteixen n vegades en el domini c-terminal i les tipus II, MAP2, MAP4 i TAU, formada per seqüències de 18 aa que es repeteixen 3- 4 vegades en el domini c-terminal. Per exemple la TAU té dos variants la TAU 3R, amb 3 repeticions, pròpia del fetus, i la TAU 4R, amb 4 repeticions i que la trobem en un organisme més adult. Els dominis repetits tenen un control per fosforilació, que obra la proteïna i la separa del MT, per això la 3R la trobem en el fetus perquè al tenir menys repeticions és més fàcil la seva duplicació. La rho A activa la kinasa GSK 3/3 que fosforila els estabilitzadors escurçant els MTs. En el Alzheimer, la proteïna que es fosforila és la TAU, que no fascicula ni estabilitza, generant una hiperfosforilació que no permet la eliminació de la TAU fosforilada perdent així la funcionalitat de la neurona. MAP 2, MAP1 i TAU tenen, també, funció fasciculadora.  Desestabilitzadores: SERGI SERRANO

o Quinesina-13: unió al extrem + dels protofilaments, els quals deforma i escurça. o Estatmina: unió als dímers dels protofilaments, hidrolitzant el GTP i evitant la formació del cap GTP, el que escurça el filament. Està regulat per fosforilació. o Katanina: talla el MT  Fasciculadores: o Nexina: la trobem en cilis i flagels, unint les parelles de microtúbuls. I unint les dineïnes (proteïna motriu) o MAP2: ordena els MTs dins les dendrites. o TAU: ordena els MT en els axons, però al tenir el braç més curt que les MAP2, els MTs es troben més junts.

3.5.2.Proteïnes motores

Regulen el trànsit i l’organització d’orgànuls i vesícules. En trobem dos tipus molt importants. N’hi ha de dos tipus: les quinesines i les dineïnes.  Quinesines: realitzen un moviment anterògard, del pol negatiu al pol positiu del microtúbul, com moviments de vesícules de l’aparell de golgi al reticle o al sistema de secreció. També interactua en el trànsit d’informació de les neurones. N’hi ha tres famílies: o N: quinesina 1 (380 kDa.), formada per dues cadenes pesades (2x120 kDa.) formant el cap i el coll, on les dues cadenes s’enrollen en forma d’hèlix, i dues cadenes lleugeres (2x64 kDa.) El cap té una funció ATPasa i un lloc d’unió al microtúbul (N-terminal). Les cadenes lleugeres, que presenten repeticions d’uns 34 aminoàcids, amb un domini TRP, que permet la unió del cargo (allò que es vol transportar), correspon a l’extrem C-terminal. El moviment pel microtúbul es dóna gràcies al moviment dels dos caps motors. Un cap, enganxat a una molècula d’ATP, s’enganxa al microtúbul. Aquest hidrolitza el ATP a ADP i Pi i passa per sobre el altre cap, el qual te una molècula d’ADP, que es converteix a una ATP i s’uneix al microtúbul. Així successivament. Trobem, també, la BimC, amb moviment anterògard, en els microtúbuls interpolars. És la única amb una ordenació antiparal·lela, amb 4 cadenes pesants i 4 lleugeres, 2 en un sentit i 2 en l’altre. Tenen una funció d’allargament de la cèl·lula per passar de metafase a anafase. SERGI SERRANO