¡Descarga Microfilaments y más Apuntes en PDF de Biología solo en Docsity!
9- Microfilaments d’actina
La proteïna citosquelètica més important és l’actina, que polimeritza per formar filaments d’actina. Els filaments d’actina són fibres primes (7nm) i flexibles. Dins de la cèl·lula els filaments d’actina (μF), s’organitzen en estructures d’un ordre superior formant feixos o xarxes tridimensionals amb les propietats d’un gel semisòlid. La seva polimerització i despolimerització, les seves unions creuades formants feixos o xarxes i la seva associació amb altres estructures cel·lulars es regulen mitjançant diverses proteïnes d’unió a l’actina, que són components crítics del citosquelet. Els μF aporten suport mecànic, determinen la forma cel·lular i permeten el moviment de la superfície cel·lular, permetent així la migració, l’endocitosi i la divisió de la cèl·lula.
Polimerització dels microfilaments: Les molècules d’actina són proteïnes globulars d’uns 375 aminoàcids. Cada monòmer té llocs d’unió que afavoreixen la interacció entre el cap i la cua amb els monòmers adjacents. Així, els monòmers d’actina polimeritzen per formar filaments. Cada monòmer es troba girat uns 166º permetent als filaments una aparença d’hèlix de doble cadena. Com que tots els monòmers d’actina estan orientats igual, els μF presenten polaritat que permet diferenciar els extrems. Aquesta polaritat és important per la polimerització per establir una direcció única en el moviment de la miosina respecte de l’actina.
El primer pas en la polimerització d’actina és la formació d’un petit agregat constituït per 3 monòmers d’actina, aquest pas s’anomena nucleació. Els filaments d’actina són capaços de créixer per l’addició reversible de monòmers a ambdós extrems, però l’extrem + sempre creix més ràpid que l’extrem -. Els monòmers d’actina s’uneixen a ATP, el qual s’hidrolitza a ADP quan s’acoblen als μF. L’ATP no és necessari, però aporta rapidesa a la unió. La unió d’ATP i la seva hidròlisi a ADP aporten dinamisme al creixement dels μF.
Com que la polimerització d’actina és reversible, els μF també poden despolimeritzar per dissociació de les subunitats d’actina, cosa que permet la descomposició dels μF quan és necessari. Existeix doncs, un equilibri entre els monòmers i els filaments que depèn de la concentració de monòmers lliures. La velocitat a la que els monòmers d’actina s’incorporen al μF és directament proporcional a la concentració de monòmers lliures. Hi ha un moment en què s’arriba al punt de concentració crítica. En aquest moment la velocitat de polimerització i de despolimerització del μF és la mateixa.
Sabem doncs, que a l’extrem + la polimerització és molt més ràpida que a l’extrem -. Per això el creixement es dóna per l’extrem + i l’escurçament per l’extrem -. Aquesta diferència de velocitats es reflexa en la diferència en la concentració crítica per l’addició en ambdós extrems. Aquesta diferència dóna lloc a l’intercanvi rotatori. Perquè el sistema es trobi en un estat d’equilibri general, la concentració de monòmers d’actina lliures ha de ser intermèdia entre les concentracions crítiques necessàries per la polimerització en ambdós extrems. Existeix una pèrdua de monòmers a l’extrem – que es compensa per una addició constant de monòmers a l’extrem +. L’intercanvi rotatori necessita ATP. L’actina-ATP polimeritza per l’extrem + mentre l’actina-ADP despolimeritza per l’extrem -.
Proteïnes associades a microfilaments: A la cèl·lula, tant la polimerització com la despolimerització dels μF són regulades per proteïnes d’unió a l’actina. Les proteïnes més destacades són:
- La cofilina: responsable del ràpid desacoblament dels filaments d’actina. Actua unint-se a als μF i incrementa la velocitat de dissociació dels monòmers d’actina de l’extrem -. També pot tallar μF generant més extrems i potenciant, així, encara més la despolimerització. S’uneix sobretot als monòmers d’actina-ADP, i un cop desacoblats del μF hi resten units, segrestant la molècula d’actina-ADP i evitant així la seva reincorporació al μF.
La profilina: reverteix els efectes de la cofilina i afavoreix la incorporació dels monòmers d’actina als μF. La profilina activa i accelera l’intercanvi d’ADP fixat per ATP, generant-se monòmers d’actina-ATP que es dissocien de la cofilina i queden així, disponibles per acoblar-se als μF per l’extrem +.
Complex Arp2/3: serveix com a llocs de nucleació per iniciar l’acoblament de nous filaments. Això permet que la cofilina, la profilina i el complex Arp2/3 actuïn simultàniament per promoure el reciclatge ràpid dels μF i la remodelació del citosquelet d’actina. Aquesta remodelació és necessària alhora de fer determinats moviments cel·lulars i canvis de forma.
- Timosina: funció similar a la cofilina.
- Formina: s’enllaça a l’extrem + i promou la polimerització de feixos paral·lels. Inhibidors de la polimerització:
L’α-actinina s’uneix a l’actina com un dímer, ja que cadascuna de les subunitats només té un lloc d’unió. Això fa que es trobin més separats. Aquesta major distància permet a la proteïna motora miosina interaccionar amb els filaments en aquests feixos permetent la seva contracció.
Xarxes: s’uneixen per ponts creuats amb disposició ortogonal i formen malles tridimensionals amb les propietats de gels semisòlids. Les proteïnes que els formen són llargues i flexibles de manera que poden establir ponts d’unió amb filaments perpendiculars.
Filamina: es fixa a l’actina com un dímer de dues subunitats. Els dominis d’unió a l’actina i els dominis de dimerització es troben en extrems oposats en cada subunitat pel que el dímer de filamina és una molecula flexible en forma de V amb els dominis d’unió a l’actina a cada braç. Com a resultat, la filamina forma ponts creuats entre filaments d’actina ortogonals, creant una malla tridimensional. Aquesta xarxa és un suport estructural de la superfície cel·lular.
- Espectrina: tetràmer constituït per dues cadenes α i dues cadenes β. Cada cadena β té un únic domini d’unió a l’actina al seu extrem N-terminal. Les 4 cadenes contenen múltiples repeticions de dominis espaiadors en α-hèlix, que separen els dominis d’unió a l’actina. Als extrems C- terminal de les cadenes α, hi ha dominis de fixació de Ca 2+. Proteïnes motores: Les proteïnes motores que actuen en els μF són la família de les miosines. N’hi ha molts tipus, però els principals són:
- Miosina 1: contenen un grup de cap globular que actua com a motor. Són molècules molt petites, que tenen una cua molt curta i no formen dímers. No obstant, es poden unir a altres estructures com vesícules o orgànuls. Per tant, pot transportar la càrrega que porta unida. La seva funció és la formació de braços laterals que uneixen els μF amb la membrana plasmàtica de les microvellositats. En aquesta situació la miosina 1 pot moure la membrana provocant així el moviment de les microvellositats. També pot intervenir en el transport de vesícules i orgànuls al llarg dels μF i en el moviment de la membrana durant la fagocitosi i l’extensió dels pseudopodis.
Miosina 2: consta de dues cadenes pesades i dos parells de cadenes lleugeres denominades cadenes lleugeres essencials i reguladores. Les cadenes pesades tenen
regions de cap globulars i cues llargues en α-hèlix que s’enrotllen al voltant de l’altre per formar dímers. Les cadenes lleugeres s’associen al voltant del coll de cada regió de cap per formar la molècula completa. Aquestes molècules de miosina 2, agrupades en feixos de centenars i en formació escalonada, formen els filaments de miosina. Les molècules de miosina uneixen els seus caps globulars als μF formant ponts entrecreuats entre els filaments de miosina i d’actina. Així doncs, la miosina 2 és la proteïna motora encarregada de la contracció muscular.
- Miosina 5 i 6: tenen un paper important en el moviment d’orgànuls. Estructures cel·lulars amb microfilaments:
A la superfície cel·lular trobem diferents protuberàncies i extensions que intervenen en el moviment cel·lular, la fagocitosi o en funcions especialitzades. La majoria d’aquestes extensions es basen en filaments d’actina, que estan organitzats en feixos o xarxes i que es reorganitzen ràpidament:
- Feixos paral·lels rígids:
- Microvellositats: són extensions de membrana permanents i digitiformes particularment abundants a la superfície de cèl·lules implicades en l’absorció. Les microvellositats formen una capa sobre la superfície apical que consta aproximadament d’un miler d’aquestes i que serveixen per augmentar la superfície d’absorció. Les microvellositats contenen feixos paral·lels de 20-30 filaments d’actina estretament agrupats. Aquests filaments estan entrellaçats per la fimbrina i la villina (més important però més específica de tipus cel·lulars concrets). Els feixos d’actina es troben units a la membrana plasmàtica a través de braços laterals de la proteïna associada miosina 1- calmodulina, que pot estar implicada en el moviment de la membrana al llarg del feix d’actina de la microvellositat. A la seva base, els feixos d’actina estan ancorats a una regió rica en espectrina anomenada xarxa terminal, que entrellaça i estabilitza les microvellositats.
- Lamelipodis: són extensions transitòries, amples i laminars, de l’extrem apical dels fibroblasts. Estan compostes per una xarxa de μF entrellaçats formant una xarxa tridimensional. Són encarregades de la fagocitosi.
Micropues o fil·lopodis: són projeccions transitòries i primes de la membrana plasmàtica sustentades per μF. La formació i retracció d’aquestes estructures es basa en la polimerització i despolimerització de μF.
El moviment cel·lular d’arrastrar-se a través d’una superfície representa una forma bàsica de locomoció cel·lular. Moviments similars al desplaçament cel·lular són responsables de la fagocitosi i de l’extensió de les prolongacions de les cèl·lules nervioses durant el desenvolupament del sistema nerviós. Tots aquests moviments es basen en les propietats dinàmiques del citosquelet d’actina.
El desplaçament cel·lular implica un cicle coordinat de moviments, en el que poden identificar-se tres passos. En primer lloc s’estenen les protuberàncies com pseudopodis, lamelipodis o micropues des de l’extrem davanter de la cèl·lula. Després aquestes extensions s’han de subjectar al substrat pel que la cèl·lula migra i finalment, la part posterior de la cèl·lula ha de dissociar-se del substrat i retreure’s fins al cos cel·lular. L’extensió de la part de davant de la cèl·lula implica la polimerització i l’entrellaçament de μF. El reciclatge regulat de μF condueix a l’extensió de prolongacions com fil·lopodis o lamelipodis a la part davantera de la cèl·lula, i tant la cofilina com les proteïnes Arp2/3 estan implicades en aquest procés. Les miosines 1 i 5 també hi intervenen, essent requerida la primera per l’extensió de pseudopodis en amebes i la segona per l’extensió de fil·lopodis en neurones. Després de l’extensió, les protuberàncies de la part davantera han de subjectar-se al substrat amb la finalitat de realitzar la locomoció cel·lular. En cèl·lules de desplaçament lent, la subjecció implica la formació d’adhesions focals; les cèl·lules amb un moviment més ràpid formen contactes més difusos amb el substrat. A la 3a etapa, la de retracció de l’extrem posterior, es trenquen les subjeccions amb el substrat i la part posterior de la cèl·lula retrocedeix fins l’interior del cos cel·lular. Aquest procés requereix que es desenvolupi una tensió entre l’extrem anterior i el posterior de la cèl·lula, generant així una força contràctil que acaba estirant de la part posterior de la cèl·lula cap endavant. Regulació de l’estructuració dels microfilaments: Les respostes de la cèl·lula a les senyals extracel·lulars, inclosos els factors de creixement, amb freqüència suposen alteracions en la mobilitat i en la forma cel·lular. Molts processos de moviment cel·lular estan basats en la polimerització i despolimerització dels μF adjacents a la membrana plasmàtica, per tant, el remodelat del citosquelet d’actina és un procés fonamental en la resposta de moltes cèl·lules a factors de creixement i a molts altres estímuls extracel·lulars. La família de les proteïnes Rho, que són petites i d’unió a GTP, tenen un paper central en la regulació de la organització del citosquelet d’actina, i controlen diversos processos cel·lulars com la mobilitat, l’adhesió i la citocinesi. La família de les Rho és
imprescindible per la producció de la citocinesis, regula el creixement dels axons en el desenvolupament neuronal, contribueix a la regulació de la contracció muscular, regulen la formació d’unions adherents en les cèl·lules epitelials. Per tant, la família de les Rho actua de regulador universal pel citosquelet d’actina acoblant senyals extracel·lulars a les variacions en el moviment i la forma cel·lular. Hi ha tres tipus diferents de la família Rho:
- Rho: regulen la polimerització dels μF formant adhesions focals i fibres d’estrès.
- Rac: regulen la polimerització dels μF formant lamelipodis.
- Cdc42: regulen la polimerització dels μF formant els fil·lopodis. S’han identificat moltes proteïnes diana per aquestes proteïnes, les més estudiades de les quals són:
- La quinasa de Rho: és activada per la Rho. Fosforila la cadena lleugera reguladora de la miosina 2 i inhibeix a la fosfatasa de la cadena lleugera de miosina 2, el que comporta a l’agregació dels filaments d’actina-miosina i a la formació de fibres d’estrès i contactes focals.
- La PAK: és activada per la Rac i la Cdc42- i inhibeix a la quinasa de la cadena lleugera de la miosina, donant lloc a una disminució de la fosforilació de miosina 2.
- LIM-quinasa: activada per Rho i Rac. Regula el remodelat de l’actina a través de la fosforilació de la cofilina. Contracció muscular:
Els músculs es componen de feixos de cèl·lules individuals llargues, anomenades fibres musculars, que es formen per la fusió de moltes cèl·lules i que contenen múltiples nuclis. Cada fibra muscular conté moltes miofibril·les, que a la vegada són feixos d’actina i miosina organitzats en una cadena d’unitats repetides anomenades sarcòmers. El sarcòmer és el responsable de l’aparença estriada del múscul cardíac i esquelètic.
Els sarcòmers consten de vàries regions diferenciades per ME, que permet revelar el mecanisme de contracció muscular. Els extrems de cada sarcòmer alternen bandes fosques (bandes Anisòtropes) amb bandes clares (bandes Isòtropes). Aquestes bandes corresponen amb la presència o absència de filaments de miosina. Les bandes I només contenen μF, mentre que les bandes A
La contracció del múscul esquelètic és disparada per impulsos nerviosos que estimulen l’alliberació de Ca 2+^ des del reticle sarcoplàsmic. L’alliberació de Ca 2+^ incrementa la seva concentració al citosol. Aquest augment de concentració és la senyal per la contracció muscular, intervenint dos proteïnes accessòries unides als μF:
La tropomiosina: és una proteïna fibrosa que s’uneix al llarg del solc dels μF. En el múscul estriat s’uneix a la troponina.
- La troponina: és un complex de 3 polipèptids:
- Troponina C: lloc d’unió del calci.
- (^) Troponina I: inhibidora.
- Troponina T: és el polipèptid d’unió a la tropomiosina. Quan la concentració de Ca2+^ és baixa, el complex troponina-tropomiosiona bloqueja la interacció de l’actina i la miosina evitant la contracció. Quan la concentració de Ca2+^ és alta, la unió de Ca 2+^ a la troponina C altera la disposició del complex, retirant la troponina I i permetent la interacció entre miosina i actina i, per tant, la contracció.
