Los microfilamentos , también llamados filamentos de actina , son filamentos proteicos del citoplasma de las células eucariotas que forman parte del citoesqueleto . Están compuestos principalmente de polímeros de actina , pero son modificados 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 de los microfilamentos incluyen citocinesis , movimiento ameboide , motilidad celular , cambios en la forma celular, endocitosis y exocitosis , contractilidad celular y estabilidad mecánica. Los microfilamentos son flexibles y relativamente fuertes, resistiendo el pandeo causado por fuerzas de compresión de múltiples piconewton y la fractura de filamentos causada por fuerzas de tracción de nanonewton. Al inducir la motilidad celular , un extremo del filamento de actina se alarga mientras el otro extremo se contrae, presumiblemente por motores moleculares de miosina II . [1] Además, funcionan como parte de motores moleculares contráctiles impulsados por actomiosina , en los que los filamentos delgados sirven como plataformas de tracción para la acción de tracción dependiente del ATP de la miosina en la contracción muscular y el avance de los pseudópodos . Los microfilamentos tienen una estructura resistente y flexible que ayuda a la célula en movimiento. [2]
La actina fue descubierta por primera vez en el músculo esquelético del conejo a mediados de 1940 por FB Straub. [3] Casi 20 años después, HE Huxley demostró que la actina es esencial para la constricción muscular. El mecanismo por el cual la actina crea filamentos largos se describió por primera vez a mediados de 1980. Estudios posteriores demostraron que la actina tiene un papel importante en la forma, la motilidad y la citocinesis de las células.
Los filamentos de actina se ensamblan en dos tipos generales de estructuras: haces y redes. Los haces pueden estar compuestos por conjuntos de filamentos polares, en los que todos los extremos con púas apuntan al mismo extremo del haz, o conjuntos 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 entrecruzadas 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 ramificadoras, proteínas de corte, promotores de polimerización y proteínas de protección. [ cita necesaria ]
Los microfilamentos , que miden aproximadamente 6 nm de diámetro , [4] son las fibras más delgadas del citoesqueleto. Son polímeros de subunidades de actina (actina globular o actina G), que como parte de la fibra se denominan actina filamentosa o actina F. 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 de su extremo puntiagudo de crecimiento lento. Esta polaridad ha sido determinada por el patrón creado por la unión de fragmentos de miosina S1: ellos mismos son subunidades del complejo proteico más grande de miosina II . El extremo puntiagudo se conoce comúnmente como extremo negativo (-) y el extremo con púas se conoce como extremo positivo (+). [ cita necesaria ]
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 entonces al extremo con púas y posteriormente el ATP se hidroliza . La hidrólisis del ATP se produce 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. La polimerización de actina in vivo es catalizada por una clase de motores moleculares de seguimiento de extremos de filamento conocidos como actoclampinas. La evidencia reciente sugiere que la tasa de hidrólisis de ATP y la tasa de incorporación de monómeros están fuertemente acopladas.
Posteriormente, la ADP -actina se disocia lentamente del extremo puntiagudo, un proceso significativamente acelerado por la proteína de unión a actina, 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 un mayor alargamiento del filamento del extremo con púas. Este rápido recambio es importante para el movimiento de la célula. Las proteínas de protección terminal, 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 de filamentos de proteínas con el 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]
Como resultado de la hidrólisis del ATP, los filamentos se alargan aproximadamente 10 veces más rápido en sus extremos con púas que en sus extremos puntiagudos. En estado estacionario , la tasa de polimerización en el extremo con púas coincide con la tasa de despolimerización en el extremo puntiagudo, y se dice que los microfilamentos están en movimiento . La cinta caminadora 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, se genera fuerza y la energía proviene en última instancia del ATP. [1]
El ensamblaje y desensamblaje del citoesqueleto de actina intracelular están estrechamente regulados por mecanismos de señalización celular. Muchos sistemas de transducción de señales utilizan el citoesqueleto de actina como 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. [ cita necesaria ]
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 está unida a profilina y timosina beta-4 , las 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. La profilina 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. La profilina se transfiere al borde de ataque en virtud de su sitio de unión PIP 2 y emplea su sitio de unión poli-L-prolina para acoplarse a las proteínas de seguimiento final. Una vez unida, la profilina-actina-ATP se carga en el sitio de inserción del monómero de los motores de actoclampina. [ cita necesaria ]
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 al filamento madre, lo que produce una red de filamentos ramificados en forma de abanico. [8]
Adyacentes a la membrana plasmática se encuentran estructuras citoesqueléticas de actina únicas y especializadas. Cuatro ejemplos notables incluyen los glóbulos rojos , las células de riñón embrionario humano , las neuronas y los espermatozoides . En los glóbulos rojos, una red hexagonal de espectrina - actina está formada por filamentos de actina cortos interconectados. [9] En las células de riñón embrionario humano, la actina cortical forma una estructura fractal sin escamas . [10] La actina, que se encontró por primera vez en los axones neuronales , forma anillos periódicos que se estabilizan con espectrina y aducina [11] [12] , y He et al (2016) descubrieron que esta estructura de anillo ocurre en casi todos los tipos neuronales y células gliales . aparentemente en todos los taxones animales, incluidos Caenorhabditis elegans , Drosophila , Gallus gallus y Mus musculus . [13] Y en los espermatozoides de los mamíferos, la actina forma una estructura helicoidal en la pieza intermedia, es decir, el primer segmento del flagelo . [14]
En las células no musculares, los filamentos de actina se forman proximales a las superficies de las membranas. Su formación y recambio están regulados por muchas proteínas, entre ellas:
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 mediante motores de alargamiento de filamentos sujetos, las "actoclampinas" antes mencionadas, formadas a partir de un extremo con púas del filamento y una proteína de sujeción (forminas). , VASP, Mena, WASP y N-WASP). [15] El sustrato principal para estos motores de alargamiento es el complejo profilina-actina-ATP que se transfiere directamente a los extremos de los filamentos alargados. [16] El extremo puntiagudo de cada filamento está orientado hacia el interior de la célula. En el caso del crecimiento lamelipodial, el complejo Arp2/3 genera una red ramificada y en los filopodios se forma una serie paralela de filamentos.
Los motores de miosina son enzimas intracelulares dependientes de ATP que se unen a los filamentos de actina y se mueven a lo largo de ellos. Varias clases de motores de miosina tienen comportamientos muy diferentes, incluido ejercer tensión en la célula y transportar vesículas de carga. [ cita necesaria ]
Un modelo propuesto sugiere la existencia de motores moleculares de seguimiento de extremos púas de filamentos de actina denominados "actoclampina". [17] Las actoclampinas propuestas generan las fuerzas de propulsión necesarias para la motilidad basada en actina de lamellipodia , filopodia , invadipodia, espinas dendríticas , vesículas intracelulares y procesos móviles en endocitosis , exocitosis , formación de podosomas y fagocitosis . Los motores de Actoclampin también impulsan patógenos intracelulares como Listeria monocytogenes , Shigella flexneri , Vaccinia y Rickettsia . Cuando se ensamblan en condiciones adecuadas, estos motores moleculares de seguimiento terminal también pueden impulsar partículas biomiméticas .
El término actoclampina se deriva de acto - para indicar la participación de un filamento de actina, como en la actomiosina, y abrazadera para indicar un dispositivo de sujeción utilizado para fortalecer objetos flexibles/en movimiento 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 del extremo del filamento de actina puede denominarse abrazadera.
Dickinson y Purich reconocieron que la hidrólisis rápida del ATP podría explicar las fuerzas logradas durante la motilidad basada en actina. [15] Propusieron una secuencia mecanoenzimática simple conocida como modelo Lock, Load & Fire, en la que una proteína de seguimiento final permanece firmemente unida ("bloqueada" o sujeta) al extremo de un subfilamento de la actina bicatenaria. filamento. Después de unirse a los registros Glycyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl en las proteínas rastreadoras, la profilina-ATP-actina se entrega ("carga") al extremo sin sujetar del otro subfilamento, tras lo cual el ATP dentro del terminal ya sujeto La subunidad del otro subfragmento se hidroliza ("dispara"), proporcionando la energía necesaria para liberar ese brazo del rastreador final, que luego puede unirse a otra profilina-ATP-actina para comenzar una nueva ronda de adición de monómero. [ cita necesaria ]
Los siguientes pasos describen un ciclo de generación de fuerza de un motor molecular de actoclampina:
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. [15] [17] [18] El término actoclampina 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., aquellas 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 activador 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 al eje longitudinal del filamento madre. Luego, tras la activación por ActA o VCA, se cree que el complejo Arp sufre un cambio conformacional importante, acercando sus dos subunidades proteicas relacionadas con la actina lo suficiente entre sí como para generar una nueva puerta de filamento. Si la hidrólisis del ATP puede ser necesaria para la nucleación y/o la liberación de la rama Y es un asunto que se está investigando activamente.
