En biología molecular , el movimiento en cinta es un fenómeno que se observa en los filamentos proteicos de los citoesqueletos de muchas células , especialmente en los filamentos de actina y los microtúbulos . Se produce cuando un extremo de un filamento crece en longitud mientras que el otro extremo se encoge, lo que da como resultado que una sección del filamento parezca "moverse" a través de un estrato o el citosol . Esto se debe a la eliminación constante de las subunidades proteicas de estos filamentos en un extremo del filamento, mientras que las subunidades proteicas se agregan constantemente en el otro extremo. [1] El movimiento en cinta fue descubierto por Wegner, [2] quien definió las restricciones termodinámicas y cinéticas . Wegner reconoció que: "La constante de equilibrio (K) para la asociación de un monómero con un polímero es la misma en ambos extremos, ya que la adición de un monómero a cada extremo conduce al mismo polímero".; un polímero reversible simple no puede moverse en cinta; se requiere hidrólisis de ATP . El GTP se hidroliza para el movimiento en cinta de los microtúbulos.
El citoesqueleto es una parte muy dinámica de la célula y sus filamentos crecen y se contraen constantemente mediante la adición y eliminación de subunidades. El movimiento de arrastre dirigido de células como los macrófagos depende del crecimiento dirigido de los filamentos de actina en el frente de la célula ( borde delantero ).
Los dos extremos de un filamento de actina difieren en su dinámica de adición y eliminación de subunidades. Por lo tanto, se los conoce como extremo positivo (con una dinámica más rápida, también llamado extremo con púas) y extremo negativo (con una dinámica más lenta, también llamado extremo puntiagudo). [3] Esta diferencia resulta del hecho de que la adición de subunidades en el extremo negativo requiere un cambio conformacional de las subunidades. [4] Nótese que cada subunidad es estructuralmente polar y tiene que unirse al filamento en una orientación particular. [5] Como consecuencia, los filamentos de actina también son estructuralmente polares.
El alargamiento del filamento de actina ocurre cuando la actina libre (G-actina) unida al ATP se asocia con el filamento. En condiciones fisiológicas, es más fácil para la G-actina asociarse en el extremo positivo del filamento, y más difícil en el extremo negativo. [6] Sin embargo, es posible alargar el filamento en cualquiera de los extremos. La asociación de G-actina en F-actina está regulada por la concentración crítica descrita a continuación. La polimerización de actina puede ser regulada además por la profilina y la cofilina . [6] La cofilina funciona uniéndose a la ADP-actina en el extremo negativo del filamento, desestabilizándolo e induciendo la despolimerización. La profilina induce la unión de ATP a la G-actina para que pueda incorporarse al extremo positivo del filamento.
Existen dos teorías principales sobre el movimiento de los microtúbulos dentro de la célula: la inestabilidad dinámica y la aceleración constante. [7] La inestabilidad dinámica ocurre cuando el microtúbulo se ensambla y desmonta en un solo extremo, mientras que la aceleración constante ocurre cuando un extremo se polimeriza mientras que el otro se desmonta.
La concentración crítica es la concentración de G-actina (actina) o del complejo alfa, beta-tubulina (microtúbulos) en la que el extremo permanecerá en un estado de equilibrio sin crecimiento neto ni contracción. [6] Lo que determina si los extremos crecen o se encogen depende completamente de la concentración citosólica de subunidades monoméricas disponibles en el área circundante. [8] La concentración crítica difiere del extremo positivo (C C + ) y del extremo negativo (C C − ), y en condiciones fisiológicas normales, la concentración crítica es menor en el extremo positivo que en el negativo. Los siguientes son ejemplos de cómo se relaciona la concentración citosólica con la concentración crítica y la polimerización:
Téngase en cuenta que la concentración citosólica de la subunidad monomérica entre los extremos C C + y C C − es lo que se define como una cinta transportadora en la que hay crecimiento en el extremo positivo y contracción en el extremo negativo.
La célula intenta mantener una concentración de subunidades entre las constantes de disociación en los extremos positivos y negativos del polímero.
Los microtúbulos formados a partir de tubulina pura experimentan la absorción y pérdida de subunidades en los extremos tanto por difusión de intercambio aleatorio como por un elemento direccional (de movimiento circular) [9] . El movimiento circular es ineficiente y, para los microtúbulos en estado estacionario: el valor s de Wegner 1 (el recíproco del número de eventos moleculares necesarios para la absorción neta de una subunidad) es igual a 0,0005-0,001; es decir, requiere >1000 eventos. [10] El movimiento circular de los microtúbulos con tubulina pura también ocurre con microtúbulos en crecimiento [11] y se mejora con proteínas que se unen a los extremos 11. El movimiento circular rápido ocurre en las células. [12] [13] [14]
Cinta de correr FtsZ
El homólogo de la tubulina bacteriana FtsZ es uno de los polímeros de cinta rodante mejor documentados. FtsZ se ensambla en protofilamentos que tienen una subunidad de espesor, que pueden asociarse a su vez en pequeños parches de protofilamentos paralelos. Se ha demostrado que los filamentos y/o parches individuales se mueven en cinta rodante in vitro [15] [16] y dentro de las células bacterianas. [17] [18] Se ha diseñado un modelo de Monte Carlo de FtsZ en cinta rodante, basado en un cambio conformacional de subunidades tras la polimerización y la hidrólisis de GTP. [19]