Kinesina

Una cinesina es una proteína que pertenece a una clase de proteínas motoras que se encuentran en las células eucariotas. Las cinesinas se mueven a lo largo de filamentos de microtúbulos (MT) y funcionan mediante la hidrólisis del trifosfato de adenosina (ATP) (por lo tanto, las cinesinas son ATPasas, un tipo de enzima). El movimiento activo de las cinesinas respalda varias funciones celulares, incluidas la mitosis, la meiosis y el transporte de carga celular, como en el transporte axonal y el transporte intraflagelar. La mayoría de las cinesinas caminan hacia el extremo positivo de un microtúbulo, lo que, en la mayoría de las células, implica transportar cargas como proteínas y componentes de membrana desde el centro de la célula hacia la periferia. Esta forma de transporte se conoce como transporte anterógrado. Por el contrario, las dineínas son proteínas motoras que se mueven hacia el extremo negativo de un microtúbulo en transporte retrógrado.

Descubrimiento

Las primeras cinesinas descubiertas en 1985 fueron motores de transporte intracelular anterógrado basados en microtúbulos, basados en su motilidad en el citoplasma extruido del axón gigante del calamar.

El miembro fundador de esta superfamilia, la kinesina-1, fue aislado como un motor de transporte rápido de orgánulos axonales heterotetramérico que consta de cuatro partes: dos subunidades motoras idénticas (llamadas moléculas de cadena pesada de kinesina (KHC)) y otras dos moléculas, cada una conocida como una cadena ligera kinesina (KLC). Estos se descubrieron mediante purificación por afinidad de microtúbulos a partir de extractos de células neuronales. Posteriormente, se desarrolló un motor diferente, heterotrimérico basado en MT con extremo positivo, denominado kinesina-2, que consta de dos subunidades motoras distintas relacionadas con KHC y un accesorio "KAP" subunidad, se purificó a partir de extractos de huevos/embriones de equinodermo y es mejor conocido por su papel en el transporte de complejos proteicos (partículas de transporte intraflagelares) a lo largo de los axonemas durante la ciliogénesis. Los enfoques genéticos y genómicos moleculares han llevado al reconocimiento de que las cinesinas forman una superfamilia diversa de motores que son responsables de múltiples eventos de motilidad intracelular en células eucariotas. Por ejemplo, los genomas de los mamíferos codifican más de 40 proteínas kinesina, organizadas en al menos 14 familias denominadas kinesina-1 a kinesina-14.

Estructura

Estructura general

Los miembros de la superfamilia de kinesina varían en forma, pero el motor prototípico de kinesina-1 consta de dos moléculas de cadena pesada de kinesina (KHC) que forman un dímero de proteína (par de moléculas) que une dos cadenas ligeras (KLC), que son únicas para diferentes cargos.

La cadena pesada de kinesina-1 comprende una cabeza globular (el dominio motor) en el extremo amino terminal conectada a través de un conector de cuello corto y flexible al tallo – un largo dominio central en espiral alfa-helicoidal, que termina en un dominio de cola carboxi terminal que se asocia con las cadenas ligeras. Los tallos de dos KHC se entrelazan para formar una espiral que dirige la dimerización de los dos KHC. En la mayoría de los casos, la carga transportada se une a las cadenas ligeras de cinesina, en la secuencia del motivo TPR del KLC, pero en algunos casos la carga se une a los dominios C-terminales de las cadenas pesadas.

Dominio motor Kinesin

La cabeza es la firma de la kinesina y su secuencia de aminoácidos está bien conservada entre varias kinesinas. Cada cabeza tiene dos sitios de unión separados: uno para los microtúbulos y otro para el ATP. La unión e hidrólisis de ATP, así como la liberación de ADP, cambian la conformación de los dominios de unión de los microtúbulos y la orientación del conector del cuello con respecto a la cabeza; esto da como resultado el movimiento de la cinesina. Se ha implicado que varios elementos estructurales en la cabeza, incluido un dominio de hoja beta central y los dominios Switch I y II, median las interacciones entre los dos sitios de unión y el dominio del cuello. Las cinesinas están relacionadas estructuralmente con las proteínas G, que hidrolizan GTP en lugar de ATP. Las dos familias comparten varios elementos estructurales, en particular el dominio Switch I y Switch II.

Regulación básica de la kinesina

Las cinesinas tienden a tener una baja actividad enzimática basal que se vuelve significativa cuando se activan los microtúbulos. Además, muchos miembros de la superfamilia de las cinesinas pueden autoinhibirse mediante la unión del dominio de la cola al dominio motor. Luego, dicha autoinhibición puede aliviarse mediante una regulación adicional, como la unión a carga, adaptadores de carga u otras proteínas asociadas a microtúbulos.

Transporte de carga

En la célula, las moléculas pequeñas, como los gases y la glucosa, se difunden hacia donde se necesitan. Las moléculas grandes se sintetizan en el cuerpo celular, los componentes intracelulares como las vesículas y los orgánulos como las mitocondrias son demasiado grandes (y el citosol está demasiado poblado) para poder difundirse a sus destinos. Las proteínas motoras cumplen la función de transportar grandes cargas por la célula hasta sus destinos requeridos. Las cinesinas son proteínas motoras que transportan dicha carga caminando unidireccionalmente a lo largo de pistas de microtúbulos, hidrolizando una molécula de trifosfato de adenosina (ATP) en cada paso. Se pensaba que la hidrólisis del ATP impulsaba cada paso y que la energía liberada impulsaba la cabeza hacia el siguiente sitio de unión. Sin embargo, se ha propuesto que la cabeza se difunde hacia adelante y que la fuerza de unión al microtúbulo es lo que arrastra la carga. Además, los virus, como el VIH, por ejemplo, aprovechan las cinesinas para permitir el transporte de partículas virales después del ensamblaje.

Hay pruebas significativas de que los cargamentos en vivo son transportados por múltiples motores.

Dirección del movimiento

Las proteínas motoras viajan en una dirección específica a lo largo de un microtúbulo. Los microtúbulos son polares; es decir, las cabezas solo se unen al microtúbulo en una orientación, mientras que la unión de ATP le da a cada paso su dirección a través de un proceso conocido como cremallera del conector del cuello.

Se sabía anteriormente que la cinesina mueve la carga hacia el extremo más (+) de un microtúbulo, también conocido como transporte anterógrado/transporte ortógrado. Sin embargo, se ha descubierto recientemente que en las células de levadura en ciernes, la kinesina Cin8 (un miembro de la familia Kinesin-5) también puede moverse hacia el extremo negativo, o transporte retrógrado. Esto significa que estos homotetrámeros de cinesina de levadura únicos tienen la nueva capacidad de moverse bidireccionalmente. Hasta ahora, se ha demostrado que la kinesina solo se mueve hacia el extremo negativo cuando está en un grupo, con motores deslizándose en dirección antiparalela en un intento de separar los microtúbulos. Esta doble direccionalidad se ha observado en condiciones idénticas donde las moléculas de Cin8 libres se mueven hacia el extremo negativo, pero el Cin8 reticulado se mueve hacia los extremos positivos de cada microtúbulo reticulado. Un estudio específico probó la velocidad a la que se movían los motores Cin8 y sus resultados arrojaron un rango de aproximadamente 25-55 nm/s, en la dirección de los polos del husillo. De forma individual, se ha descubierto que variando las condiciones iónicas, los motores Cin8 pueden alcanzar una velocidad de hasta 380 nm/s. Se sugiere que la bidireccionalidad de los motores de kinesina-5 de levadura, como Cin8 y Cut7, es el resultado del acoplamiento con otros motores Cin8 y ayuda a cumplir el papel de la dineína en la levadura en ciernes, a diferencia del homólogo humano de estos motores, el plus. dirigido Eg5. Este descubrimiento en las proteínas de la familia de la kinesina-14 (como Drosophila melanogaster NCD, la levadura en ciernes KAR3 y Arabidopsis thaliana ATK5) permite que la kinesina camine en la dirección opuesta, hacia los microtúbulos menos. fin. Esto no es típico de la kinesina, sino más bien una excepción a la dirección normal del movimiento.

Otro tipo de proteína motora, conocida como dineínas, se mueve hacia el extremo negativo del microtúbulo. Así, transportan carga desde la periferia de la celda hacia el centro. Un ejemplo de esto sería el transporte que se produce desde los botones terminales de un axón neuronal hasta el cuerpo celular (soma). Esto se conoce como transporte retrógrado.

Mecanismo de movimiento

En 2023, la visualización directa de la kinesina "caminar" a lo largo de un microtúbulo en tiempo real. En un "mano sobre mano" mecanismo, las cabezas de kinesina se adelantan unas a otras, alternando la posición de avance. Así, en cada paso, la cabeza delantera se convierte en la cabeza trasera, mientras que la cabeza trasera se convierte en la cabeza delantera.

• Este ciclo comienza con la cabeza que sigue liberando fosfato inorgánico (Pi) derivado de la hidrolisis de ATP.
• La cabeza que sigue se separa del microtúbulo y gira en su estado derecho desplazado sin límites.
• La cabeza principal se une a ATP que hace que el eslabón del cuello se agache a ella, lo que mueve la cabeza que sigue por la cabeza hacia una posición más a lo largo del microtúbulo en la dirección del viaje. La cabeza que sigue se mantiene sin límites.
• El ATP en la cabeza principal está hidrolizado.
• La cabeza que sigue libera su ADP y los se unen al microtúbulo convirtiéndose en la cabeza principal.

Modelado teórico

Se han propuesto varios modelos teóricos de la proteína motora molecular cinesina. Las investigaciones teóricas enfrentan muchos desafíos debido a las incertidumbres restantes sobre las funciones de las estructuras de las proteínas, la forma precisa en que la energía del ATP se transforma en trabajo mecánico y las funciones que desempeñan las fluctuaciones térmicas. Esta es un área de investigación bastante activa. Especialmente se necesitan enfoques que establezcan un mejor vínculo con la arquitectura molecular de la proteína y los datos obtenidos de investigaciones experimentales.

La dinámica de una sola molécula ya está bien descrita, pero parece que estas máquinas a nanoescala suelen trabajar en equipos grandes.

La dinámica de una sola molécula se basa en los distintos estados químicos del motor y en observaciones sobre sus pasos mecánicos. Para pequeñas concentraciones de difosfato de adenosina, el comportamiento del motor se rige por la competencia de dos motocicletas quimiomecánicas que determinan la fuerza de pérdida del motor. Un tercer ciclo resulta importante para grandes concentraciones de ADP. También se han comentado modelos con un solo ciclo. Seiferth et al. demostró cómo cantidades como la velocidad o la producción de entropía de un motor cambian cuando los estados adyacentes se fusionan en un modelo multicíclico hasta que finalmente se reduce el número de ciclos.

Investigaciones experimentales recientes han demostrado que las cinesinas, mientras se mueven a lo largo de los microtúbulos, interactúan entre sí; las interacciones son de corto alcance y de atracción débil (1,6 ± 0,5 K_BT). Un modelo que se ha desarrollado tiene en cuenta estas interacciones de partículas, donde las tasas dinámicas cambian en consecuencia con la energía de interacción. Si la energía es positiva, la tasa de creación de enlaces (q) será mayor, mientras que la tasa de ruptura de enlaces (r) será menor. Se puede entender que las tasas de entrada y salida en los microtúbulos también se verán modificadas por la energía (ver figura 1 en la referencia 30). Si el segundo sitio está ocupado, la tasa de entrada será α*q y si el penúltimo sitio está ocupado, la tasa de salida será β*r. Este enfoque teórico concuerda con los resultados de las simulaciones de Monte Carlo para este modelo, especialmente para el caso límite de energía negativa muy grande. El proceso normal de exclusión simple totalmente asimétrico para resultados (o TASEP) se puede recuperar a partir de este modelo haciendo que la energía sea igual a cero.

${q over r}=e^{E over K_{B}T}$

Mitosis

En los últimos años, se ha descubierto que los motores moleculares basados en microtúbulos (incluidas varias cinesinas) desempeñan un papel en la mitosis (división celular). Las cinesinas son importantes para la longitud adecuada del huso y participan en el deslizamiento de los microtúbulos dentro del huso durante la prometafase y la metafase, así como en la despolimerización de los extremos negativos de los microtúbulos en los centrosomas durante la anafase. Específicamente, las proteínas de la familia Kinesin-5 actúan dentro del huso para separar los microtúbulos, mientras que la familia Kinesin 13 actúa para despolimerizar los microtúbulos.

Superfamilia Kinesin

Los miembros de la superfamilia de kinesina humana incluyen las siguientes proteínas, que en la nomenclatura estandarizada desarrollada por la comunidad de investigadores de kinesin, se organizan en 14 familias llamadas kinesin-1 a kinesin-14:

• 1A – KIF1A, 1B – KIF1B, 1C – KIF1C = kinesin-3
• 2A – KIF2A, 2C – KIF2C = kinesin-13
• 3B – KIF3B o 3C – KIF3C,3A - KIF3A = kinesin-2
• 4A – KIF4A, 4B – KIF4B = kinesin-4
• 5A – KIF5A, 5B – KIF5B, 5C – KIF5C = kinesin-1
• 6 – KIF6 = kinesin-9
• 7 – KIF7 = kinesin-4
• 9 – KIF9 = kinesin-9
• 11 – KIF11 = kinesin-5
• 12 – KIF12 = kinesin-12
• 13A – KIF13A, 13B – KIF13B = kinesin-3
• 14 – KIF14 = kinesin- 3
• 15 – KIF15 = kinesin-12
• 16B – KIF16B = kinesin-3
• 17 – KIF17 = kinesin-2
• 18A – KIF18A, 18B – KIF18B = kinesin-8
• 19 – KIF19 = kinesin-8
• 20A – KIF20A, 20B – KIF20B = kinesin-6
• 21A – KIF21A, 21B – KIF21B = kinesin-4
• 22 – KIF22 = kinesin-10
• 23 – KIF23 = kinesin-6
• 24 – KIF24 = kinesin-13
• 25 – KIF25 = kinesin-14
• 26A – KIF26A, 26B – KIF26B = kinesin-11
• 27 – KIF27 = kinesin-4
• C1 – KIFC1, C2 – KIFC2, C3 – KIFC3 = kinesin-14

cadenas ligeras de cinesina-1:

• 1 – KLC1, 2 – KLC2, 3 – KLC3, 4 – KLC4

proteína asociada a cinesina-2:

• KIFAP3 (también conocido como KAP-1, KAP3)