Microfilamento

Microfilamentos, también llamados filamentos de actina, son filamentos de proteínas en el citoplasma de las células eucariotas que forman parte del citoesqueleto. Se componen principalmente de polímeros de actina, pero se modifican e interactúan con muchas otras proteínas en 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 la citocinesis, el movimiento ameboide, la motilidad celular, los cambios en la forma de las células, la endocitosis y la exocitosis, la contractilidad celular y la estabilidad mecánica. Los microfilamentos son flexibles y relativamente fuertes, y resisten el pandeo por fuerzas de compresión de varios piconewton y la fractura del filamento por fuerzas de tracción de nanonewton. Al inducir la motilidad celular, un extremo del filamento de actina se alarga mientras que el otro extremo se contrae, presumiblemente por motores moleculares de miosina II.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 de ATP de la miosina en la contracción muscular y el avance de los seudópodos. Los microfilamentos tienen un marco resistente y flexible que ayuda a la célula en movimiento.

Historia

Los procesos mediados por actina y microfilamentos han sido objeto de investigación durante mucho tiempo. El botánico alemán-estadounidense George Engelmann (1879) sugirió que muchos tipos de movimientos observados en las plantas y los protozoos, como el flujo citoplásmico y el movimiento ameboide, eran de hecho una versión primitiva de los movimientos de contracción muscular.

En la década de 1930, Szent-Györgyi y colaboradores, violando uno de los cánones de la bioquímica, comenzaron a "estudiar el residuo en lugar del extracto", es decir, las proteínas estructurales y no las enzimas, lo que llevó a los numerosos descubrimientos relacionados con los microfilamentos.

Organización

Los filamentos de actina se ensamblan en dos tipos generales de estructuras: haces y redes. Los paquetes pueden estar compuestos por conjuntos de filamentos polares, en los que todos los extremos con púas apuntan al mismo extremo del paquete, o conjuntos no polares, donde los extremos con púas apuntan hacia ambos extremos. Una clase de proteínas de unión a actina, llamadas proteínas de enlace cruzado, dictan la formación de estas estructuras. Las proteínas de entrecruzamiento determinan la orientación y el espaciado de los filamentos en los haces y las redes. Estas estructuras están reguladas por muchas otras clases de proteínas de unión a actina, incluidas las proteínas motoras, las proteínas de ramificación, las proteínas de corte, los promotores de la polimerización y las proteínas de protección.

Autoensamblaje in vitro

Los microfilamentos, que miden aproximadamente 6 nm de diámetro, 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 helicoidales entrelazadas de subunidades. 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 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 miosina II más grande. El extremo puntiagudo se conoce comúnmente como el extremo menos (-) y el extremo con púas se conoce como el extremo más (+).

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 luego se une al extremo con púas y el ATP se hidroliza posteriormente. La hidrólisis del ATP se produce con un tiempo medio de unos 2 segundos, mientras que el tiempo medio para la disociación del fosfato inorgánico es de unos 6 minutos. Este evento autocatalizado reduce la fuerza de unión entre las 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 filamentos conocidos como actoclampinas. La evidencia reciente sugiere que la tasa de hidrólisis de ATP y la tasa de incorporación de monómero están fuertemente acopladas.

Posteriormente, la ADP-actina se disocia lentamente del extremo puntiagudo, un proceso significativamente acelerado por la proteína de unión a actina, la cofilina. La cofilina unida a ADP corta las regiones ricas en ADP más cercanas a los extremos (-). Tras la 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 actina-ATP necesarias para una mayor elongación del filamento del extremo con púas. Esta rápida renovación es importante para el movimiento de la célula. Las proteínas que rematan los extremos, 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 las proteínas de protección se utilizaron recientemente para controlar el crecimiento tridimensional del filamento de proteína para realizar topologías 3D útiles en tecnología y en la creación de interconexiones eléctricas. La conductividad eléctrica se obtiene por metalización de la estructura 3D de la proteína.

Mecanismo de generación de fuerza.

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 rodando. La cinta de correr da como resultado un alargamiento en el extremo con púas y un acortamiento en el extremo puntiagudo, de modo que el filamento se mueve en su totalidad. Dado que ambos procesos son energéticamente favorables, esto significa que se genera fuerza, y la energía proviene en última instancia del ATP.

Actina en las células

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.

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 despolimerizadora 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 se une a la profilina y la timosina beta-4, las cuales se unen preferentemente con estequiometría uno a uno a los 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 ensamblaje de los monómeros al estimular el intercambio de ADP unido a actina por ATP en fase de solución para producir actina-ATP y ADP.₂, y emplea su sitio de unión de 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.

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 a la madre. filamento, efectuando una red de filamentos ramificados en forma de abanico.

Las estructuras citoesqueléticas de actina únicas especializadas se encuentran adyacentes a la membrana plasmática. Cuatro ejemplos notables incluyen glóbulos rojos, células de riñón embrionario humano, neuronas y espermatozoides. En los glóbulos rojos, una red hexagonal de espectrina-actina está formada por filamentos de actina cortos interconectados. En las células renales embrionarias humanas, la actina cortical forma una estructura fractal sin escamas. Encontrada por primera vez en los axones neuronales, la actina forma anillos periódicos que se estabilizan con espectrina y aducina, y He et al 2016 descubrieron que esta estructura de anillo se presenta en casi todos los tipos de neuronas y células gliales, aparentemente en todos los taxones animales, incluido Caenorhabditis elegans. Drosophila, Gallus gallus yMus musculus. Y en el esperma de los mamíferos, la actina forma una estructura helicoidal en la pieza intermedia, es decir, el primer segmento del flagelo.

Proteínas asociadas

En las células no musculares, los filamentos de actina se forman proximales a las superficies de la membrana. Su formación y rotación están reguladas por muchas proteínas, que incluyen:

• Proteína de seguimiento del extremo del filamento (p. ej., forminas, VASP, N-WASP)
• Filamento-nucleador conocido como complejo de proteína relacionada con actina-2/3 (o Arp2/3)
• Entrecruzadores de filamentos (p. ej., α-actinina, fascin y fimbrina)
• Proteínas de unión a monómeros de actina profilina y timosina β4
• Tapadoras de extremo de púas de filamento como Capping Protein y CapG, etc.
• Proteínas que cortan los filamentos como la gelsolina.
• Proteínas despolimerizantes de actina como ADF/cofilina.

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 de púas de cada filamento unido a la membrana periférica de la célula por medio de motores de elongación de filamentos sujetos, las "actoclampinas" antes mencionadas, formadas a partir de un extremo de púas de filamento y una proteína de sujeción (formina, VASP, Mena, WASP y N-WASP). El sustrato principal para estos motores de elongación es el complejo profilina-actina-ATP que se transfiere directamente a los extremos de los filamentos de elongación. El extremo puntiagudo de cada filamento está orientado hacia el interior de la célula. En el caso del crecimiento lamellipodial, el complejo Arp2/3 genera una red ramificada y en los filopodios se forma una matriz paralela de filamentos.

La actina actúa como vía para la motilidad motora de la miosina.

Los motores de miosina son enzimas intracelulares dependientes de ATP que se unen y se mueven a lo largo de los filamentos de actina. Varias clases de motores de miosina tienen comportamientos muy diferentes, que incluyen ejercer tensión en la célula y transportar vesículas de carga.

Un modelo propuesto: extremos de filamentos de seguimiento de actoclampinas

Un modelo propuesto sugiere la existencia de motores moleculares de seguimiento de extremo de púas de filamento de actina denominados "actoclampina". Las actoclampinas propuestas generan las fuerzas propulsoras 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 final también pueden impulsar partículas biomiméticas.

El término actoclampina se deriva de acto - para indicar la participación de un filamento de actina, como en 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 lo tanto, una proteína de seguimiento final del filamento de actina puede denominarse clampina.

Dickinson y Purich reconocieron que la rápida hidrólisis de ATP podría explicar las fuerzas logradas durante la motilidad basada en actina. Propusieron una secuencia mecanoenzimática simple conocida como el modelo Lock, Load & Fire, en el que una proteína de seguimiento final permanece fuertemente unida ("bloqueada" o sujeta) en el extremo de un subfilamento del filamento de actina de doble cadena. Después de unirse a los registros de glicil-prolil-prolil-prolil-prolil-prolil en las proteínas rastreadoras, la profilina-ATP-actina se entrega ("carga") al extremo no sujeto del otro subfilamento, con 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.

Pasos involucrados

Los siguientes pasos describen un ciclo generador de fuerza de un motor molecular de actoclampina:

1. El cofactor de polimerización profilina y ATP·actina se combinan para formar un complejo profilina-ATP-actina que luego se une a la unidad de seguimiento final.
2. El cofactor y el monómero se transfieren al extremo con púas de un filamento de actina ya sujeto.
3. La unidad de rastreo y el cofactor se disocian del protofilamento adyacente, en un paso que puede ser facilitado por la energía de hidrólisis del ATP para modular la afinidad del cofactor y/o la unidad de rastreo por el filamento; y luego se repite este ciclo mecanoenzimático, comenzando esta vez en el otro sitio de crecimiento del subfilamento.

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 los motores que funcionan sin hidrólisis de ATP. El término actoclampina es genérico y se aplica a todos los motores moleculares de seguimiento final de filamentos de actina, independientemente de si son impulsados ​​de forma activa por un mecanismo activado por ATP o de forma pasiva.

Some actoclampins (e.g., those involving Ena/VASP proteins, WASP, and N-WASP) apparently require Arp2/3-mediated filament initiation to form the actin polymerization nucleus that is then "loaded" onto the end-tracker before processive motility can commence. To generate a new filament, Arp2/3 requires a "mother" filament, monomeric ATP-actin, and an activating domain from Listeria ActA or the VCA region of N-WASP. The Arp2/3 complex binds to the side of the mother filament, forming a Y-shaped branch having a 70 degree angle with respect to the longitudinal axis of the mother filament. Then upon activation by ActA or VCA, the Arp complex is believed to undergo a major conformational change, bringing its two actin-related protein subunits near enough to each other to generate a new filament gate. Whether ATP hydrolysis may be required for nucleation and/or Y-branch release is a matter under active investigation.