Bioquímica del Metabolismo

Citoesqueleto de actina

Contenido de esta página: estructura actina y polimerización
Tapando y reticulación proteínas 
estructuras celulares que implican la actina 
nucleación de la formación de filamentos de actina 
integrinas y adhesiones focalesReglamento de montaje y desmontaje de los filamentos de actina

Nota: Para este tema, las referencias serán entregados a los números de página en el libro de texto de Biología Molecular de la Célula por Alberts et al. (A). Miosina será discutido por separado.

Actina monómero, representado arriba a la izquierda en dos modos de visualización, ha subdominios designado 1-4. Una caricatura simplificada está por encima de la derecha. ATP se une, además de Mg ⁺⁺, dentro de una profunda hendidura entre subdominios 2 y 4.
Actina puede hidrolizar la ATP unido a ADP + P _i , la liberación de P _i . El monómero de actina puede intercambiar con destino ADP para el ATP. La conformación de la actina es diferente, dependiendo de si hay ATP o ADP en el sitio de unión de nucleótidos.

G-actina (actina globular) con límite de ATP puede polimerizar, para formar F-actina (actina filamentosa).F-actina puede hidrolizar el ATP unido a ADP + P i y liberar P i . Liberación de ADP del filamento no se produce porque la apertura leporino se bloquea. ADP / ATP intercambio: G-actina puede liberar ADP y se unen ATP, que normalmente está presente en el citosol en mayor concentración que el ADP.

Los filamentos de actina tienen polaridad . Los monómeros de actina todo orientar con su hendidura hacia el mismo extremo del filamento (designado el extremo menos). El diagrama de la derecha es muy simplista. Monómeros de actina en espiral alrededor del eje del filamento, con una estructura parecida a una doble hélice . Ver diagramas en A p. 916 y en el Biomachina página web .La polaridad de los filamentos de actina se puede visualizar mediante la decoración de los filamentos con cabezas globulares (designado S1) escindidos de la miosina por proteasas. Boundcabezas de miosina causan una aparición de puntas de flecha en micrografías electrónicas. Ver imágenes en el sitio web del Laboratorio de Heuser.

En un experimento, los filamentos de actina cortos estaban decorados con cabezas de miosina. Después de la eliminación del exceso de miosina no unido, la concentración de G-actina se incrementó, para promover aún más la polimerización de actina.Crecimiento del filamento en un extremo, designado más ( + ), que superó en el otro extremo, menos designado ( - ). En micrografías electrónicas, cabezas de miosina con destino aparecen como puntas de flecha apuntando hacia el extremo negativo del filamento. Extremos de púas de puntas de flecha se orientan hacia el extremo más.

Los filamentos de actina pueden sufrir treadmilling , en el que la longitud del filamento permanece aproximadamente constante, mientras que los monómeros de actina se suman en el ( + final) y se disocian de la ( - final). Esto ha sido objeto de seguimiento mediante una breve exposición a monómeros de actina etiquetados (etiquetado de pulso).

Proteínas de tapado se unen en los extremos de los filamentos de actina. Diferentes proteínas de tapado o bien puede estabilizar un filamento de actina o promover el desmontaje . Pueden tener un papel en la determinación de la longitud del filamento. Por ejemplo: T ropomodulins tapar el extremo menos , evitando la disociación de monómeros de actina. C proteína tapado APZ se une al más extremo , la inhibición de la polimerización. Si los monómeros de actina siguen disociar desde el extremo negativo, el filamento de actina se encogerá.

Dos toxinas que han sido útiles experimentalmente:

• Citocalasinas (de hongos) se unen a la ( + final) de F-actina y la adición de bloques subunidad. Despolimerización en el ( - ) final puede causar la pérdida del filamento.
• Faloidina (de la amanita) se une a lo largo de los lados de los filamentos de actina, estabilizarlos. Faloidina marcada con un fluorescente cromóforo se utiliza a menudo para la visualización de los filamentos de actina mediante microscopía de fluorescencia.

Cross-linking proteínas organizan los filamentos de actina en haces o redes. dominios de unión a actina- de varias de las proteínas de reticulación (por ejemplo, filamina, un actinina, spectrin, distrofina y fimbrina) son homólogas. La mayoría de las proteínas de reticulación son dimérica o tienen 2 dominios de unión a actina . Ver A p. 940-943.Algunas proteínas de unión a actina como un actinina , vilina y fimbrina filamentos de actina se unen en haces paralelos . Dependiendo de la longitud de una proteína de reticulación, o la distancia entre dominios de unión a actina, filamentos de actina en haces paralelos pueden mantenerse juntos, o pueden estar lo suficientemente separados para permitir la interacción con otras proteínas tales como la miosina. Filamins dimerize, a través de asociación antiparalela de sus dominios C-terminal, para formar en forma de V proteínas de reticulación que tienen una forma flexible debido a la bisagra regiones. Filamins organizan los filamentos de actina en redes flexibles que dan algunas áreas del citosol una gelatinosa consistencia. Filamins también puede haber andamios funciones relativas a su capacidad para unirse a componentes de vías de señales tales como receptores de membrana de plasma, calmodulina, la caveolina, la proteína quinasa C, factores de transcripción, etc.

Espectrina es una proteína de unión a actina que forma alargada tetramérica complejo que tiene un dominio de unión a actina en cada extremo. Con filamentos de actina cortos, espectrina forma una red del citoesqueleto en la superficie citosólica de la membrana plasmática de los eritrocitos y algunas otras células. Para ver un diagrama de un sitio web de L. Backman. Ver también A p. 603, 940.
C ell estructuras que implican actina (ejemplos seleccionados):

•  Filopodios (también llamados microspikes) son largas, delgadas y procesos transitorios que se extienden hacia fuera de la superficie celular. Haces de filamentos de actina paralelas, con su más extremos orientado hacia la punta filopodial, están reticulados dentro de filopodios por una pequeña proteína de unión a actina, tales como fascin . Los filamentos de actina poco espaciados proporcionan rigidez. Diagrama en A p. 940.
• M icrovilli son más cortos y más numerosas protuberancias de la superficie celular encontrado en algunas células. Filamentos de actina firmemente empaquetadas dentro de estas estructuras también tienen su más extremos orientado hacia la punta . Proteínas de reticulación pequeños como fimbrina y vilina unen actina filamentos juntos dentro de microvellosidades. Diagrama en A p. 942.
•  Lamellipodia son proyecciones delgadas pero amplias en el borde de una célula móvil. Lamellipodia son dinámicas estructuras, constantemente cambiando de forma. Micrografías en A p. 976. Ver también la película sobre la acción lamellipodial en el cierre de heridas en el FishScope sitio web. Se ha demostrado lamellipodia, al menos en algunas células móviles, para contener matrices ampliamente ramificada de filamentos de actina, orientado con su más (púas) termina hacia el plasma membrana. Forward extensión de un lamellipodium se produce por el crecimiento de los filamentos de actina adyacentes a la membrana plasmática. 
•  Fibras de estrés se forman cuando una célula hace conexiones estables a un sustrato. Micrografías en A p. 946 y diagrama p. 940.
  • Haces de filamentos de actina se extienden desde la superficie celular a través de la citosol. Los filamentos de actina, cuyos extremos están más orientados hacia la superficie de la célula en lados opuestos de la célula, pueden superponerse en las regiones más interiores de una célula, en anti-paralelo arrays
  •  Miosina media de deslizamiento de los filamentos de actina anti-paralelas durante la contracción de las fibras de estrés. (Ver notas sobre la miosina .)
  • un actinina puede entrecruzar los filamentos de actina dentro de las fibras de estrés.
• Algunas células tienen una red del citoesqueleto justo dentro de la membrana plasmática que incluye actina junto con varias otras proteínas tales como la espectrina. Este citoesqueleto tiene un papel en el mantenimiento de la forma celular. Un ejemplo se encuentra en los eritrocitos. Diagrama y micrografía en A. p. 603.
• Los filamentos de actina tienen un papel esencial en el anillo contráctil responsable de la citocinesis al final de la mitosis en las células animales. Diagrama en A. p. 1054.
• Actina se encuentra en el núcleo de la célula , así como en el citoplasma. Datos recientes indican participación de actina en la regulación de la transcripción génica .

La nucleación de la polimerización de actina

Arp2 / 3 nuclea la polimerización de actina en lamellipodia. El / 3 complejo Arp2 incluye dos relacionados con la actina proteínas, Arp2 y Arp3, más cinco proteínas más pequeñas. Cuando es activado por un factor de promoción de la nucleación (NPF), Arp2 / 3 complejo se une a la lateral de un conjunto de filamentos de actina y nuclea existente de una nueva rama filamento. El resultado rama estructura se forma de Y . En el diagrama simplificado de la derecha, Arp2 y Arp3 se muestran formando el inicio de una nueva rama de la doble hélice de F-actina. Ver también A p. 933 y 974.En el borde de ataque de un lamellipodium, más finales proteínas tapado pueden mantener los filamentos de actina corta, mientras Arp2 / 3 mantiene iniciar nuevas sucursales para propulsar el borde de la celda hacia adelante. Se ha argumentado que la red de cortos, de ramificación filamentos de actina visto en lamellipodia de algunos tipos de células podría ser más eficaz para impulsar el borde delantero hacia adelante que los filamentos ramificados, dada la flexibilidad de los filamentos de actina.

Una página web del laboratorio Borisy incluye películas adicionales y micrografías electrónicas que representan la dendríticas (ramificado) organización de los filamentos de actina en lamellipodia de los queratinocitos, y movimientos de estas células. Véase especialmente secuencia de la película # 2.
Más atrás desde el borde de ataque, las proteínas actina desestabilizar como cofilina y  gelsolin (ver más abajo) promoverían la pérdida de monómeros de actina desde el extremo menos . El continuo crecimiento plus de fin de filamento en la vanguardia, y menos de fin de desmontaje detrás, aparecen como treadmilling de monómeros de actina etiquetados, como se muestra en una película (seleccione la figura 10).
Forminas nuclean formación de no ramificados filamentos de actina , tales como los de fibras de estrés. forminas se encuentran en los extremos más de los filamentos de actina. Formin se dice que esprocessive , ya que permanece unido al extremo más de un filamento de actina medida que se añaden monómeros de actina en el extremo más. La presencia continua de formin previene la unión de las proteínas de tapado más de gama que inhibirían el crecimiento de filamentos.

Cada formin incluye un dominio de unión a actina FH2 que dimeriza para formar una estructura similar a un anillo con enlaces flexibles. M odelos han propuesto la participación de " paso a paso de la escalera "por el formin dimérica para explicar su capacidad de permanecer en el extremo más a medida que se añaden monómeros de actina. Por ejemplo, un dominio FH2 de la formin dimérica puede cambiar a una entrada conformación permitiendo "abierto" de un monómero de actina como el otro dominio FH2 une a la subunidad de actina más recientemente añadido. Ver una película vinculado a un reciente artículo de revisión. Elija materiales complementarios. (Requiere suscripción a Annual Review of Biochemistry.)

Otros dominios de formin incluyen otro dominio de unión a actina (FH1) que se une actina monomérica complejado con profilina (ver abajo). Esto puede aumentar la concentración efectiva de actina monomérica adyacente al sitio de polimerización. reguladoras dominios de forminas permitir autoinhibition que esté apagado durante la activación por la proteína de unión a GTP señal de Rho , se discute a continuación. Para un diagrama de estructura de dominio formin ver la siguiente basado en la web opinión (Fig. 1). (Requiere suscripción a Annual Review of Biochemistry.) 

Las integrinas son heterodímeros receptores de la superficie celular. Cada una de las dos subunidades de integrina, designado un y b , es una proteína transmembrana de una sola pasada. Diagrama de la derecha y ver A p. 1113. Las integrinas median la adhesión de células a la matriz extracelular, así como a otras células.Dominios citosólicos de las integrinas se unen al adaptador proteínas (por ejemplo, un actinina, talina, filamin) que enlazan las integrinas a elementos del citoesqueleto, tales como filamentos de actina. Ligandos extracelulares se unen a un / b subunidad interfaz . Dominios extracelulares de ambos unos y b subunidades de integrina contribuyen residuos al sitio de unión del ligando.

Existen múltiples isoformas de una y b subunidades. Diferentes combinaciones de un y b subunidades producen una variedad de integrinas con diferente especificidad de unión . Por ejemplo, el dominio extracelular de un ₁ b ₁ integrina se une colágeno, mientras que el dominio extracelular de un ₅ b ₁ integrina se une a fibronectina.
Las integrinas median conexiones dinámicas entre el citoesqueleto de actina dentro de una célula y los componentes de la matriz extracelular. Células en movimiento hacen y rompen los contactos con la matriz, mientras que las células estacionarias pueden formar complejos más estables con componentes extracelulares. 
Las integrinas han de señalización , así como adhesivos roles.

• Afuera en la señalización: La unión de ligandos de dominios extracelulares puede generar cambios conformacionales que afectan a la interacción de las integrinas con proteínas del citoesqueleto y de señales intracelulares.
• En el interior de salida de señalización: La afinidad de las integrinas para ligandos extracelulares está sujeta a regulación por señales celulares.

El inactivo integrina tiene una conformación doblada sobre , mientras que en el estado completamente activado los dominios de unión a ligando globulares se extienden al máximo de la superficie celular.Ver diagramas en una página web del laboratorio Walz en Harvard.

En adhesiones focales , las fibras de estrés se adhieren a través de adaptador de proteínas al plasma integrinas de membrana. Las proteínas adaptadoras que enlazan las fibras de estrés a las integrinas incluyen un actinina y Talin . Con los dominios extracelulares de las integrinas ligados a proteínas de la matriz, una célula se une firmemente a la matriz externa.

Reglamento de montaje y desmontaje del citoesqueleto de actina es muy complejo. Algunos ejemplos de mecanismos de regulación se dan a continuación.

Gelsolin funciones en gel sol transiciones dentro del citosol. Cuando es activada por Ca ++ , gelsolina, rompe un filamento de actina y tapas finales (+), el bloqueo de la regeneración del filamento. Los filamentos de actina se convierten retorcido antes de ser cortado por gelsolin. Gelsolina puede funcionar también para promover la extensión hacia adelante de un lamellipodium . Por la ruptura de los filamentos de actina, gelsolin contribuye al desarrollo de las redes de filamentos de actina ramificados que crecen para impulsarse hacia delante de la membrana plasmática en el borde de ataque.

La gelsolina en ausencia de Ca ++ no se une actina. Ca ++ provoca un gran cambio conformacional en gelsolina que expone un sitio de unión a actina. Actina contribuye un grupo carboxilo Glu a uno de los dos Ca ++ sitios de unión a.G-actina está mostrado complejado con el medio C-terminal de la gelsolina , con límite Ca ++ . La gelsolina, que interactúa también con la actina filamentosa, se une a lo largo del lado del monómero de actina y en una hendidura entre los subdominios de actina 1 y 3, en el extremo más . La hendidura hidrofóbica entre subdominios actina 1 y 3 (ver figura arriba) es un sitio común de la interacción con las proteínas de unión a la actina. Subdominio 2 de actina en sí se une a esta misma hendidura del monómero adyacente en la F-actina.

Ejercicio Chime: Explorar a la derecha de la actina-gelsolina-Ca ++ compleja.

Actina-gelsolina

Cofilina es miembro de la ADF ( factor de actina-despolimerización ) familia de proteínas. Cofilina se une a la actina-ADP lo largo de los lados de los filamentos de actina, lo que distorsiona el giro helicoidal del F-actina. Bajo algunas condiciones cofilina puede cortar los filamentos de actina.Cofilina también promueve la disociación de G-actina-ADP (como un complejo con la cofilina) desde el extremo menos de filamentos de actina. Cofilina puede entonces unirse a la actina G-ADP y inhibir ADP / ATP de cambio . Esto sería inhibir la re-actina polimerización.  La fosforilación de la cofilina hace que se disocie de G-actina, que luego pueden someterse a ADP / ATP intercambio y añadir a la (+) final de F-actina.Polimerización de actina en algunos casos puede ser desencadenada por cascadas de señales que conducen a la fosforilación de la cofilina.

Twinfilin es una proteína estructuralmente relacionada con la cofilina que también se une G-actina-ADP, y puede tener un papel en el secuestro de monómeros de actina. La timosina b 4 , una pequeña proteína (5 kDa) forma un complejo 1: 1 con G-actina. Se propone Timosina a " amortiguar "la concentración de actina libre, mediante el mantenimiento de un charco de actina monomérica. Un aumento en la concentración de timosina b 4, puede promover la despolimerización de la actina F, mediante la reducción de la concentración de libre G-actina.

Profilin tiene un papel en la regulación de la polimerización de actina. Profilin forma un complejo 1: 1 con G-actina. Vinculante Profilin en el extremo más , frente a la hendidura de unión de nucleótidos, altera la conformación del G-actina, haciendo su sitio de unión de nucleótidos, más abierta al citosol. Esto promueve el intercambio de ATP / ADP . La estimulación por profilina de ATP / ADP de cambio aumenta la concentración local de G-actina-ATP , la forma capaz de polimerizar. Profilin puede secuestrar monómeros de actina. Localizada liberación de G-actina-ATP por profilina puede promover la polimerización de la actina.

Por lo general, profilina promueve la polimerización de la actina. Puede funcionar como un portador , donando el monómero de actina a la final más de un filamento. Debido a profilina se une en el extremo más de un monómero de actina, extremo menos del monómero de actina está disponible para la adición al final más de un filamento de actina existente. Ver más abajo, por Chime, las especies bovina complejo actina-profilina . Este 2BTF archivo PDB, es de los datos por la CE Schutt, JC Myslik, MD Rozycki, y NCW Goonesekere, 1994.

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Actina-Profilin - opciones de visualización recomendados: Mostrar como de dibujos animados y el color de la cadena de distinguir actina (azul) y profilina (verde). Seleccione hetero - l igand , pantalla como spacefill , y el color CPK , para visualizar la ATP , con destino a la actina con el estroncio catiónico (en lugar de Mg ++ ). El único átomo que también se selecciona como un ligando es un grupo metilo en His73. Por separado seleccionable es un grupo acetilo en el extremo N-terminal de cada proteína. Pregunta: ¿Cuál es la importancia de la posición de la profilina en el complejo con respecto a la capacidad de la actina a: (a) ADP cambio de ATP (b) añadir al final, más de un filamento de actina?

C  N O S P Sr

Los derivados de los lípidos de membrana fosfatidilinositol están involucrados en cascadas de señales .Señal activada quinasas convierten fosfatidilinositol a PIP 2 (fosfatidilinositol-4,5-bifosfato). La fosfolipasa C , que se activa por una cascada de señales, cataliza la escisión de PIP 2 para producir la señal de moléculas de diacilglicerol e inositol trifosfato (IP 3 ).

Además de su papel en la generación de la segunda mensajeros diacilglicerol e IP 3 , PIP 2 formación y la hidrólisis pueden afectar el citoesqueleto de actina. Por ejemplo, la formación regulada y la escisión de PIP 2 pueden afectar profilina concentración, y por lo tanto la polimerización de actina, adyacente a la membrana plasmática.

PIP 2 se une profilina en la superficie citosólica de la membrana plasmática. Esto evita la interacción actina-profilina. Señal activa PIP 2 hidrólisis libera profilina , que puede obligar G-actina y promover ADP / ATP de cambio. El aumento de G-actina-ATP promueve la polimerización de la actina adyacente a la membrana plasmática.

Algunos actina corte y proteínas tapado también se unen a PIP ₂ , incluyendo gelsolin y cofilina. Filamento de corte puede ser un mecanismo para incrementar el número de plus termina a la que puede polimerizar la actina. La unión a PIP ₂ inhibe la gelsolina y cofilina, y los secuestra cerca de la superficie de la célula. Su liberación regulada puede afectar la formación de lamellipodia o el movimiento hacia adelante de una célula.
Factores nucleación promover que activan el complejo Arp2 / 3 incluyen proteínas llamadas WASP y Scar (también llamado WAVE ). La enfermedad genética Síndrome de Wiskott-Aldrich dio WASP su nombre.
WASP / Scar proteínas tienen dominios que se unen y activan Arp2 / 3 , además de los dominios que reconocen y se unen a los diversos factores de señalización que pueden ser generados localmente en una célula. Así proteínas WASP / Scar pueden determinar dónde en una polimerización de la actina celular ocurrirá. Algunas proteínas WASP se activan mediante la unión a proteínas de la Rho familia (véase más adelante) y / o al PIP ₂ (fosfatidilinositol-4,5-bifosfato). Ver A p. 947.
Algunos patógenos utilizan actina de una célula huésped para moverse en una célula infectada y para la transmisión a otras células. Se mueven por el crecimiento de colas de actina. Diagrama en A p. 1447.

• En Listeria , una proteína de la superficie celular bacteriana homóloga a WASP activa el complejo Arp2 / 3.
• Shigella tiene una proteína de la superficie celular que se une WASP.
• El virus vaccinia tiene una proteína de superficie que, cuando fosforilada, se une a través de proteínas adaptadoras a WASP. 
• Salmonella codifica proteínas de unión a actina que aparecen para nuclear directamente el crecimiento de filamentos de actina.

Una página web , con películas que muestran el movimiento basado en la actina de Listeria y Shigella dentro de las células, es mantenido por el Dr. J. Theriot en la Escuela de Medicina de Stanford.
Rho es una familia de pequeñas proteínas de unión a GTP que regulan el citoesqueleto de actina. Algunos miembros de la familia Rho y las estructuras del citoesqueleto que regulan predominantemente se enumeran a continuación.

• Rac activa formación de lamellipodia , en parte a través de la activación de WASP .
• Cdc42 activa formación de filopodios , en parte a través de la activación de la familia WASP proteínas Scar / WAVE .
• Rho activa formación de adhesiones focales y fibras de estrés , en parte a través de la activación de forminas .

En cada caso, el activo forma de la proteína de la familia Rho ha unido GTP .

Regulación a la baja de las proteínas Rho GTPasa implica la activación de proteínas ( GAP s) que facilitan GTP hidrólisis por Rho. Además, los inhibidores de la disociación de nucleótidos guanina ( GDI s) se unen a Rho y prevenir PIB / intercambio de GTP.La activación de las proteínas Rho es por proteínas de guanina de intercambio de nucleótidos ( FMAM s) del Dbl familia que promueven la liberación del PIB con la unión de GTP. Los GEFs Dbl están a su vez activan a través de cascadas de señales iniciadas a través de receptores de membrana plasmática, como receptores de citoquinas, receptores de factores de crecimiento y receptores de adhesión celular.

Además de activar forminas para promover el crecimiento de filamentos de actina, Rho-GTP promueve interacciones actina-miosina esenciales para el desarrollo y la contracción de las fibras de estrés , a través de su activación de ROCA ( Rho cinasa ).ROCA fosforila e inhibe la desfosforilación (de) la miosina II cadenas ligeras . Fosforilación de la cadena ligera promueve la interacción de la miosina con los filamentos de actina.

Otras quinasas que regulan la formación o el desmontaje de las adhesiones focales incluyen:

• Quinasa de adhesión focal ( FAK ) tiene un papel en la modulación de montaje de adhesiones focales en respuesta a la tensión ejercida por el citoesqueleto en los archivos adjuntos al sustrato extracelular a través de integrinas. FAK actúa a través de diferentes efectores corriente abajo, incluyendo componentes de vías de señalización MAP quinasa.
• Integrin-quinasa vinculadas ( CIC ) se une a las integrinas de la membrana plasmática y para diversas proteínas de unión a actina, mediando de ese modo la unión de la actina a la membrana plasmática en las adhesiones focales. CIC también fosforila y activa la proteína quinasa B, una enzima con numerosas funciones de regulación.

Las proteínas de la ERM familia, incluyendo ezrina , radixina y moesina , proporcionan vinculación regulada de los filamentos de actina a la membrana plasmática en algunas células. MTC proteínas tienen dominios de unión a actina y dominios que se unen a los dominios citosólicos de proteínas integrales de la membrana plasmática. Están reguladas por la señal activada por fosforilación y por la interacción con PIP ₂ .
Las calpaínas son Ca ⁺⁺ activados por proteasas de cisteína que regulan la adhesión celular. Estas proteasas intracelulares escinden constituyentes de fibras de estrés y adherencias focales durante la activación de la motilidad celular. Las proteínas escindidas por calpaínas incluyen proteínas de unión a actina como un actinina, filamina, Talin y espectrina; subunidades de la membrana plasmáticaintegrinas ; y la proteína ERM ezrina . Además de ser activado por Ca ⁺⁺ , calpaínas son reguladas por la fosforilación y están sujetos a la inhibición por una proteína calpastatina.