Genética [ editar ]
La actina ha sido una de las proteínas mejor conservadas a lo largo de la evolución, ya que interactúa con un gran número de otras proteínas. Tiene una conservación de secuencia del 80,2% a nivel genético entre Homo sapiens y Saccharomyces cerevisiae (una especie de levadura), y una conservación del 95% de la estructura primaria del producto proteico. [4]
Aunque la mayoría de las levaduras tienen un solo gen de actina, los eucariotas superiores , en general, expresan varias isoformas de actina codificadas por una familia de genes relacionados. Los mamíferos tienen al menos seis isoformas de actina codificadas por genes separados, [47] que se dividen en tres clases (alfa, beta y gamma) según sus puntos isoeléctricos . En general, las alfa actinas se encuentran en los músculos (α-esquelético, α-aórtico liso, α-cardíaco), mientras que las beta y gamma son prominentes en las células no musculares (β-citoplasmático, γ1-citoplasmático, γ2-entérico liso) . Aunque las secuencias de aminoácidos e in vitroLas propiedades de las isoformas son muy similares, estas isoformas no pueden sustituirse completamente entre sí in vivo . [48]
El gen de actina típico tiene una UTR 5 'deaproximadamente 100 nucleótidos , una región traducida de 1200 nucleótidos y una UTR 3' de 200 nucleótidos . La mayoría de los genes de actina están interrumpidos por intrones , con hasta seis intrones en cualquiera de las 19 ubicaciones bien caracterizadas. La alta conservación de la familia hace que actúen como el modelo predilecto para los estudios que comparan los modelos de evolución de intrones temprano y tardío de intrón.
Todos los procariotas no esféricos parecen poseer genes tales como MreB , que codifican homólogos de actina; estos genes son necesarios para que la forma de la célula se mantenga. El gen ParM derivado de plásmidocodifica una proteína similar a la actina cuya forma polimerizada es dinámicamente inestable , y parece dividir el ADN plasmídico en sus células hijas durante la división celular por un mecanismo análogo al empleado por los microtúbulos en la mitosis eucariótica . [49] La actina se encuentra en los retículos endoplásmicos lisos y ásperos.
Dinámica de montaje [ editar ]
La nucleación y la polimerización [ editar ]
Los factores de nucleación son necesarios para estimular la polimerización de la actina. Uno de estos factores de nucleación es el complejo Arp2 / 3 , que imita un dímero de G-actina para estimular la nucleación (o formación del primer trímero) de la G-actina monomérica. El complejo Arp2 / 3 se une a los filamentos de actina a 70 grados para formar nuevas ramas de actina a partir de los filamentos de actina existentes. La nucleación mediada por Arp2 / 3 es necesaria para la migración celular dirigida. [50] Además, los propios filamentos de actina se unen al ATP, y la hidrólisis de este ATP estimula la desestabilización del polímero.
El crecimiento de los filamentos de actina puede ser regulado por la timosina y la profilina . La timosina se une a la actina G para amortiguar el proceso de polimerización, mientras que la profilina se une a la actina G para intercambiar ADP por ATP , promoviendo la adición monomérica a la púa, más el extremo de los filamentos de actina F.
La actina F es fuerte y dinámica. A diferencia de otros polímeros , como el ADN , cuyos elementos constituyentes están unidos entre sí con enlaces covalentes , los monómeros de los filamentos de actina se ensamblan mediante enlaces más débiles. Los enlaces laterales con los monómeros vecinos resuelven esta anomalía, que en teoría debería debilitar la estructura, ya que pueden romperse por agitación térmica. Además, los enlaces débiles dan la ventaja de que los extremos de los filamentos pueden liberar o incorporar fácilmente monómeros. Esto significa que los filamentos pueden ser remodelados rápidamente y pueden cambiar la estructura celular en respuesta a un estímulo ambiental. El cual, junto con el mecanismo bioquímico por el cual se produce, se conoce como la "dinámica de ensamblaje".[6]
- Estudios in vitro
Los estudios que se centran en la acumulación y pérdida de subunidades por microfilamentos se llevan a cabo in vitro (es decir, en el laboratorio y no en sistemas celulares) ya que la polimerización de la actina resultante da lugar a la misma actina F que se produce in vivo . El proceso in vivo está controlado por una multitud de proteínas para que responda a las demandas celulares, lo que dificulta la observación de sus condiciones básicas. [51]
La producción in vitro se realiza de manera secuencial: primero, existe la "fase de activación", cuando el enlace y el intercambio de cationes divalentes se producen en lugares específicos de la actina G, que está unida a la ATP. Esto produce un cambio conformacional, a veces llamado G * -actina o monómero de actina F, ya que es muy similar a las unidades que se encuentran en el filamento. [28] Esto lo prepara para la "fase de nucleación", en la que la actina G da lugar a pequeños fragmentos inestables de actina F que son capaces de polimerizar. Inicialmente se forman dímeros y trímeros inestables. La "fase de alargamiento" comienza cuando hay un número suficientemente grande de estos polímeros cortos. En esta fase, el filamento se forma y crece rápidamente a través de la adición reversible de nuevos monómeros en ambos extremos.Finalmente, se logra un equilibrio estacionario en el que los monómeros de actina G se intercambian en ambos extremos del microfilamento sin ningún cambio en su longitud total. [20] En esta última fase, la "concentración crítica C c " se define como la relación entre la constante de ensamblaje y la constante de disociación para la actina G, donde la dinámica para la adición y eliminación de dímeros y trímeros no produce un cambio en La longitud del microfilamento. En condiciones in vitro , C c es 0.1 μM, [53] lo que significa que a valores más altos se produce la polimerización y a valores más bajos se produce la despolimerización. [54]
- Papel de la hidrólisis de ATP
Como se indicó anteriormente, aunque la actina hidroliza el ATP, todo apunta al hecho de que el ATP no es necesario para el ensamblaje de la actina, dado que, por un lado, la hidrólisis tiene lugar principalmente dentro del filamento, y por otro lado, el ADP también podría Instigar la polimerización. Esto plantea la cuestión de comprender qué proceso termodinámicamente desfavorable requiere un gasto de energía tan prodigioso.. El ciclo de actina, que combina la hidrólisis de ATP con la polimerización de actina, consiste en la adición preferencial de monómeros de G-actina-ATP al extremo de púas de un filamento, y el desmontaje simultáneo de monómeros de F-actina-ADP en el extremo puntiagudo donde posteriormente se realiza el ADP. transformado en ATP, cerrando así el ciclo, este aspecto de la formación de filamentos de actina se conoce como "treadmilling".
El ATP se hidroliza de manera relativamente rápida justo después de la adición de un monómero de actina G al filamento. Hay dos hipótesis con respecto a cómo ocurre esto; el estocástico , que sugiere que la hidrólisis ocurre aleatoriamente de una manera que de alguna manera está influenciada por las moléculas vecinas; y el vectorial, que sugiere que la hidrólisis solo ocurre adyacente a otras moléculas cuyo ATP ya se ha hidrolizado. En cualquier caso, el P i resultante no se libera, permanece por algún tiempo unido no covalentemente al ADP de actina, de esta manera hay tres especies de actina en un filamento: ATP-Actin, ADP + P i -Actin y ADP-Actin . [43] [55]La cantidad de cada una de estas especies presentes en un filamento depende de su longitud y estado: a medida que comienza el alargamiento, el filamento tiene una cantidad aproximadamente igual de monómeros de actina unidos con ATP y ADP + P i y una pequeña cantidad de ADP-Actina en el lugar. (-) final. A medida que se alcanza el estado estacionario, la situación se invierte, con ADP presente a lo largo de la mayoría del filamento y solo el área más cercana al extremo (+) que contiene ADP + P i y con ATP solo presente en la punta. [56]
Si comparamos los filamentos que sólo contienen ADP-actina con aquellos que incluyen ATP, en la antigua las constantes críticas son similares en ambos extremos, mientras que C c para los otros dos nucleótidos es diferente: en el (+) Cc extremo + = 0,1 μM, mientras que en el extremo (-) Cc - = 0.8 μM, lo que da lugar a las siguientes situaciones: [22]
- Para concentraciones de G-actina-ATP menores que Cc + no se produce elongación del filamento.
- Para concentraciones de G-actina-ATP menores que Cc , pero mayores que Cc +, el alargamiento se produce en el extremo (+).
- Para concentraciones de G-actina-ATP mayores que Cc , el microfilamento crece en ambos extremos.
Por lo tanto, es posible deducir que la energía producida por la hidrólisis se utiliza para crear un verdadero "estado estacionario", es decir, un flujo, en lugar de un equilibrio simple, uno dinámico, polar y unido al filamento. Esto justifica el gasto de energía ya que promueve funciones biológicas esenciales. [43] Además, la configuración de los diferentes tipos de monómeros es detectada por las proteínas de unión a la actina, que también controlan este dinamismo, como se describirá en la siguiente sección.
Se ha encontrado que la formación de microfilamentos por la cinta de andar es atípica en los estereocilios . En este caso, el control del tamaño de la estructura es totalmente apical y está controlado de alguna manera por la expresión génica, es decir, por la cantidad total de monómero de proteína sintetizada en un momento dado. [57]
Proteínas asociadas [ editar ]
El citoesqueleto de actina in vivo no está compuesto exclusivamente por actina, se requieren otras proteínas para su formación, continuidad y función. Estas proteínas se denominan proteínas de unión a actina (ABP) y están involucradas en la polimerización, despolimerización, estabilidad, organización en haces o redes de la actina, fragmentación y destrucción. [20] La diversidad de estas proteínas es tal que se piensa que la actina es la proteína que participa en el mayor número de interacciones proteína-proteína . [59] Por ejemplo, existen elementos secuestrantes de G-actina que impiden su incorporación a los microfilamentos. También hay proteínas que estimulan su polimerización o que dan complejidad a las redes de síntesis.[22]
- La timosina β-4 es una proteína de 5 kDa que puede unirse con G-actina-ATP en una estequiometría 1: 1 ; lo que significa que una unidad de timosina β-4 se une a una unidad de G-actina. Su función es impedir la incorporación de los monómeros en el polímero en crecimiento. [60]
- Profilin , es una proteína citosólica con un peso molecular de 15 kDa, que también se une con G-actina-ATP o -ADP con una estequiometría de 1: 1, pero tiene una función diferente, ya que facilita la sustitución de los nucleótidos ADP por ATP . También está implicado en otras funciones celulares, como la unión de repeticiones de prolina en otras proteínas o en lípidos que actúan como mensajeros secundarios . [61] [62]
Otras proteínas que se unen a la actina regulan la longitud de los microfilamentos cortándolos, lo que da lugar a nuevos extremos activos para la polimerización. Por ejemplo, si un microfilamento con dos extremos se corta dos veces, habrá tres nuevos microfilamentos con seis extremos. Esta nueva situación favorece la dinámica de montaje y desmontaje. Las más notables de estas proteínas son la gelsolina y la cofilina . Estas proteínas primero logran un corte al unirse a un monómero de actina ubicado en el polímero, luego cambian la conformación del monómero de actina mientras permanecen unidas al extremo recién generado (+). Esto tiene el efecto de impedir la adición o el intercambio de nuevas subunidades de G-actina. Se fomenta la despolimerización ya que los extremos (-) no están vinculados a ninguna otra molécula. [sesenta y cinco]
Otras proteínas que se unen a la actina cubren los extremos de la F-actina para estabilizarlos, pero son incapaces de romperlos. Ejemplos de este tipo de proteína son CapZ (que une los extremos (+) dependiendo de los niveles de Ca 2+ / calmodulina de una célula . Estos niveles dependen de las señales internas y externas de la célula y están involucrados en la regulación de sus funciones biológicas). [66] Otro ejemplo es la tropomodulina (que se une al extremo (-)). La tropomodulina actúa básicamente para estabilizar la F-actina presente en las miofibrillas presentes en los sarcomeros musculares , que son estructuras caracterizadas por su gran estabilidad. [67]
El complejo Arp2 / 3 se encuentra ampliamente en todos los organismos eucarióticos . [69] Está compuesto por siete subunidades, algunas de las cuales poseen una topología que está claramente relacionada con su función biológica: dos de las subunidades, ARP2 y ARP3, tienen una estructura similar a la de los monómeros de actina. Esta homología permite que ambas unidades actúen como agentes de nucleación en la polimerización de la actina G y la actina F. Este complejo también se requiere en procesos más complicados, como el establecimiento de estructuras dendríticas y también en la anastomosis (la reconexión de dos estructuras de ramificación que se habían unido previamente, como en los vasos sanguíneos). [70]
Los inhibidores químicos [ editar ]
Existen varias toxinas que interfieren con la dinámica de la actina, ya sea impidiendo que se polimerice ( latrunculina y citocalasina D ) o estabilizándola ( faloidina ):
- La latrunculina es una toxina producida por las esponjas , se une a la actina G y evita que se una con los microfilamentos. [71]
- La citocalasina D, es un alcaloide producido por hongos , que se une al extremo (+) de la actina F y evita la adición de nuevos monómeros. [72] Se ha descubierto que la citocalasina D altera la dinámica de la actina, activando la proteína p53 en animales. [73]
- La faloidina, es una toxina que se ha aislado del hongo de la tapa de la muerte Amanita phalloides . Se une a la interfaz entre los monómeros de actina adyacentes en el polímero de actina F, evitando su despolimerización.
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