Microfilament

Los microfilamentos , también llamados filamentos de actina , son filamentos proteicos en el citoplasma de las células eucariotas que forman parte del citoesqueleto . Están compuestos principalmente de polímeros de actina , pero son modificados por e interactúan con numerosas 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 celular, la endocitosis y la exocitosis , la contractilidad celular y la estabilidad mecánica. Los microfilamentos son flexibles y relativamente fuertes, resistiendo el pandeo por fuerzas de compresión de múltiples 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 . ^[1] Además, funcionan como parte de los motores moleculares contráctiles impulsados ​​por la actomiosina , en donde 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 pseudópodos . Los microfilamentos tienen una estructura resistente y flexible que ayuda a la célula en el movimiento. ^[2]

La actina fue descubierta por primera vez en el músculo esquelético del conejo a mediados de la década de 1940 por FB Straub. ^[3] Casi 20 años después, HE Huxley demostró que la actina es esencial para la constricción muscular. El mecanismo por el cual la actina crea filamentos largos fue descrito por primera vez a mediados de la década de 1980. Estudios posteriores demostraron que la actina tiene un papel importante en la forma celular, la motilidad y la citocinesis.

Los filamentos de actina se ensamblan en dos tipos generales de estructuras: haces y redes. Los haces pueden estar compuestos por conjuntos de filamentos polares, en los que todos los extremos con púas apuntan al mismo extremo del haz, o conjuntos no polares, en los que los extremos con púas apuntan hacia ambos extremos. Una clase de proteínas de unión a la actina , llamadas proteínas de reticulación, dictan la formación de estas estructuras. Las proteínas de reticulación determinan la orientación y el espaciamiento de los filamentos en los haces y redes. Estas estructuras están reguladas por muchas otras clases de proteínas de unión a la actina, incluidas las proteínas motoras, las proteínas de ramificación, las proteínas de corte, los promotores de polimerización y las proteínas de protección. ^{[ cita requerida ]}

Los microfilamentos, que miden aproximadamente 6 nm de diámetro , ^[4] 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 los fragmentos de miosina S1: ellos mismos son subunidades del complejo proteico más grande de miosina II . El extremo puntiagudo se conoce comúnmente como extremo negativo (−) y el extremo con púas se conoce como extremo positivo (+). ^{[ cita requerida ]}

La polimerización de actina in vitro , o nucleación , comienza con la autoasociación de tres monómeros de G-actina para formar un trímero . La actina unida a ATP luego se une al extremo con púas y el ATP se hidroliza posteriormente . La hidrólisis de ATP ocurre con un tiempo medio de aproximadamente 2 segundos, ^[5] mientras que el tiempo medio para la disociación del fosfato inorgánico es de aproximadamente 6 minutos. ^[5] Este evento autocatalizado reduce la fuerza de unión entre 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 filamento conocidos como actoclampinas. Evidencias recientes sugieren que la tasa de hidrólisis de ATP y la tasa de incorporación de monómeros están fuertemente acopladas.

Posteriormente, la ADP -actina se disocia lentamente del extremo puntiagudo, un proceso acelerado significativamente por la proteína de unión a la 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 ATP-actina necesarias para una mayor elongación del filamento del extremo con púas. Este recambio rápido es importante para el movimiento de la célula. Las proteínas de recubrimiento de 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.

Recientemente se ha utilizado la polimerización de actina junto con proteínas de recubrimiento para controlar el crecimiento tridimensional de filamentos proteicos y así crear topologías 3D útiles en tecnología y en la creación de interconexiones eléctricas. La conductividad eléctrica se obtiene mediante la metalización de la estructura 3D de la proteína. ^{[6] [7]}

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 se mueven en cinta . La cinta da como resultado un alargamiento en el extremo con púas y un acortamiento en el extremo puntiagudo, de modo que el filamento en total se mueve. Dado que ambos procesos son energéticamente favorables, esto significa que se genera fuerza, y la energía proviene en última instancia del ATP. ^[1]

El ensamblaje y desensamblaje intracelular del citoesqueleto de actina está estrechamente regulado por mecanismos de señalización celular. Muchos sistemas de transducción de señales utilizan el citoesqueleto de actina como andamiaje, manteniéndolos en la cara interna de la membrana periférica o cerca de ella. Esta ubicación subcelular permite una respuesta inmediata a la acción del receptor transmembrana y la cascada resultante de enzimas de procesamiento de señales. ^{[ cita requerida ]}

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 está unida a la profilina y la timosina beta-4 , las cuales se unen preferentemente con una estequiometría de 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 los monómeros para ensamblarse estimulando el intercambio de ADP unido a actina por ATP en fase de solución para producir ATP y ADP de actina. La profilina se transfiere al borde delantero en virtud de su sitio de unión PIP ₂ , y utiliza su sitio de unión 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 de monómeros de los motores de actoclampina. ^{[ cita requerida ]}

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 al filamento madre, lo que produce una red de filamentos ramificados en forma de abanico. ^[8]

Las estructuras citoesqueléticas de actina únicas y especializadas se encuentran adyacentes a la membrana plasmática. Cuatro ejemplos notables incluyen glóbulos rojos , células renales embrionarias humanas , neuronas y espermatozoides . En los glóbulos rojos, una red hexagonal de espectrina -actina está formada por filamentos de actina cortos interconectados. ^[9] En las células renales embrionarias humanas, la actina cortical forma una estructura fractal sin escala . ^[10] Encontrada por primera vez en los axones neuronales , la actina forma anillos periódicos que son estabilizados por la espectrina y la aducina ^{[11] [12]} – y He et al 2016 descubrieron que esta estructura de anillo ocurre en casi todos los tipos neuronales y células gliales , en aparentemente todos los taxones animales, incluyendo Caenorhabditis elegans , Drosophila , Gallus gallus y Mus musculus . ^[13] Y en el esperma de mamíferos, la actina forma una estructura helicoidal en la pieza intermedia, es decir, el primer segmento del flagelo . ^[14]

En las células no musculares, los filamentos de actina se forman cerca de las superficies de la membrana. Su formación y renovación están reguladas por muchas proteínas, entre ellas:

• Proteína de seguimiento de extremos de filamentos (por ejemplo, forminas , VASP , N-WASP )
• Nucleador de filamentos conocido como complejo de proteína relacionada con actina-2/3 (o Arp2/3 )
• Reticulantes de filamentos (p. ej., α-actinina, fascina y fimbrina )
• Proteínas de unión al monómero de actina profilina y timosina β4
• Taponadores de filamentos con extremos dentados como Capping Protein y CapG , etc.
• Proteínas que cortan filamentos como la gelsolina .
• Proteínas despolimerizadoras de actina como ADF/ cofilina .

La red de filamentos de actina en células no musculares es muy dinámica. La red de filamentos de actina está dispuesta con el extremo con púas de cada filamento unido a la membrana periférica de la célula por medio de motores de elongación de filamentos fijados, las "actoclampinas" mencionadas anteriormente, formadas a partir de un extremo con púas de filamento y una proteína de fijación (forminas, VASP, Mena, WASP y N-WASP). ^[15] El sustrato principal para estos motores de elongación es el complejo profilina-actina-ATP que se transfiere directamente a los extremos de los filamentos que se elongan. ^[16] El extremo puntiagudo de cada filamento está orientado hacia el interior de la célula. En el caso del crecimiento lamelipodial, el complejo Arp2/3 genera una red ramificada, y en los filopodios se forma una disposición paralela de filamentos.

Los motores de miosina son enzimas intracelulares dependientes de ATP que se unen a los filamentos de actina y se desplazan a lo largo de ellos. Las distintas clases de motores de miosina tienen comportamientos muy diferentes, como ejercer tensión en la célula y transportar vesículas de carga. ^{[ cita requerida ]}

Un modelo propuesto sugiere la existencia de motores moleculares de seguimiento de extremos con púas de filamentos de actina denominados "actoclampinas". ^[17] Las actoclampinas propuestas generan las fuerzas propulsoras necesarias para la motilidad basada en actina de lamelipodios , filopodios , invadipodios, espinas dendríticas , vesículas intracelulares y procesos móviles en endocitosis , exocitosis , formación de podosomas y fagocitosis . Los motores de actoclampinas también propulsan patógenos intracelulares como Listeria monocytogenes , Shigella flexneri , Vaccinia y Rickettsia . Cuando se ensamblan en condiciones adecuadas, estos motores moleculares de seguimiento de extremos también pueden propulsar partículas biomiméticas .

El término actoclampin se deriva de acto - para indicar la participación de un filamento de actina, como en el caso de la actomiosina, y de clamp para indicar un dispositivo de sujeción utilizado para reforzar objetos flexibles o móviles y para sujetar de forma segura dos o más componentes, seguido del sufijo - in para indicar su origen proteico. Por lo tanto, una proteína que sigue los extremos de un filamento de actina puede denominarse clampina.

Dickinson y Purich reconocieron que la hidrólisis rápida de ATP podría explicar las fuerzas alcanzadas durante la motilidad basada en actina. ^[15] Propusieron una secuencia mecanoenzimática simple conocida como el modelo Lock, Load & Fire, en el que una proteína rastreadora de extremos permanece fuertemente unida ("bloqueada" o sujeta) al extremo de un subfilamento del filamento de actina bicatenario. Después de unirse a los registros Glycyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl en las proteínas rastreadoras, Profilina-ATP-actina se entrega ("carga") al extremo no sujeto del otro subfilamento, con lo cual el ATP dentro de la subunidad terminal ya sujeta del otro subfragmento se hidroliza ("se dispara"), proporcionando la energía necesaria para liberar ese brazo del rastreador de extremos, que luego puede unirse a otra Profilina-ATP-actina para comenzar una nueva ronda de adición de monómeros. ^{[ cita requerida ]}

Los siguientes pasos describen un ciclo de generación de fuerza de un motor molecular actoclampin:

1. El cofactor de polimerización profilina y la 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 dentado de un filamento de actina ya fijado.
3. La unidad de seguimiento 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 seguimiento por el filamento; y este ciclo mecanoenzimático se repite luego, comenzando esta vez en el otro sitio de crecimiento del subfilamento. ^{[ cita requerida ]}

Cuando funcionan con el beneficio de la hidrólisis de ATP, los motores de CA generan fuerzas por filamento de 8 a 9 pN, lo que es mucho mayor que el límite por filamento de 1 a 2 pN para motores que funcionan sin hidrólisis de ATP. ^{[15] [17] [18]} El término actoclampina es genérico y se aplica a todos los motores moleculares de seguimiento de extremos de filamentos de actina, independientemente de si son impulsados ​​activamente por un mecanismo activado por ATP o pasivamente.

Algunas actuclampinas (por ejemplo, las que involucran a las proteínas Ena/VASP, WASP y N-WASP) aparentemente requieren la iniciación del filamento mediada por Arp2/3 para formar el núcleo de polimerización de actina que luego se "carga" en el rastreador final antes de que pueda comenzar la motilidad procesiva. Para generar un nuevo filamento, Arp2/3 requiere un filamento "madre", ATP-actina monomérica y un dominio activador de Listeria ActA o la región VCA de N-WASP. El complejo Arp2/3 se une al costado del filamento madre, formando una rama en forma de Y que tiene un ángulo de 70 grados con respecto al eje longitudinal del filamento madre. Luego, tras la activación por ActA o VCA, se cree que el complejo Arp experimenta un cambio conformacional importante, acercando sus dos subunidades proteicas relacionadas con la actina lo suficiente entre sí para generar una nueva puerta de filamento. Si la hidrólisis de ATP puede ser necesaria para la nucleación y/o la liberación de la rama Y es un tema que se encuentra bajo investigación activa.

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Scholia tiene un perfil para el filamento de actina (Q329638).

• Microfilamentos en los encabezados de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.
• Microfilamentos+proteínas en los encabezados de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.
• "Microfilamento" en el Diccionario médico de Dorland