Los filamentos de actina PDF

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SP 3. FILAMENTOS DE ACTINA (FA) -También denominados microfilamentos. -Composición:  Polímeros helicoidales de 5-10nm de Ø formados por monómeros de actina.  Estructuras polarizadas: Extremo de crecimiento lento (-) [predomina la despolimerización] Extremo de crecimiento rápido (+) [predomina la polimerización].  Actina globular = Actina G  Actina fibrilar = Actina F -Localización:  Cerca de la membrana plasmática (córtex celular) y dispersos por toda la célula. -Ensamblados y desensamblado de los microfilamentos:  Los FA se forman por polimerización de actina formando una doble hélice = 2 protofilamentos enrollados.  El ensamblado y desensamblado están controlados por la hidrólisis de ATP.  Los FA se organizan en haces y retículos. -Funciones:  Determinan la forma de la superficie celular  Esenciales para la contracción muscular.  Locomoción (filopodios, lamelopodios).  Esenciales en la citocinesis de células animales.  Formación de microvilli y otras estructuras.

La actina -Subunidad proteica  su ensamblaje se forma los FA (grandes estructuras). -Capacidad de rápida organización del citoesqueleto en respuesta a una señal externa (despolimerización, y polimerización/organización de los microfilamentos).

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SP -Estructura: -Es una proteína globular que se encuentra en todas las células eucariotas. -Proteína citosólica más abundante en células eucariotas (10% del total). -Codificada por 6 genes (ser humano). -Proteína muy conservada en eucariotas (90% de homología en la secuencia de aa). -En una célula pueden existir distintas isoformas de actina. Vertebrados  Isoformas α (específica del músculo), β y γ (actinas no musculares). Papel de los FA en diferentes tipos celulares 1. Células que se desplazan  lamelopodios y filopodios (haces paralelos muy juntos). 2. Células adheridas al sustrato  fibras de estrés (haz contráctil). 3. Células que se mueven rápidamente  córtex celular (red semejante a un gel).

3.1. ETAPAS DE LA POLIMERIZACIÓN DE LA ACTINA -Nucleación  Elongación  Estado estacionario (fase de equilibrio). -Nucleación: formación de un trímero que da lugar a un centro de nucleación que proporciona mayor estabilidad y facilita la polimerización de la actina G.

Velocidad de crecimiento del extremo (+) y del extremo (-) del FA Las distintas velocidades de crecimiento de los dos extremos del FA son debida a ≠ valores de la Cc en ambos extremos  Cc+ = 0,1μM // Cc- = 0,6μM Si [G-actina] < Cc+  despolimeriza en + Si [G-actina] entre Cc+ y Cc-  polimeriza en + y despolimeriza en Si [G-actina] > Cc-  polimeriza en -

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SP Recambio rotatorio (Treadmilling):

-Proceso por el cual hay una continua adición de actina-G en el extremo (+) y un desensamblado en el extremo (-), de forma que la longitud del FA es constante, pero los monómeros de actina se mueven a través del FA.

Drogas específicas que actúan sobre la actina •

Faloidina  se une a los FA, los estabiliza y evita su disociación (hongo Amanita phalloide).

•

Citocalasina  recubre los extremos (+) de los FA inhibiendo su elongación.

•

Latrunculina  se une a las subunidades de actina impidiendo su polimerización.

3.2. LAS PROTEÍNAS DE UNIÓN A LA ACTINA (ABP)

-Regulación de la organización de los FA. -Modifican la dinámica y la estructura de los FA: Control de la polimerización, nucleación y capping (recubrimiento). Permiten la asociación de los FA en la membrana plasmática. Organización de los FA: haces y redes.

-A través de las ABP la célula controla: la longitud, la estabilidad de los filamentos, su número y su forma.

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SP Proteínas que intervienen en la nucleación de FA (ARP)

-Los FA se nuclean frecuentemente cerca de la membrana plasmática y forman el córtex celular. -Nucleación  catalizada por el complejo ARP (complejo ARP 2/3) = proteínas ARP2 y ARP3 (Actin-Related-Protein).

-El complejo Arp 2/3:  Nuclea la formación y el crecimiento de los FA a partir del extremo (-), permitiendo un alargamiento rápido por el extremo (+).  Permite formar ramificaciones de FA  ramificaciones repetidas forman redes de actina.  Se localiza en regiones de rápido crecimiento de los FA (ej. lamelipodios).

Proteínas secuestradoras de monómeros de actina (Timosina y profilina)

-Células no musculares de vertebrados  50% de actina-F y 50% de actina-G. In vivo [actina-G] = 50-200μm y Cc = 1μm.  La actina soluble (actina-G) no polimeriza por la existencia de proteínas que se unen a esta impidiendo su polimerización  timosina.

-Profilina  moviliza las subunidades de actina libre hacia el extremo en crecimiento de los FA.  El heterodímero profilina-actina solo se une al extremo (+).  Se localiza cerca de la membrana plasmática y en lugares donde es necesario un rápido ensamblaje de FA. 33

SP -La profilina compite con la timosina por su unión a los monómeros de actina.

Proteínas fragmentadoras de los FA (gelsolina y colifilina)

-Gelsolina: induce la fragmentación de los FA y producen nuevos extremos de polimerización.  Posee dos dominios de unión a la actina.  Su actividad fragmentadora se activa por el aumento de la [Ca+2] citosólico.  Después de la rotura = la gelsolina permanece unida al extremo (+) y actúa como una proteína de recubrimiento que impide la polimerización o despolimerización.

-La fragmentación aumentará la dinámica de los FA: en una población fragmentada los FA crecen y se acortan más rápidamente.

-Colifilina  o factor despolimerizante de la actina: desestabiliza los FA.  Se puede unir a la actina-F o a la actina-G.  Debilita las uniones entre las subunidades de actina favoreciendo la rotura del filamento.  Se une preferentemente a los FA que contiene ADP favoreciendo así la despolimerización de los FA más antiguos (Actina-F-ADP).

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SP Proteínas de recubrimiento (CapZ y tropomodulina)

-CapZ  proteína de recubrimiento que cubre los extremos (+) de los FA.  Este recubrimiento disminuye tanto la velocidad de crecimiento como de despolimerización.  Al inactivar el extremo (+) = estabilizan al filamento de actina. [Solo crece en el extremo (-) / sin recubrimiento = crecimiento por ambos extremos]

-Tropomodulina  recubre los extremos (-) de los FA -El recubrimiento contiguo de estas proteínas impide la disociación de monómeros de actina durante la contracción muscular = los FA son estables. - Necesarios en sitios donde la organización del citoesqueleto es invariable (ej. sarcómeros del músculo  FA de vida media alta al estar recubiertos). Proteínas de entrecruzamiento Ayudan a forma haces o redes:

-Proteínas que forman haces  entrecruzan los FA en disposiciones paralelas. Fimbrina  Monómero de 68 kDa que posee 2 regiones de unión a la actina.  Responsable de la estrecha asociación entre los FA (14nm).  En grandes cuantidades en los haces de actina de los filopodios.  El empaquetamiento apretado excluye a la miosina = los filopodios no son contráctiles. α-actinina  Homodímero de 102 kDa con 2 lugares de unión a la actina (ancho = 30nm).  Forma haces contráctiles y se encuentran en grandes cantidades en las fibras de estrés.  Haces de actina empaquetadas más laxamente = permiten a la miosina II participar en el ensamblaje. Villina  2 lugares de unión a FA = empaqueta de 20 a 30 FA muy estrechamente.  Se concentra en la membrana apical de células epiteliales formando los microvillis (ej. enterocitos).  Microvillis extensiones de la membrana apical de los enterocitos que aumenta hasta 20 veces la superficie de absorción. [Uniones para formarlo = villina (entre FA) y miosina I (entre FA y m. plasm.)] 35

SP -Proteínas que forman redes o retículos  mantienen unidas a los Fa dando lugar a redes laxas. Proteínas grandes y flexibles. Filamina  Proteína dimérica con 2 lugares de unión a los FA que permite formar un ángulo grande y flexible entre dos FA adyacentes.  Facilita la formación de geles laxos y muy fuertes mecánicamente.  Las redes formadas por filamina son necesarias para que las células se extiendan = lamelipodios (migración).  Redes actina-filamina  permiten que las plaquetas cambien de conformación durante la coagulación sanguínea. Espectrina  córtex celular eritrocito  Heterodímero formado por dos subunidades = α (240kDa) y β (220kDa).  Forman tetrámeros con 2 lugares de unión a la actina.  4-6 tetrámeros de espectrina se unen a FA cortos y a otras proteínas del citoesqueleto.  Forma una red deformable que se extiende y se concentra en la m. plasmática de los eritrocitos = formación del córtex celular o citoesqueleto cortical eritrocitario.  Permite resistir a los eritrocitos el estrés que sufre su membrana al pasar por los capilares (25% del total las proteínas del eritrocito + determina su forma bicóncava). [Anemia (si hay anomalía genética en el gen].

3.3. PROTUSIONES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA

-Los FA forman: Protuberancias permanentes  microvilli. Protuberancias transitorias  filopodios, lamelipodios dependiendo del tipo celular (fagocitosis y locomoción).

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y pseudópodos

SP

Contactos focales y fibras de estrés

-Las fibras de estrés son haces contráctiles de FA que anclan la célula al sustrato y ejercen tensión sobre este.

-Se insertan en la membrana plasmática mediante unas uniones especiales llamadas contactos focales: Lugar donde la cara externa celular está íntimamente unida a la matriz extracelular. Tipo de adhesión muy especializado entre los FA y la matriz extracelular que permite a la célula extenderse sobre el sustrato al cual está unida.

Lamelipodios

-En células epiteliales, fibroblastos y algunos tipos neuronales. -Estructuras laminares bidimensionales que forman una red de FA entrecruzados. -Función: migración celular

Filopodios

-Estructuras unidireccionales con un núcleo de largos haces de FA. -Funciones: migración celular, cicatrización heridas, adhesión a la matriz extraceular.

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SP Pseudópodos

-Pequeñas proyecciones tridimensionales formadas por FA -Amebas y células fagocíticas (macrófagos y neutrófilos). 3.4. MIGRACIÓN O MOVIMIENTO CELULAR Pasos de migración celular: 1. Extensión de un lamelipodio de la m. plasmática: las estructuras ricas en actina son empujadas hacia el frente celular. 2. Adhesión al sustrato: el citoesqueleto de actina conecta la m.plasmática con el sustrato (contactos focales): - Impide la retracción del borde director - Ancla la célula al sustrato 3. Flujo del citosol hacia adelante 4. Retracción del cuerpo celular: la mayor parte del citoplasma es dirigido hacia delante.

-Muchas células animales se desplazan “arrastrándose” sobre la superficie. El movimiento de arrastre (“gateo celular" o cell crawling): • • • • •

Durante la embriogénesis: migración de las células embrionarias durante el desarrollo (ej: construcción del sistema nervioso). Invasión de tejidos por macrógafos y neutrófilos para combatir infecciones  se dirigen hacia los lugares de infección y engullen los organismos invasores. Fibroblastos y plaquetas  migración de células implicadas en la cicatrización y reconstrucción de estructuras dañadas. Células del epitelio intestinal  viajan hacia las capas superiores para remplazar a las que han sido eliminadas. Propagación de las células cancerosas durante la metástasis.

Bacteria “Listeria”

-Algunas bacterias utilizan el citoesqueleto de actina de la célula huésped para desplazarse dentro del citoplasma e infectar otras células. Listeria monocytogenes  provoca meningitis en neonatos, ancianos e inmunodeprimidos. Shigella flexneri  ocasiona diarrea en humanos. 38

SP Organización del citoesqueleto de actina coordinada por vías de transducción de señales

-La migración celular está coordinada por señales externas y vías de transducción de señales: • •

Las señales externas activan las vías de transducción ligadas a la familia RhoGTPasas. La familia Rho-GTPasas activa la polimerización de la actina en la membrana (proceso inicial) y la formación de distintas protusiones (resultado).

-Señales externas  factores de crecimiento / adhesión celular a la matriz extracelular. -Activación:  Rho  fibras de estrés (miosina II)  Rac  lamelipodio (Arp2/3 + colifilina).  Cdc42  filopodios.

3.5. PROTEÍNAS MOTORAS (MIOSINAS)

-Proteínas motoras que utilizan la energía liberada por la hidrólisis del ATP para desplazarse unidireccionalmente a lo largo de los FA.

-Se unen y se mueven a lo largo de los filamentos de actina:  Llevando una carga que se desplaza.  Produciendo una contracción. Estructura: • Cabeza o región globular (cadena pesada)  unión a la actina y ATP. • Cuello  cadenas ligeras de regulación. • Cabeza  unión a la actina y ATP. -La mayoría de miosinas se desplazan hacia el extremo (+). -Todas las isoformas se unen con FA a través de sus dominios motores  las funciones celulares son distintas según la cola. -La actividad ATPasa de la miosina es activada por la actina. -Forman dímeros, con dos dominios motores por molécula. -Miosina I, IX y la XIV  monómeros con 1 solo dominio motor. -Miosina II  puede formar filamentos. -Miosina I y V  se unen a membranas lo que facilita su función en la adhesión a la m. plasmática o en el transporte intracelular de orgánulos membranosos.

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SP Haces contráctiles de actina + miosina (células no musculares) 1. Anillo contráctil (citocinesis). 2. Fibras de estrés. 3. Cinturones de adhesión  células epiteliales y desarrollo embrionario. CITOCINESIS El citoplasma se divide en dos mediante un anillo contráctil dando lugar a dos células hijas. Anillo contráctil  conjunto dinámico formado por FA + filamentos de miosina II +otras proteínas. Miosina II + FA: Miosina II = no muscular  forma filamentos bipolares que producen la contracción deslizando los FA en direcciones opuestas.

Ciclos de cambios  unión actina-miosina (estado de rigor) 1. La entrada del ATP debilita la unión actina-miosina y permite el desplazamiento de la miosina por el FA. 2. La hidrólisis del ATP produce el movimiento de la miosina por el FA (1er cambio conformacional) 3. Golpe de potencia: la liberación del fosfato (induce el 2º cambio conformacional de la miosina) y genera el golpe de potencia. 4. El ADP se libera y se reestablece el estado de rigor: Unión actina-miosina. 5. Inicio de otro ciclo

Miosina I: No muscular  cabeza parecida a miosina II y cola más pequeña. No forma dímeros ni filamentos. Transporte de vesículas de membrana y orgánulos a lo largo de los filamentos de actina.

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SP Miosina V: Tiene dos cabezas  movimiento de orgánulos y otros componentes intracelulares (ej. filamentos intermedios) hacia los extremos (+) de los FA. 3.6. CONTRACCIÓN MUSCULAR Músculo esquelético Músculo  formado por fascículos musculares o haces musculares = grupo de fibras musculares. Célula multinucleada en cuyo citoplasma se hallan numerosas miofibrillas. Haces cilíndricos formados por filamentos de miosina (gruesos) y de actina (delgados) [organización: aspecto músculo estriado = esquelético y cardíaco]. Células del músculo esquelético (fibras musculares) son células multinucleadas formadas por la fusión de muchos mioblastos. Sarcómero  es la unidad anatómica y funcional del músculo estriado. Se encuentra limitado por dos líneas Z (zona de anclaje de actina), con una Banda A (miosina + actina) dos bandas I (solo actina) y una zona H (solo miosina). Muy estable:  CapZ y α-actinina: se unen a los extremos (+) de los filamentos de actina y forman el disco Z.  Disco Z: forma un recubrimiento en los filamentos (impidiendo su despolimerización).  Nebulina: determina la longitud de cada filamento de actina.  Tropomodulina: estabiliza los extremos - de los filamentos de actina.

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SP

Túbulos T (transversales) – son extensiones internas de la membrana celular. Retículo sarcoplasmático – estructura tubular que recubre las miofibrillas. Cisternas terminales [aumentan la concentración de calcio] + túbulos longitudinales. Túbulos T + R. sarcoplasmático = penetran por toda la fibra y transmite el potencial de acción.

Regulación la contracción actina-miosina El ↑[Ca2+] es el responsable de la activación de la miosina en el músculo liso y en las células no musculares. A) La contracción del músculo estriado La tropomiosina y la troponina evitan que el músculo esté en un estado de contracción continua. En reposo: la troponina mantiene a la tropomiosina inmovilizada sobre laactina a nivel de los puntos de anclaje para la miosina. Contracción: el Ca2+ se une a la troponina C provocando un cambio conformacional de la troponina, que desplaza a la tropomiosina dejando al descubierto los puntos de anclaje de la actina para la miosina Troponina: complejo de tres polipéptidos: • troponina C (de unión a Ca2+) • troponina I (inhibidora) • troponina T (de unión a la tropomiosina) La contracción del músculo estriado: 1. Se inicia por impulsos nerviosos que estimulan la liberación de Ca2+ desde el retículo sarcoplasmático: 10-7M → 10-5M. 42

SP 2. ↑[Ca2+] desplazan al complejo troponina- tropomiosina permitiendo la unión de las cabezas de miosinas a la actina 3. Contracción B) La contracción en células no musculares músculo liso: Se regula por la fosforilación de la cadena ligera reguladora de la miosina en respuesta a ↑[Ca2+] 1. ↑[Ca2+] citosólico activa la calmodulina 2. La calmodulina acitivada se une y activa la MLCK [quinasa de la cadena ligera de la miosina dependiente de Ca2+ (Myosin Light Chain Kinase)]. 3. La MLCK activada fosforila las cadenas ligeras de la miosina: -Promueve el ensamblaje de la miosina en filamentos. -Aumenta la actividad catalítica de la miosina, permitiendo así la contracción.

3.7. ENFERMEDADES ASOCIADAS A LAS MIOSINAS  Síndrome de Usher: mutación en la miosina VII (no muscular). Enfermedad autosómica recesiva Síntomas: pérdida congénita de audición y ceguera [las células pilosas del oído interno poseen estereocilios, estructuras sensoriales ricas en actina y miosina VII].

 Enfermedad de Griscelli: mutación de la miosina V: albinismo parcial y déficit neurológico. Miosina V: interviene en el transporte de los melanosomas (melanina) en los melanocitos.

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