T14. Microfilaments (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Ciencias Biomédicas - 1º curso
Asignatura Biología Celular
Año del apunte 2016
Páginas 9
Fecha de subida 31/08/2017
Descargas 0
Subido por

Descripción

Característiques dels microfilaments d'actina i la polimerització de l'actina tant in vivo com in vitro. També s'expliquen les proteïnes d'unió a l'actina i els inhibidors de la polimerització i la despolarització. Característiques de la miosina, la contracció muscular i la locomoció cel·lular.

Vista previa del texto

BIOLOGIA CEL·LULAR Queralt Gonzàlez TEMA 14: Microfilaments 1. INTRODUCCIÓ AL CITOESQUELET El citoesquelet està present en totes les cèl·lules eucariotes, tant microfilaments, com microtúbuls.
Els filaments intermedis però no estan en tots els eucariotes, nomes en els pluricel·lulars. Els procariotes tenen proteïnes similars a l’actina (Mreb) i tubulina (Fts Z) que formen filaments morfològicament totalment diferents, són seudoproteïnes.
Característiques comunes: Les proteïnes que els formen són conservades, és a dir, que entre diferents espècies són molt semblants. Fan polímers de forma lineal, sense ramificacions. La unió dels monòmers per formar els polímers lineals no són covalents, són enllaços febles, i això és imprescindible perquè han de ser molt dinàmics, han de poder fer-se i desfer-se quan sigui necessari. Poden tenir proteïnes accessòries, que els permeten formar xarxes o altres estructures que els permetin realitzar les diferents funcions.
Funcions: Donar forma i suport a la cèl·lula, permetre la locomoció, distribució i transport de vesícules i orgànuls, permetre la segregació cromosòmica i la citocinesi i la contracció muscular.
Tipus:    Microfilaments d’actina: Són els filaments més prims, l’actina forma microfilaments d’actina d’uns 5-9 nm. Es troben sota la membrana plasmàtica, en el còrtex.
Microtúbuls: Fan uns 25nm de diàmetre, són molt més gruixuts, tenen una distribució més aviat radial, es situen en un punt central i s’expandeixen cap a la perifèria.
Filaments intermedis: Es poden trobar en el citosol, i són els únics que podrem trobar dins del nucli.
Microfilaments d’actina Microtúbuls Filaments intermedis 2. ESTRUCTURA, COMPOSICIÓ I FUNCIONS DELS MICROFILAMENTS D’ACTINA En cèl·lules animals, la seva forma depèn únicament d’aquests filaments. La actina participa en alguns tipus d’unions intracel·lulars (bandes d’adhesió, contactes focals). És la responsable de la contracció de les cèl·lules musculars. Participen en el transport de vesícules i en la citocinesi (fragmentació del citosol) que forma un anell que separa les cèl·lules filles. Realitza moltes de les prolongacions de la cèl·lula: 1 BIOLOGIA CEL·LULAR    Queralt Gonzàlez Lamelipodis, filipodis (locomoció) Microvellositats (augment de superfície Pseudòpodes (fagocitosi, locomoció) L’actina és una ATPasa, agafa ATP i l’hidrolitza. Un extrem del filament és diferent de l’altre, té polaritat i cada extrem té un nom: l’extrem positiu i el negatiu. Però això no vol dir que tingui càrrega.
L’ATP s’uneix a l’actina en el lloc d’unió ATP.
L’actina G fa protofilaments que s’aparellen de ds en dos formant una hèlix, que faran els microfilaments d’actina (actina F). Representen el 5-20% de les proteïnes dels eucariotes, i tenen diferents isoformes: α, β, ɣ... (6 gens en mamífers). L’actina F forma filaments flexibles, que s’organitzaran en xarxes i feixos.
3. TIPUS DE MICROFILAMENTS   Microfilaments estables: Es troben a les cèl·lules musculars formant sarcòmers (unitat estructural de les cèl·lules musculars). Facilita la contracció. També en trobem a les microvellositats (superfície) i a les bandes d’adhesió. Formen estructures que no es desmunten. Les estructures de microfilaments si que es van renovant però es substitueix un polimeritzat per un altre.
Microfilaments no estables: Polimeritzen i despolimeritzen constantment i es troben a la perifèria a les cèl·lules. La polimerització puntual es dóna per formar anells contràctils en la divisió cel·lular, lamelipodis (moviment), pseudòpodes (fagocitosi) ...
4. POLIMERITZACIÓ DE L’ACTINA 4.1. Polimerització de l’actina in vitro Per tal que es doni la polimerització, són necessaris l’ATP i alguns ions com el Na +, Ca2+, Mg2+, K+.
L’actina pot estar en tres conformacions diferents. Una d’elles és quan no porta unit ni ATP ni ADP, en aquesta conformació té molta afinitat per l’ATP i s’hi uneix, d’aquesta manera adopta una segona conformació i pot polimeritzar. Per tal que despolimeritzi, l’actina ha d’hidrolitzar aquest ATP que porta unit i alliberar un Pi. Quan això passa, l’actina queda unida a ADP, però en aquesta tercera conformació té poca afinitat i allibera l’ADP, tornant a la conformació inicial.
La polimerització de l’actina es dóna en tres fases: 1) Fase de nucleació (lenta): L’actina es troba en el medi en subunitats. En aquesta fase es comencen a formar dímers i trímers estables, que esdevenen els centres de nucleació del que acabaran sent filaments d’actina.
2 BIOLOGIA CEL·LULAR Queralt Gonzàlez 2) Fase de creixement (ràpida): Es dóna l’addició de l’actina(G)ATP als dos extrems dels centres de nucleació. Hi ha més polimerització que despolimerització.
3) Fase d’equilibri dinàmic: Hi ha una reducció de la concentració d’actina(G) al medi i la velocitat de polimerització disminueix i equival a la de despolimerització, per tant, es dóna un equilibri en què la mida del filament d’actina es manté constant. Hi ha una concentració crítica (≈0,1 mM).
La velocitat de polimerització depèn de la concentració d’actina(G) que hi hagi al medi, mentre que la velocitat de despolimerització sempre es manté constant.
   [actina(G)] < Cc: DESPOLIMERITZACIÓ [actina(G)] = Cc: EQUILIBRI DINÀMIC [actina(G)] > Cc: POLIMERITZACIÓ El filament d’actina té una polaritat estructural, la velocitat de polimerització del Pol+ és 5-10 vegades superior a la del Pol-. Això és degut a que en el Pol- la velocitat de la hidròlisi de l’ATP és molt més alta que la velocitat d’incorporació d’actina(G). En canvi en el Pol+ la velocitat d’incorporació d’actina(G) és molt més alta que la velocitat d’hidròlisi de l’ATP. És en aquest extrem on es forma el casquet d’ATP que creix més ràpid. Llavors podem dir que Cc- > Cc+.
   [actina(G)] < Cc+: ESCURÇAMENT (hi ha despolimerització en els 2 pols) [actina(G)] > Cc-: ALLARGAMENT (hi ha polimerització als 2 pols) Cc+ < [actina(G)] < Cc-: Equilibri dinàmic: INTERCANVI ROTATORI (hi ha polimerització en el Pol+ i despolimerització en el Pol-).
L’intercanvi rotatori vol dir que hi ha un flux net de subunitats. Hi ha una addició neta d’actines(G)ATP en el Pol+ i una pèrdua neta d’actines(G)-ADP en el Pol-, l’actina es va renovant i el filament es desplaça.
4.2. Polimerització de l’actina in vivo: Proteïnes d’unió a l’actina Les cèl·lules tenen al citosol molta actina. La polimerització i la despolimerització ha de ser regulada, però no pot estar controlada per la [actina(G)]. Hi ha proteïnes que s’encarreguen de regular la polimerització (com les segrestadores o les nucleadores, ...) i que a part fan altres funcions com regular la longitud dels microfilaments (estabilitzadores, fragmentadores...), organitzar l’actina en xarxes o feixos o la unió a altres estructures (membranes).
Proteïnes de nucleació: La nucleació no s’ha de deixar a l’atzar. Les proteïnes regulen que es comencin a polimeritzar els filaments quan es necessiten 3 BIOLOGIA CEL·LULAR   Queralt Gonzàlez Complex ARP (Actin Related Proteins): És molt semblant a l’actina i fa que s’hi uneixi més actina. S’uneixen a centres de nucleació en filaments ja existents amb un angle de 70º, es formen xarxes (ex: lamelipodis). Fa de Pol.
A part de nuclear, estabilitza el pol- i fa que no es perdi actina.
Formina: És un dímer que és capaç d’unir una actina globular lliure i la col·loca al pol+ del filament. Es queda enganxada al pol+, l’estabilitza ja que fa que no s’hi uneixin proteïnes encaputxadores, però el pol- no queda estabilitzat. Per tant, diem que nucleen nous filaments i augmenten l’afinitat actina(G)-ATP al pol+.
Proteïnes d’unió als monòmers d’actina:   Timosina: Segresta actina(G)-ATP lliure. Agafa l’actina lliure del citosol i impedeix que s’uneixi als filaments, tingui o no ATP. Es necessita un senyal per a que s’uneixi.
Profilina: Reverteix l’efecte de la timosina. Li pren l’actina a la timosina i fa que es pugui unir als filaments. Es troba a la membrana plasmàtica a les fosfoinositides.
Proteïnes fragmentadores de microfilaments:   Cofilina (o factor de despolimerització de l’actina): No talla els microfilaments, però els desestabilitza. S’uneix al pol- dels filaments que s’han de despolimeritzar. Es perden subunitats d’actina pel pol-. Les actines es queden unides a la cofilina. És segrestadora, per poder-la alliberar necessitem la profilina.
Gelsolina: depèn del Ca2+, talla els microfilaments i es queda unida a un fragment per pol+.
Els fragments curts despolimeritzen pel pol-. Es creen nous fragments.
Proteïnes estabilitzadores de microfilaments:   Proteïnes encaputxadores: Es troben tant al pol+ com el pol-. Normalment als dos pols. Tenim dos tipus de proteïnes encaputxadores: Cap Z (pol+) i la tropomodulina (pol-).
Proteïnes de recobriment: La tropomiosina és un dímer molt estable i recobreix en forma d’hèlix els filaments polimeritzats.
Proteïnes d’unió a la membrana plasmàtica:      Proteïnes família ERM (Ezrin, Radixin, Moesin): Connecten els filaments a la membrana plasmàtica. Es troben al còrtex cel·lular. A l’extrem N-ter ancoren la membrana i a l’extrem Cter s’uneixen amb l’actina.
Miosina I: És una proteïna motora. Ancora els filaments i permet el seu moviment. Per un extrem s’uneix a la membrana, i per l’altre als filaments.
Espectrina: Es troba en el còrtex dels eritròcits i s’encarrega d’estabilitzar la forma de la membrana.
Fodrina: Es troba a totes les cèl·lules menys eritròcits Distrofina: Es troba al còrtex de les cèl·lules musculars. Si els sarcòmers no estan estabilitzats i hi ha problemes de contracció muscular.
4 BIOLOGIA CEL·LULAR Queralt Gonzàlez o Distròfia muscular de Duchenne (cr. X): Hi ha menys estabilització en la contracció.
Això provoca debilitat muscular i degeneració del múscul esquelètic (3-5 anys). La mort és provocada per aturada respiratòria (a l’adolescència).
Proteïnes d’entrecreuament: Es formen xarxes o feixos de diferent mida i flexibilitat, i es donen dos llocs d’unió per l’actina.
   Filamina: Permet entrecreuar els filaments, superposar-los. És un dímer amb 2 punts d’unió a l’actina i flexible.
α-actinina: Fa feixos amb microfilaments orientats antiparal·lelament. Per tant, els filaments d’actina tindran polaritat oposada. És més gran, la distància entre els filaments és simple. La miosina II es pot posar entre mig dels filaments i permet la contracció i que els filaments llisquin. Es troba en bandes d’adhesió, els anells contràctils de la citocines i les fibres d’estrès (contactes focals).
Fimbrina: Fa feixos amb filaments orientats paral·lelament, per tant tindran la mateixa polaritat. És més petita. Els microfilaments queden molt compactes. La trobem en les microvellositat i els filipodis.
4.3. Inhibidors de la polimerització i despolimerització de l’actina Les toxines naturals bloquegen funcions cel·lulars bàsiques com el moviment, la fagocitosi, la divisió o els mecanismes de defensa. Alguns exemples de toxines naturals són:    Citocalasines: (fongs) s’uneix al pol positiu i inhibeix la polimerització de l’actina (augmenta la despolimerització del pol negatiu).
Latrunculina: (esponges) s’uneixen a l’actina (G) i també s’inhibeix la polimerització i augmenta la despolimerització.
Fal·loïdines: (amanita phaloides) són un mecanisme d’inhibició de la polimerització, equivalent a la miosina. Quan s’ingereix, les cèl·lules incorporen la toxina i es deixa de polimeritzar l’actina, aquests individus es moren, i les primeres cèl·lules afectades són les de l’intestí i fetge.
5. PROTEÏNES MOTORES DE L’ACTINA I MOVIMENTS CEL·LULRAS 5.1. Proteïnes motores Transformen l’energia química (ATP) en energia mecànica. Per tant, són ATPases. Les miosines sempre es dirigeixen cap al pol positiu menys la miosina VI que es dirigeix cap al negatiu. Estructura comú:  1 o 2 cadenes pesades que tenen: o Cap: extrem N-terminal, és la part motora de la miosina i s’enganxa al microfilament.
5 BIOLOGIA CEL·LULAR  Queralt Gonzàlez o Cua: extrem C-terminal, determina quina càrrega porta la miosina, les molècules o orgànuls que arrossegarà.
Cadenes lleugeres: regulen l’activat.
Miosina I: (minimiosina) Només té una cadena plegada, i diverses cadenes lleugeres que son calmodulines. La cadena plegada te un extrem N-ter que és el motor, i la cua que pot portar altres microfilaments o membranes. Si parlem d’altres microfilaments: llisquen. Si s’arrossega una membrana: si pertany a un orgànul, es desplaçarà cap al pol positiu, si està enganxada a la membrana plasmàtica el microfilament lliscarà paral·lelament a la mb.
Miosina II: És bastant més gran, té dues cadenes plegades, que cada una porta una cadena lleugera.
La càrrega sempre són altres miosines que s’enganxen per la cua. Forma filaments bipolars que poden ser gruixuts o prims.
  Cèl·lules musculars (35% proteïnes): Feixos gruixuts formats per unes 300 miosines, formen estructures estables en la interacció amb altres microfilaments.
Cèl·lules no musculars (1% proteïnes): Feixos prims formats per 15-20 miosines que fan lliscar els microfilaments cap al pol positiu. La interacció pot ser estable (bandes d’adhesió) o transitòria (anell contràctil, fibres d’estrès).
5.2. Contracció muscular Cada fibra muscular, cada cèl·lula muscular és allargada i tenen molts nuclis (moltes cèl·lules musculars es fusionen en l’origen).
El seu citoplasma, pràcticament tot ell, està ple de citoesquelet i molts mitocondris. El citoesquelet està organitzat en forma de miofibril·les. La miofibril·la és un continu de filaments superposats d’actina i miosina formant les estructures que s’anomenen sarcòmers, que son la unitat contràctil de les miofibril·les. La superposició de l’actina i la miosina li donen una aparença estriada, bandes clares i fosques. Les bandes clares són 6 BIOLOGIA CEL·LULAR Queralt Gonzàlez només filaments d’actina, les bandes fosques contenen tant actina com miosina. Els microfilaments d’actina sempre tenen l’extrem positiu a l’extrem del sarcòmer). Zona H banda clara, Banda A bandes fosques.
Proteïnes associades al sarcòmer: Es necessiten proteïnes que ho enllacin tot. La proteïna Cap Z ancora els pols positius dels extrems dels sarcòmers. Dins els pols negatius hi ha la tropomodulina.
L’actina es troba estable, ni es polimeritza ni es despolimeritza, entre mig de la miosina, i estan ancorades al disc Z pel Cap Z i la titina que fa funció de molla i ancora els filaments gruixuts de miosina als discs Z. Les miosines no es mouen, l’actina llisca cap als extrems en la contracció del múscul. Els discs Z s’apropen, quan aquests s’apropen la banda A no canvia de mida, la banda I canvia, i es fa més petita.
El moviment d’actina sobre la miosina te 4 fases:     UNIÓ: També anomenada fase de Rigor (fenomen Rigor Mortis). És molt curta, la miosina II està unida a una molècula d’actina. Aquesta fase dura molt poc sempre que hi hagi ATP.
ALLIBERAMENT: Quan la miosina s’uneix a l’ATP (hi té gran afinitat) s’allibera la unió amb l’actina. Quan no queda ATP les miosines no es poden desenganxar, per això els cadàvers queden durs.
MOVIMENT: L’ATP unit s’hidrolitza, i l’actina es mou 5nm cap al pol negatiu i el cap de la miosina cap el positiu.
COP DE FORÇA: Quan el fosfat s’allibera de la miosina, aquesta s’enganxa més fortament a l’actina. I aquí tornaria a començar tot el procés.
Tot aquest procés està regulat pel Ca2+. Depenent de si són cèl·lules de múscul esquelètic o si són cèl·lules del múscul llis i cèl·lules no muscular, tindran un mecanisme o un altre. En els dos casos el mecanisme ha de ser molt ràpid, instantani, i és molt més fàcil i ràpid el del múscul esquelètic.
Múscul esquelètic: En els sarcòmers tots els microfilaments d’actina estan estabilitzats, però al llarg del filament estan estabilitzats per la tropomiosina, i tapa el lloc on succeeix el cop de força (unió miosina-actina). El complex troponina (té 3 subunitats) regula la posició de la tropomiosina. Quan arriba Ca2+, aquest s’uneix a la troponina C (una subunitat) que es desplaça i estira també la tropomiosina, que al desplaçar-se deixa lliure el lloc d’unió amb la miosina, i ara la miosina ja es pot unir amb l’actina.
7 BIOLOGIA CEL·LULAR Queralt Gonzàlez Múscul llis o cèl·lules no musculars: La contracció depèn de que les cadenes lleugeres es fosfori-li’n i per tant ha d’intervenir una proteïna quinasa: MLCK. Quan la quinasa s’activa fosfori-la les cadenes.
L’actuació de la quinasa depèn de que s’hi uneixi una calmodulina. La calmodulina s’uneix al Ca2+ i d’aquesta manera pot unir-se a la quinasa, que l’activa i s’uneix a les cadenes de la miosina i les activa.
Requereix més passos.
5.3. Locomoció cel·lular Hi ha mes d’un tipus. Només en organismes pluricel·lulars adults, ja que els unicel·lulars es mouen per propis mecanismes, per exemple: leucòcits, osteoclasts, fibroblasts i algunes cèl·lules epitelials (queratinòcits). Però siguin del tipus que siguin sempre són unidireccionals, és a dir, que ha d’haver un senyal químic que permeti el moviment. Si el senyal químic canvia de lloc el moviment també (senyal química: factors creixement, ...). Qualsevol dels estímuls provoquen canvis en la concentració de calci que provocarà el moviment dels microfilaments.
DESPLAÇAMENT DE FIBROBLASTS: És un mecanisme lent, el seu moviment depèn de que ells emetin, projectin, lamelipodis, fil·lopodis i micropúes. La diferència entre els fil·lopodis i les micropúes és la mida. La membrana es projecta endavant cap al senyal químic gràcies a que l’actina es polimeritza i viatja cap al pol positiu.
Les fases són:     Protusió, extensió lamelipodi: Necessitem alliberar actina que està segrestada per la miosina gràcies a la profilina. El complex ARP, la formina (dímer que mesura l’actina lliure i la va col·locant al pol positiu dels microfilaments) i la filamina permeten superposar actines en diferents direccions. La miosina I s’uneix a la membrana i permet que aquesta vagi lliscant i fa que els filaments d’actina llisquin. Si anem empenyent la membrana ens la carregarem, per tant es necessita un increment de lípids. La miosina I porta vesícules amb lípids i les va fent fusionar amb la membrana (secreció constitutiva).
Adhesió al substrat dels lamelipodis: A mesura que la cèl·lula es va estenent, arriba a un punt en què s’ha de fixar amb el substrat. Les integrines s’enganxen a la matriu extracel·lular (contactes focals), i es formen fibres d’estrès (α-actinina, miosina II).
Tracció del cos cel·lular: La miosina II reduirà la tensió de les fibres d’estrès (tensió al còrtex). Hi ha contracció del citoesquelet d’actina.
Desadhesió: S’ha d’alliberar la part del darrere (tracció), i com que està unida amb integrines, les cèl·lules es van trencant, i perden trossos de la membrana (trencament contactes focals posteriors).
8 BIOLOGIA CEL·LULAR Queralt Gonzàlez MOVIMENT AMEBOIDE (leucòcits, amebes) És un mecanisme ràpid i vigorós que es dóna gràcies a l’extensió de lamelipodis (una xarxa en 3D) i de pseudopis (xarxa 3D). Es generen corrents citoplasmàtiques.
El citosol central s’anomena endoplasma i té una consistència fluïda, mentre que el citosol perifèric (el del còrtex) s’anomena ectoplasma i té una consistència més gelatinosa, degut a l’augment de la viscositat i la densitat dels microfilaments. Aquests canvis en la viscositat es produeixen per: 5.4. Canvis en la forma cel·lular Aquests canvis per exemple, es poden donar en l’activació de plaquetes durant el procés de coagulació.
Les plaquetes participen en la coagulació. Són fragments de cèl·lules que tenen molta actina i microfilaments encaputxats que no poden ni polimeritzar ni despolimeritzar.
Quan es produeix una ferida, entra Ca2+ a les plaquetes i s’activa la gelsolina, que s’enganxa als filaments i els parteix, es fan bocins molt petits de filaments d’actina.
Passat un temps la gelsolina i la Cap Z s’inactiven i els filaments d’actina passen a tenir molts pols positius i es comencen a polimeritzar, estenent la plaqueta.
Per reestabilitzar la plaqueta es necessita l’activació de la Cap Z i l’ajuda de la miosina II que estira els microfilaments per tal que la plaqueta es vagi tancant.
5.5. Transport de vesícules A la cua de les miosines s’hi poden unir les membranes de les vesícules, i d’aquesta manera transportar-les. Aquest transport passarà sobretot en el còrtex. Les vesícules seran transportades segons els microfilaments q es trobin en el camí.
Les endocitosis les fa la Miosina VI, ja que va del pol+ al pol- (canvi de direcció de transport). En canvi les exocitosis les faran la Miosina I o la Miosina V.
9 ...

Tags:
Comprar Previsualizar