TEMA 14. MICROFILAMENTS D'ACTINA (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Biología Celular
Año del apunte 2014
Páginas 10
Fecha de subida 02/11/2014
Descargas 87
Subido por

Descripción

Apuntes realizados con el docente Lleonard Barrios.

Vista previa del texto

BIOLOGIA CEL·LULAR Tania Mesa González 1º CURS BIOLOGIA UAB TEMA14: Microfilaments d’actina.
Actina (µF)  proteïna citoesquelètica més important. Es polimeritza en forma de filamets (primes, 7nm i fexibles).
- Dins de la cèl·lula µF, s’organitzen en estructures formant feixos o xarxes tridimensionals amb les propietats d’un gel semisòlid.
- La seva polimerització i despolimerització, les seves unions creuades formants feixos o xarxes i la seva associació amb altres estructures cel·lulars es regulen mitjançant diverses proteïnes d’unió a l’actina, que són components crítics del citosquelet.
- Els µF aporten suport mecànic, determinen la forma cel·lular i permeten el moviment de la superfície cel·lular, permetent així la migració, l’endocitosi i la divisió de la cèl·lula.
Polimerització dels microfilaments  Les molècules d’actina són proteïnes globulars d’uns 375 aminoàcids.
Cada monòmer té llocs d’unió que afavoreixen la interacció entre el cap i la cua amb els monòmers adjacents.
Així, els monòmers d’actina polimeritzen per formar filaments . Cada monòmer es troba girat uns 166º permetent als filaments una aparença d’hèlix de doble cadena . Com que tots els monòmers d’actina estan orientats igual, els µF presenten polaritat que permet diferenciar els extrems, que estableix una direcció única en el moviment de la miosina respecte de l’actina.
 Nucleació  Formació d’un petit agregat constituït per 3 monòmers d’actina. Els filaments d’actina són capaços de créixer per l’addició reversible de monòmers a ambdós extrems, però l’extrem (+) sempre creix més ràpid que l’extrem (-). Els monòmers d’actina s’uneixen a ATP, el qual s’hidrolitza a ADP quan s’acoblen als µF. L’ATP no és necessari, però aporta rapidesa a la unió. La unió d’ATP i la seva hidròlisi a ADP aporten dinamisme al creixement dels µF. Com que la polimerització d’actina és reversible, els µF també poden despolimeritzar per dissociació de les subunitats d’actina, cosa que permet la descomposició dels µF quan és necessari.
 Existeix doncs, un equilibri entre els monòmers i els filaments que depèn de la concentració de monòmers lliures.
 La velocitat a la que els monòmers d’actina s’incorporen al µF proporcional a la és directament concentració de monòmers lliures. Hi ha un moment en què s’arriba al punt de concentració crítica. En BIOLOGIA CEL·LULAR Tania Mesa González 1º CURS BIOLOGIA UAB aquest moment la velocitat de polimerització i de despolimerització del µF és la mateixa.
 El creixement es dóna per l’extrem (+) i l’escurçament per l’extrem(-). Aquesta diferència de velocitats es reflexa en la diferència en la concentració crítica per l’addició en ambdós extrems i dóna lloc a l’intercanvi rotatori.
 Perquè el sistema es trobi en un estat d’equilibri general, la concentració de monòmers d’actina lliures ha de ser intermèdia entre les concentracions crítiques necessàries per la polimerització en ambdós extrems. Per poder definir la concentració de cada extrem hem de bloquejar el pol oposat.
 Els caps de la miosina s’uneixen a l’actina formant estructures en forma de fletxes.
 L’intercanvi rotatori necessita ATP. L’actina-ATP polimeritza per l’extrem (+) mentre l’actina-ADP despolimeritza per l’extrem (-).
Proteïnes associades a microfilaments  Tant la polimerització com la despolimerització dels µF són regulades per proteïnes d’unió a l’actina. Les proteïnes més destacades són:  La cofilina: responsable del ràpid desacoblament dels filaments d’actina. Actua unint-se a als µF i incrementa la velocitat de dissociació dels monòmers d’actina de l’extrem (-). També pot tallar µF generant més extrems i potenciant encara més la despolimerització. S’uneix sobretot als monòmers d’actina-ADP, i un cop desacoblats del µF hi resten units, segrestant la molècula d’actina-ADP i evitant així la seva reincorporació al µF.
 La profilina: reverteix els efectes de la cofilina i afavoreix la incorporació dels monòmers d’actina als µF. Activa i BIOLOGIA CEL·LULAR Tania Mesa González 1º CURS BIOLOGIA UAB accelera l’intercanvi d’ADP fixat per ATP, generant-se monòmers d’actina-ATP que es dissocien de la cofilina i queden així, disponibles per acoblar-se als µF per l’extrem (+).
 Complex Arp2/3: serveix com a llocs de nucleació per iniciar l’acoblament de nous filaments . Això permet que la cofilina, la profilina i el complex Arp2/3 actuïn simultàniament per promoure el reciclatge ràpid dels µF i la remodelació del citosquelet d’actina. Aquesta remodelació és necessària alhora de fer determinats moviments cel·lulars i canvis de forma.
 Timosina: funció similar a la cofilina.
 Formina: s’enllaça a l’extrem (+) i promou la polimerització de feixos paral·lels.
Inhibidors de la polimerització  Hi ha varis fàrmacs que actuen unint l’actina i afectant la seva polimerització. Els dos més destacats són: 1. La citocalasina:s’uneix a l’extrem(+) dels µF i bloqueja la seva elongació, inhibeix la polimerització del µF.
2. La faloidina: s’uneix fortament al µF i evita la dissociació de les molècules d’actina del filament. Bloqueja la despolimerització i estabilitza els µF. Es sol utilitzar junt amb un marcador fluorescent per marcar els µF en microscòpia de fluorescència.
Proteïnes d’entrecreuament  Els filaments d’actina s’acoblen en dos tipus generals d’estructures, que desenvolupen dos papers diferents en la cèl·lula. Per formar aquestes estructures són necessàries proteïnes que s’uneixin als µF i que els facin adoptar aquestes estructures. Totes les proteïnes relacionades amb la formació dels feixos d’actina contenen almenys dos dominis d’unió a l’actina que els permeten fixar i entrecreuar dos filaments d’actina diferents. La naturalesa de l’associació d’aquests filaments és determinada per la mida i la forma de les proteïnes d’entrecreuament . Aquestes proteïnes són bastant semblants pel que fa als dominis d’unió a l’actina, de manera que l’únic que varia és la llargada i flexibilitat d’aquestes, permetent així, un tipus d’unió o un altre. Així doncs, segons l’estructura que ajudin a adoptar:  Feixos paral·lels: s’uneixen per ponts creuats i es disposen en estructures paral·leles estretament agrupades. Les proteïnes que els formen són petites i rígides, de manera que forcen els µF a alinear-se estretament els uns amb els altres. Existeixen dos feixos d’actina diferents que impliquen diferents proteïnes:  Fimbrina: uneix els µF mantenint-los estretament alineats en paral·lel. Sostenen les projeccions de la membrana plasmàtica com microvellositats. Tots els filaments tenen la mateixa polaritat, amb els seus extrems (+) adjacents a la membrana plasmàtica.
Conté dos dominis adjacents d’unió a l’actina.
 α-actinina: uneix els filaments de forma més espaiada i amb capacitat de contracció, a BIOLOGIA CEL·LULAR Tania Mesa González 1º CURS BIOLOGIA UAB mode de l’anell contràctil que divideix la cèl·lula en dos després de la mitosi . L’α-actinina s’uneix a l’actina com un dímer, ja que cadascuna de les subunitats només té un lloc d’unió. Això fa que es trobin més separats. Aquesta major distància permet a la miosina interaccionar amb els filaments en aquests feixos permetent la seva contracció.
 Xarxes: s’uneixen per ponts creuats amb disposició ortogonal i formen malles tridimensionals amb les propietats de gels semisòlids. Les proteïnes que els formen són llargues i flexibles de manera que poden establir ponts d’unió amb filaments perpendiculars.
 Filamina: es fixa a l’actina com un dímer de dues subunitats. El dímer de filamina és una molecula flexible en forma de V amb unió a l’actina a cada braç. Com a resultat, la filamina forma ponts creuats entre filaments d’actina ortogonals, creant una malla tridimensional. Aquesta xarxa és un suport estructural de la superfície cel·lular.
 Espectrina: tetràmer constituït per dues cadenes α i dues cadenes β. Cada cadena β té un únic domini d’unió a l’actina al seu extrem N-terminal. Les 4 cadenes contenen múltiples repeticions de dominis espaiadors en α-hèlix, que separen els dominis d’unió a l’actina. Als extrems C-terminal de les cadenes α, hi ha dominis de fixació de Ca2+.
Proteïnes motores  Les que actuen en els µF són la família de les miosines. N’hi ha molts tipus, però els principals són:  Miosina 1: contenen un grup de cap globular que actua com a motor. Són molècules molt petites, que tenen una cua molt curta i no formen dímers. No obstant, es poden unir a altres estructures com vesícules o orgànuls. Per tant, pot transportar la càrrega que porta unida. La seva funció és la formació de braços laterals que uneixen els µF amb la membrana plasmàtica de les microvellositats.
En aquesta situació la miosina 1 pot moure la membrana provocant així el moviment de les microvellositats. També pot intervenir en el transport de vesícules i orgànuls al llarg dels µF i en el moviment de la membrana durant la fagocitosi i l’extensió dels pseudopodis.
 Miosina 2: consta de dues cadenes pesades i dos parells de cadenes cadenes lleugeres essencials i reguladores. Les cadenes pesades tenen regions de cap globulars i cues llargues en α-hèlix que s’enrotllen al voltant de l’altre per formar dímers. Les cadenes lleugeres s’associen al voltant del coll de cada regió de cap per formar la molècula BIOLOGIA CEL·LULAR Tania Mesa González 1º CURS BIOLOGIA UAB completa. La miosina 2, agrupada en feixos de centenars i en formació escalonada, formen els filaments de miosina. Les molècules de miosina uneixen els seus caps globulars als µF formant ponts entrecreuats entre els filaments de miosina i d’actina. Així doncs, la miosina 2 és la proteïna motora encarregada de la contracció muscular.
 Miosina 5 i 6: tenen un paper important en el moviment d’orgànuls.
Estructures cel·lulars amb microfilaments  La majoria d’extensions cel·lulars es basen en filaments d’actina, que estan organitzats en feixos o xarxes i que es reorganitzen ràpidament:  Feixos paral·lels rígids:  Microvellositats: són extensions de membrana permanents i digitiformes particularment abundants a la superfície de cèl·lules implicades en l’absorció.
Formen una capa sobre la superfície apical que consta aproximadament d’un miler d’aquestes i que serveixen per augmentar la superfície d’absorció. Contenen feixos paral·lels de 20-30 filaments d’actina estretament agrupats, entrellaçats per la fimbrina i la villina. Els feixos d’actina es troben units a la membrana plasmàtica a través de braços laterals de la proteïna associada miosina 1- calmodulina, que pot estar implicada en el moviment de la membrana al llarg del feix d’actina de la microvellositat. A la seva base, els feixos d’actina estan ancorats a una regió rica en espectrina anomenada xarxa terminal, que entrellaça i estabilitza les microvellositats.
 Lamelipodis: són extensions transitòries, amples i laminars, de l’extrem apical dels fibroblasts. Estan compostes per una xarxa de µF entrellaçats formant una xarxa tridimensional. Són encarregades de la fagocitosi.
 Micropues o fil·lopodis: són projeccions transitòries i primes de la membrana plasmàtica sustentades per µF. La formació i retracció d’aquestes estructures es basa en la polimerització i despolimerització de µF.
 Feixos paral·lels amb capacitat contràctil:  Fibres d’estrès i contactes focals: les adhesions focals estan mediades per la unió de les integrines a proteïnes de la matriu extracel·lular. Les fibres d’estrès, que són feixos de µF entrellaçats per αactinina, s’uneixen al domini citoplasmàtic de les integrines mitjançant associacions complexes en les que intervenen un cert nombre de proteïnes. Podem tenir dues associacions: que la talina s’uneixi a la integrina, i la vinculina, al seu torn, s’uneixi a BIOLOGIA CEL·LULAR Tania Mesa González 1º CURS BIOLOGIA UAB l’actina; o podem trobar que en les adhesions focals també s’hi trobin presents altres proteïnes i poden estar implicades en l’ancoratge de les fibres d’estrès a la membrana plasmàtica.
 Desmosomes en banda: els contactes cèl·lula-cèl·lula en les unions d’adherència estan mediats per cadherines, que serveixen de llocs d’unió dels feixos d’actina. A les capes de cèl·lules epitelials, aquestes unions formen un cinturó continu de filaments d’actina al voltant de cada cèl·lula. Les cadherines són proteïnes transmembrana que uneixen β-caterina als seus dominis citoplasmàtics. La β-caterina interacciona amb l’α-caterina, que actua com a nexe pels filaments d’actina.
 Anell contràctil de la citocinesi: contracció mediada per actina-miosina en cèl·lules no musculars. Al final de la mitosi un anell contràctil format per µF i per miosina 2 s’acobla just a sota de la membrana plasmàtica. Al contraure’s, estrangulant la cèl·lula per dins i dividint-la en dos. El gruix de l’anell contràctil es manté constant a mesura que la cèl·lula s’estreny, per tant, els filaments d’actina es despolimeritzen a mesura que avança la contracció. Un cop acabada la divisió cel·lular, els µF es despolimeritzen per complet.
 Xarxes:  Còrtex cel·lular: a la perifèria de la cèl·lula hi ha una elevada concentració de µF que formen una xarxa tridimensional sota la membrana plasmàtica. Aquesta xarxa de µF i de proteïnes d’unió a l’actina és el còrtex cel·lular, que determina la forma de la cèl·lula i està implicada en diverses accions de la superfície cel·lular, incloent el moviment. D’aquesta manera l’associació del citosquelet d’actina amb la membrana plasmàtica és fonamental per l’estructura i la funció cel·lular.
Moviment cel·lular  El d’arrastrar-se a través d’una superfície representa una forma bàsica de locomoció cel·lular. Moviments similars al desplaçament cel·lular són responsables de la fagocitosi i de l’extensió de les prolongacions de les cèl·lules nervioses durant el desenvolupament del sistema nerviós. Tots aquests moviments es basen en les propietats dinàmiques del citosquelet d’actina.
BIOLOGIA CEL·LULAR 1º CURS BIOLOGIA Tania Mesa González UAB El desplaçament cel·lular implica un cicle coordinat de moviments, en el que poden identificar-se tres passos.
1. S’estenen les protuberàncies com pseudopodis, lamelipodis o micropues des de l’extrem davanter de la cèl·lula. Després aquestes extensions s’han de subjectar al substrat pel que la cèl·lula migra i finalment, la part posterior de la cèl·lula ha de dissociar-se del substrat i retreure’s fins al cos cel·lular.
L’extensió de la part de davant de la cèl·lula implica la polimerització i l’entrellaçament de µF. El reciclatge regulat de µF condueix a l’extensió de prolongacions com fil·lopodis o lamelipodis a la part davantera de la cèl·lula, i tant la cofilina com les proteïnes Arp2/3 estan implicades en aquest procés.
Les miosines 1 i 5 també intervenen per l’extensió de pseudopodis en amebes i la segona per l’extensió de fil·lopodis en neurones.
2. Després de l’extensió, les protuberàncies de la part davantera han de subjectar-se al substrat amb la finalitat de realitzar la locomoció cel·lular. En cèl·lules de desplaçament lent, la subjecció implica la formació d’adhesions focals; les cèl·lules amb un moviment més ràpid formen contactes més difusos amb el substrat.
3. La retracció de l’extrem posterior, es trenquen les subjeccions amb el substrat i la part posterior de la cèl·lula retrocedeix fins l’interior del cos cel·lular. Aquest procés requereix que es desenvolupi una tensió entre l’extrem anterior i el posterior de la cèl·lula, generant així una força contràctil que acaba estirant de la part posterior de la cèl·lula cap endavant.
Regulació de l’estructuració dels microfilaments  Les respostes de la cèl·lula a les senyals extracel·lulars, amb freqüència suposen alteracions en la mobilitat i en la forma cel·lular . Molts processos de moviment cel·lular estan basats en la polimerització i despolimerització dels µF adjacents a la membrana plasmàtica, per tant, el remodelat del citosquelet d’actina és un procés fonamental en la resposta de moltes cèl·lules a factors .
La família de les proteïnes Rho, que són petites i d’unió a GTP, tenen un paper central en la regulació de la organització del citosquelet d’actina, i controlen diversos processos cel·lulars com la mobilitat, l’adhesió i la citocinesi. La família de les Rho és imprescindible per la producció de la citocinesis, regula el creixement dels axons en el desenvolupament neuronal, contribueix a la regulació de la contracció muscular, regulen la formació d’unions adherents en les BIOLOGIA CEL·LULAR Tania Mesa González 1º CURS BIOLOGIA UAB cèl·lules epitelials. Per tant, la família de les Rho actua de regulador universal pel citosquelet d’actina acoblant senyals extracel·lulars a les variacions en el moviment i la forma cel·lular. Hi ha tres tipus diferents de la família Rho: 1. Rho: regulen la polimerització dels µF formant adhesions focals i fibres d’estrès.
2. Rac: regulen la polimerització dels µF formant lamelipodis.
3. Cdc42: regulen la polimerització dels µF formant els fil·lopodis.
S’han identificat moltes proteïnes diana per aquestes proteïnes, les més estudiades de les quals són:  La quinasa de Rho: és activada per la Rho. Fosforila la cadena lleugera reguladora de la miosina 2 i inhibeix a la fosfatasa de la cadena lleugera de miosina 2, el que comporta a l’agregació dels filaments d’actina-miosina i a la formació de fibres d’estrès i contactes focals.
 La PAK: és activada per la Rac i la Cdc42- i inhibeix a la quinasa de la cadena lleugera de la miosina, donant lloc a una disminució de la fosforilació de miosina 2.
 LIM-quinasa: activada per Rho i Rac. Regula el remodelat de l’actina a través de la fosforilació de la cofilina.
Contracció muscular  Els músculs es componen de feixos de cèl·lules individuals llargues, anomenades fibres musculars, que es formen per la fusió de moltes cèl·lules i que contenen múltiples nuclis. Cada fibra muscular conté moltes miofibril·les (feixos d’actina i miosina organitzats en una cadena d’unitats repetides anomenades sarcòmers). El sarcòmer és el responsable de l’aparença estriada del múscul cardíac i esquelètic. Consten de vàries regions diferenciades per ME, que permet revelar el mecanisme de contracció muscular. Els extrems de cada sarcòmer alternen bandes fosques (bandes Anisòtropes) amb bandes clares (bandes Isòtropes). Aquestes bandes corresponen amb la presència o absència de filaments de miosina. Les bandes I només contenen µF, mentre que les bandes A contenen, a més a més, filaments gruixuts de miosina.
Els filaments d’actina i els de miosina es solapen als extrems de la banda A, mentre que la regió intermèdia, anomenada zona H, només conté miosina. Els µF s’uneixen pels seus extrems (+) al disc Z, que conté la proteïna d’entrecreuament α-actinina. Els filaments de miosina s’uneixen a la línia M, zona mitja del sarcòmer.
BIOLOGIA CEL·LULAR 1º CURS BIOLOGIA Tania Mesa González UAB La titina i la nebulina també contribueixen a l’estructura i estabilitat del sarcòmer:  La titina, que és extremadament gran, s’estén des de la línia M fins al disc Z. Actua com una molla que manté els filaments de miosina centrats al sarcòmer i manté la tensió de repòs que permet al múscul retreure’s si s’estén en excés.
 La nebulia està associada amb l’actina i regula l’acoblament dels µF actuant com un regle que determina la seva longitud.
En la contracció, s’aproximen els discs Z del sarcòmer, però les bandes A no s’encongeixen gens, per tant, les bandes I la zona H queden pràcticament reduïdes. Això és perquè els filaments d’actina i miosina es desplacen els uns sobre els altres de manera que els µF ocupen la banda A i la zona H. Aquesta interacció entre els filaments d’actina i miosina ve donada per la unió de miosina als filaments d’actina permetent a la miosina funcionar com un motor que dirigeixi els desllissament dels filaments.
Els caps de la miosina estan orientats cap a l’exterior del miofilament de manera que contacten amb els µF .
La orientació dels filaments de miosina i dels µF és relativa en ambdós meitats del sarcòmer. El model per l’actuació de la miosina és molt senzill: 1. La miosina està unida al µF i amb l’addició d’una molècula d’ATP a aquesta miosina, perd afinitat i es provoca la dissociació del complex actina-miosina. Els dos filaments es separen.
2. L’ATP és hidrolitzat en ADP + Pi. Això provoca un canvi conformacional desplaçant el cap globular de miosina cap a l’extrem (+) del µF.
3. Com que l’ATP ha estat hidrolitzat en ADP, ja no té tanta afinitat i l’ADP és alliberat. Aquesta alliberació torna a aportar molta afinitat al cap de miosina, el qual, amb l’estructura adquirida anteriorment s’uneix al µF en una altra posició (més propera a l’extrem (+)).
4. Aquesta unió permet al cap de miosina tornar a la seva posició estructural original. Quan hi torna, arrossega amb ella el µF estirant-lo cap a l’extrem (-).
La contracció del múscul esquelètic és disparada per impulsos nerviosos que estimulen l’alliberació de Ca 2+ des del reticle sarcoplàsmic. L’alliberació de Ca2+ incrementa la seva concentració al citosol. Aquest augment de concentració és la senyal per la contracció muscular, intervenint dos proteïnes accessòries unides als µF:  La tropomiosina: és una proteïna fibrosa que s’uneix al llarg del solc dels µF. En el múscul estriat s’uneix a la troponina.
- La troponina: és un complex de 3 polipèptids: BIOLOGIA CEL·LULAR 1º CURS BIOLOGIA Tania Mesa González UAB  Troponina C: lloc d’unió del calci.
 Troponina I: inhibidora.
 Troponina T: és el polipèptid d’unió a la tropomiosina.
Quan la concentració de Ca2+ és baixa, el complex troponina-tropomiosiona bloqueja la interacció de l’actina i la miosina evitant la contracció. Quan la concentració de Ca2+ és alta, la unió de Ca2+ a la troponina C altera la disposició del complex, retirant la troponina I i permetent la interacció entre miosina i actina i, per tant, la contracció.
...