Microfilaments d'Actina: Estructura, Funció i Regulació Cel·lular

Microfilaments d'Actina: Estructura i Funció

Els microfilaments d'actina (μF) s'organitzen formant xarxes tridimensionals. La seva polimerització i despolimerització, així com la seva associació amb altres estructures, depèn de diverses proteïnes. Els μF aporten suport mecànic, forma i moviment a la superfície cel·lular (migració, endocitosi, divisió cel·lular). Per desplaçar-se, els pseudòpodes són prolongacions de membrana degudes a canvis en la polimerització d'actina. En canvi, en les cèl·lules que no es mouen, l'actina s'estabilitza amb la matriu extracel·lular.

Polimerització dels Microfilaments d'Actina

Les molècules d'actina són proteïnes globulars d'uns 375 aminoàcids (aa). Cada monòmer té llocs d'unió que afavoreixen la interacció cap-i-cua amb monòmers adjacents. Polimeritzen per formar filaments. Cada monòmer està lleugerament girat, formant una hèlix de doble cadena. Presenten polaritat, la qual és important per establir una direcció única en el moviment de la miosina respecte a l'actina.

Procés de Polimerització i Despolimerització

• Primer, la nucleació: formació d'un petit agregat format per tres monòmers d'actina.
• L'extrem “més” (+) sempre creix més ràpid que l'extrem “menys” (-).
• Els monòmers s'uneixen a ATP, que s'hidrolitza a ADP quan s'acoblen als microfilaments. L'ATP aporta rapidesa al procés.
• Els microfilaments també poden despolimeritzar-se per dissociació de les subunitats d'actina.
• Hi ha un equilibri dinàmic entre monòmers i filaments, ja que depenen de la concentració de monòmers lliures.
• La velocitat a la qual els monòmers s'incorporen és directament proporcional a la concentració de monòmers lliures.
• Quan s'arriba a una concentració crítica, la velocitat de polimerització i despolimerització és la mateixa.
• Com que la polimerització és més ràpida a l'extrem (+), el creixement es dona per aquest extrem i l'escurçament per l'extrem (-).
• Es produeix un intercanvi rotatori (treadmilling), que necessita ATP.

Proteïnes Reguladores dels Microfilaments

Proteïnes que Regulen Polimerització i Despolimerització

• Cofilina: Responsable del ràpid desacoblament dels filaments d'actina.
• Profilina: Reverteix els efectes de la cofilina i afavoreix la incorporació de monòmers d'actina als microfilaments.
• Complex Arp2/3: Serveix com a lloc de nucleació per iniciar l'acoblament de nous filaments.
• Timosina: Similar a la cofilina.
• Formina: S'enllaça a l'extrem (+) i promou la polimerització de feixos paral·lels.

Inhibidors de la Polimerització d'Actina

Alguns compostos s'uneixen a l'actina i afecten la seva polimerització, actuant com a inhibidors:

• Citocalasina: S'uneix a l'extrem (+) i bloqueja l'elongació, prohibint la polimerització.
• Faloidina: Evita la despolimerització.

Proteïnes d'Entrecreuament i Organització

Les proteïnes d'entrecreuament són necessàries perquè, en unir-se als microfilaments, els fan adoptar estructures específiques.

Feixos Paral·lels

• Fimbrina: Uneix els microfilaments mantenint-los agrupats paral·lelament.
• α-Actinina: Els uneix de forma més espaiada i amb capacitat de contracció, a mode d'anell contràctil. L'α-actinina s'uneix a l'actina com un dímer, ja que cada subunitat té un lloc d'unió.

Xarxes Tridimensionals

• Filamina: Es fixa a l'actina com un dímer de dues subunitats. El dímer de filamina és una molècula flexible en forma de V amb dominis d'unió a actina a cada braç. Com a resultat, es formen ponts creuats creant una malla tridimensional.
• Espectrina: Constituïda per dues cadenes α i dues cadenes β. Cada cadena β té un domini d'unió a actina a l'extrem N-terminal. A l'extrem C-terminal de la cadena α hi ha dominis de fixació de Ca²⁺.

Proteïnes Motores: La Família de les Miosines

La família de les miosines inclou diverses proteïnes motores:

• Miosina I: Conté un cap globular que actua com a motor. Té una cua curta i no forma dímers. Transporta allò que té unit. Forma braços laterals que uneixen els microfilaments amb la membrana plasmàtica de les microvellositats, provocant així el moviment d'aquestes. També pot intervenir en el moviment de vesícules i l'extensió de pseudopodis.
• Miosina II: Consta de dues cadenes pesades i dos parells de cadenes lleugeres (anomenades essencials i reguladores). Les cues en α-hèlix de les cadenes pesades s'enrotllen l'una al voltant de l'altra per formar dímers. Les cadenes lleugeres s'associen al voltant del coll de cada regió del cap per formar la molècula completa. Per tant, la miosina II és l'encarregada de la contracció muscular.
• Miosina V i VI: Intervenen en el moviment d'orgànuls.

Estructures Cel·lulars amb Microfilaments d'Actina

Feixos Paral·lels Rígids

• Microvellositats: Extensions de membrana implicades en l'absorció, associades a miosina I i ancorades a la base per espectrina.
• Lamelipodis: Extensions amples i laminars de l'extrem apical dels fibroblasts, compostes per una xarxa de microfilaments entrellaçats formant una xarxa tridimensional; encarregats de la fagocitosi.
• Micropues o Fil·lopodis: Projeccions primes de la membrana plasmàtica; la formació i retracció d'aquestes es basa en la polimerització i despolimerització dels microfilaments.

Feixos Paral·lels amb Capacitat Contràctil

• Fibres d'Estrès i Contactes Focals: Les fibres d'estrès són feixos de microfilaments entrellaçats per α-actinina, que s'uneixen a integrines.
• Desmosomes en Banda (Adherens Junctions): Els contactes cèl·lula-cèl·lula estan mediats per cadherines. Es forma un cinturó continu de filaments d'actina al voltant de cada cèl·lula.
• Anell Contràctil de la Citocinesi: Els filaments d'actina es despolimeritzen a mesura que avança la contracció i, un cop acabada la divisió, es despolimeritzen per complet.

Xarxes de Microfilaments

• Còrtex Cel·lular: A la perifèria de la cèl·lula hi ha una alta concentració de microfilaments que formen una xarxa tridimensional sota la membrana plasmàtica i que determina la forma cel·lular. L'associació del citoesquelet d'actina amb la membrana plasmàtica és fonamental per a l'estructura i funció cel·lular.

Moviment Cel·lular Mediat per Actina

El moviment cel·lular implica la formació de nous contactes focals a mesura que la cèl·lula avança.

• Primer, s'estenen protuberàncies com pseudopodis, lamelipodis o fil·lopodis des de l'extrem davanter de la cèl·lula.
• Després, aquestes extensions s'han de subjectar al substrat pel qual la cèl·lula migra.
• Finalment, la part posterior de la cèl·lula ha de dissociar-se del substrat i retreure's fins al cos cel·lular.
• En aquest procés hi estan implicats el complex Arp2/3, la cofilina i les miosines I i V.
• En cèl·lules de desplaçament lent, es formen adhesions focals; en les de moviment ràpid, es formen contactes més difusos amb el substrat.

Regulació de l'Estructura dels Microfilaments

La família de les proteïnes Rho GTPases, d'unió a GTP, té un paper central en la regulació de l'organització del citoesquelet d'actina i controlen processos com la mobilitat, l'adhesió i la citocinesi. Les Rho també regulen el creixement dels axons, entre altres funcions. Per tant, la família de les Rho actua com a regulador universal del citoesquelet d'actina, acoblant senyals extracel·lulars a les variacions en el moviment i la forma cel·lular.

Família de Proteïnes Rho GTPases

Hi ha tres tipus principals:

• Rho: Regula la polimerització dels microfilaments formant adhesions focals i fibres d'estrès.
• Rac: Regula la polimerització dels microfilaments formant lamelipodis.
• Cdc42: Regula la polimerització dels microfilaments formant fil·lopodis.

Dianes de les Proteïnes Rho

Hi ha diverses dianes per a aquestes proteïnes:

• Quinasa de Rho (ROCK): Activada per Rho, fosforila la cadena lleugera reguladora de la miosina II i inhibeix la fosfatasa de la cadena lleugera de la miosina II, comportant l'agregació de filaments d'actina-miosina i la formació de fibres d'estrès i contactes focals.
• PAK (p21-activated kinase): Activada per Rac i Cdc42, inhibeix la quinasa de la cadena lleugera de la miosina, donant lloc a una disminució de la fosforilació de la miosina II.
• LIM-quinasa: Activada per Rho i Rac, regula el remodelat d'actina a través de la fosforilació de la cofilina.

Això significa que són vies de senyalització que activen unes respostes cel·lulars i n'inhibeixen d'altres.

Contracció Muscular: El Paper dels Sarcòmers

Els músculs es componen de feixos de cèl·lules individuals llargues anomenades fibres musculars, que es formen de la fusió de moltes cèl·lules. Cada fibra muscular conté moltes miofibril·les, que alhora són 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.

• Les bandes I només contenen microfilaments.
• Les bandes A, a més, tenen miosina.
• La zona H només conté miosina.

Els microfilaments s'uneixen pels extrems (+) al disc Z, que conté α-actinina. La titina manté la tensió de repòs que permet retreure el sarcòmer si s'estén en excés, i la nebulina determina la longitud dels filaments d'actina.

Es produeix un deslliscament dels filaments. Els caps de miosina estan orientats cap a l'exterior de manera que contacten amb els microfilaments; s'uneixen formant ponts creuats.

• En presència d'ATP, la miosina perd afinitat per l'actina, provocant la dissociació del complex actina-miosina i la seva separació.
• L'ATP s'hidrolitza a ADP i fosfat inorgànic (Pi), la qual cosa provoca el desplaçament del cap de miosina cap a l'extrem (+).
• Un cop alliberat el Pi, l'afinitat del cap de miosina per l'actina augmenta de nou, i s'uneix al microfilament en una posició més propera a l'extrem (+).
• L'alliberació d'ADP permet al cap de miosina tornar a la posició estructural inicial, arrossegant així el microfilament i estirant-lo cap a l'extrem (-).

Regulació de la Contracció per Calci

L'alliberació de Ca²⁺ és el senyal per a la contracció muscular, intervenint dues proteïnes accessòries unides als microfilaments:

• Tropomiosina: En el múscul estriat, s'uneix a la troponina.
• Troponina: Està composta per tres subunitats:
  • Troponina C: Lloc d'unió a calci.
  • Troponina I: Subunitat inhibidora.
  • Troponina T: Subunitat d'unió a la tropomiosina.

Quan la concentració de Ca²⁺ és baixa, el complex troponina-tropomiosina bloqueja la interacció entre actina i miosina, evitant la contracció. Quan la concentració de Ca²⁺ és alta, la troponina I es retira, permetent la interacció i, per tant, la contracció.