Filamentos de actina: función y características
Filamentos de actina: función principal: movimientos relacionados con la superficie celular. Le permiten a la célula:
- Desplazarse a lo largo de una superficie.
- Englobar una partícula de gran tamaño mediante fagocitosis.
- Dividirse durante la división celular.
Pueden formar estructuras celulares estables, como el aparato contráctil de un músculo.
Se asocian con proteínas fijadoras de actina que posibilitan que los filamentos cumplan diversas funciones, entre ellas:
- Formación de microvellosidades.
- Formación de haces contráctiles en el citoplasma.
- Formación del anillo contráctil durante la división celular.
La disposición de los filamentos de actina en una célula depende de los tipos de proteínas fijadoras de actina presentes. Un filamento de actina tiene una polaridad estructural, con un extremo + y uno −. Son más delgados, flexibles y cortos que los microtúbulos, pero también más numerosos.
Los filamentos se organizan en haces con uniones cruzadas o en redes cuya resistencia es mucho mayor que la de filamentos aislados.
Polimerización y dinámica
La actina y la tubulina se polimerizan por mecanismos similares. Los filamentos de actina pueden crecer por el agregado de monómeros de actina en uno u otro extremo del filamento, pero el crecimiento es más rápido en el extremo +.
Un filamento de actina sin proteínas asociadas es inestable y puede desensamblarse desde cualquiera de sus extremos.
- Cada monómero de actina libre transporta un ATP que se hidroliza después de su incorporación al filamento.
- La hidrólisis de ATP reduce la fuerza de unión entre monómeros y disminuye la estabilidad del polímero.
- La hidrólisis promueve la despolimerización y ayuda a la célula a desensamblar los filamentos después de su formación.
- Muchas funciones celulares requieren la capacidad de ensamblarse y desensamblarse dinámicamente.
Proteínas que se unen a la actina
La concentración de monómero de actina (actina G) en el citosol suele ser alta, mucho mayor que la necesaria para la formación de filamentos, sin embargo no siempre se polimeriza libremente porque existe regulación por proteínas que se unen a la actina:
- Las células contienen proteínas como la timosina y la profilina que se unen a monómeros de actina en el citosol, impidiendo su incorporación inmediata a los extremos de los filamentos.
- Al mantenerse como reserva, estas proteínas regulan la polimerización de la actina.
- Cuando se necesitan filamentos, las forminas y otras proteínas fijadoras de actina promueven el ensamblaje.
- Otras proteínas relacionadas con la actina se unen a filamentos ya ensamblados y controlan su comportamiento.
- Los filamentos de actina también pueden asociarse con proteínas motoras y formar haces contráctiles.
Estructuras celulares características
Corteza rica en actina
La actina se encuentra en gran concentración en una capa situada por debajo de la membrana plasmática, la corteza celular. En esta capa los filamentos están unidos entre sí por proteínas fijadoras formando una red que sostiene la superficie externa de la célula y le confiere resistencia mecánica. Esta malla determina la forma y las propiedades mecánicas de la membrana plasmática.
Deslizamiento celular y migración
Numerosas células se mueven deslizándose sobre superficies en lugar de nadar mediante cilios o flagelos. Por ejemplo, el extremo de avance de un axón en desarrollo migra en respuesta a factores de crecimiento y sigue una trayectoria guiada por señales químicas del sustrato y del medio. Este tipo de movimiento implica cambios coordinados en muchas moléculas distribuidas en distintas regiones de la célula; no existe un orgánulo locomotor único, como un flagelo, que impulse la célula.
Hay tres mecanismos interrelacionados esenciales en la migración por deslizamiento:
- La célula emite protrusiones en su frente o borde activo.
- Estas protrusiones se adhieren a la superficie sobre la cual la célula se desliza.
- El resto de la célula se arrastra hacia adelante por tracción sobre estos puntos de apoyo.
En estos tres procesos interviene la actina.
Protrusiones: lamelipodios y filopodios
El empuje hacia adelante de la superficie celular se produce por la polimerización de la actina. El borde activo emite lamelipodios o filopodios —estructuras móviles de reconocimiento— que contienen una densa red de filamentos de actina orientados con sus extremos + hacia la membrana plasmática. Estas estructuras ayudan a explorar el medio circundante y a encontrar la vía apropiada hacia la diana.
- Son generadas por el crecimiento local rápido de filamentos de actina que se ensamblan cerca de la membrana y se elongan por adición de monómeros en los extremos +, empujando la membrana sin desgarrarla.
- La formación y crecimiento de los filamentos en el borde activo es asistida por complejos ARP, proteínas accesorias que nuclean la formación de nuevos filamentos en ángulos, formando ramas laterales.
- El filopodio depende principalmente de las forminas, que se unen a extremos en crecimiento y promueven el agregado de monómeros formando filamentos rectos y no ramificados.
Adhesión y tracción
Cuando lamelipodios y filopodios entran en contacto con una zona favorable de la superficie, se adhieren a ella. Los pasos principales son:
- Las proteínas transmembrana de la membrana celular, las integrinas, se adhieren a moléculas de la matriz extracelular o a la superficie de una célula vecina.
- En la cara intracelular de la membrana, las integrinas capturan filamentos de actina, creando un anclaje firme para el sistema de filamentos de actina dentro de la célula.
- Este anclaje permite que la contracción interna arrastre el cuerpo de la célula hacia adelante mediante fuerzas de tracción.
- Estas contracciones dependen tanto de la actina como de la miosina.
Actina y miosina: proteínas motoras
La actina se asocia con la miosina. Todas las proteínas motoras dependientes de la actina pertenecen a la familia de la miosina. Estas proteínas se unen al ATP y lo hidrolizan, aportando la energía para su movimiento a lo largo de los filamentos de actina desde el extremo − hacia el extremo +.
Hay varios tipos de miosina (por ejemplo, miosina I y miosina II).
Miosina I
- Presente en muchos tipos de células.
- Tiene una sola cabeza que interactúa con filamentos de actina y presenta actividad motora dependiente de ATP, permitiéndole desplazarse a lo largo del filamento en un ciclo de unión, separación y reunión.
- La cola, que varía entre isoformas, determina qué componentes celulares serán arrastrados por el motor.
Señales extracelulares y regulación de la actina
La actividad de las proteínas accesorias que regulan la actina está controlada por señales extracelulares, lo que permite a la célula reorganizar su citoesqueleto en respuesta al ambiente. La activación de diversas proteínas receptoras en la membrana plasmática conduce a la señalización intracelular.
Estas señales convergen sobre la familia de proteínas Rho. Los miembros de la familia Rho actúan como interruptores moleculares que pasan cíclicamente de un estado ligado a GTP (activo) a un estado ligado a GDP (inactivo).
La activación de diferentes miembros de la familia Rho afecta la organización de los filamentos de actina de distintas maneras, por ejemplo:
- Polimerización de actina y agrupación en haces que forman filopodios.
- Formación de lamelipodios y plegamiento de la membrana.
- Formación de haces de filamentos de actina con miosina II y agrupación de integrinas para el deslizamiento celular.
Estos cambios estructurales se producen porque la red de señalización Rho procesa señales externas y del estado de la célula y genera respuestas que promueven la formación de filopodios o aumentan la nucleación de actina por los complejos ARP en el borde activo, formando grandes lamelipodios.
Contracción muscular
Muchos movimientos dependen de la interacción entre la actina y la miosina. La miosina del músculo pertenece a la subfamilia de la miosina II y presenta las siguientes características:
- Dos cabezas con actividad ATPasa.
- Una cola larga de tipo bastón.
Cada molécula de miosina II es un dímero compuesto por dos cadenas de miosina idénticas que se unen por sus colas espiraladas, formando un filamento bipolar en el que las cabezas se proyectan a cada lado. Un conjunto de cabezas se une a filamentos de actina en una orientación y las moviliza en un sentido, mientras que el conjunto opuesto lo hace en sentido contrario. Esto provoca el deslizamiento relativo de grupos de filamentos de actina de orientación opuesta. Si los filamentos de actina y miosina se agrupan formando un fascículo, el haz puede generar una fuerza contráctil.
Deslizamiento de filamentos en el músculo
El citoplasma del músculo esquelético contiene miofibrillas, los elementos contráctiles de la célula muscular:
- Cada miofibrilla consiste en una cadena de sarcómeros.
- Cada sarcómero está ensamblado por filamentos finos (actina) en los extremos laterales, hasta la línea Z, y por filamentos gruesos centrales (miosina II).
La contracción se debe al acortamiento de los sarcómeros por el deslizamiento de los filamentos de actina sobre los de miosina. Este deslizamiento se produce porque las cabezas de miosina interaccionan cíclicamente con la actina y, durante cada ciclo, una cabeza de miosina se une a ATP y lo hidroliza, produciendo cambios conformacionales que generan el movimiento.
La contracción es desencadenada por el aumento de Ca2+
- La señal de una terminación nerviosa desencadena un potencial de acción en la membrana plasmática de la fibra muscular.
- La excitación eléctrica se propaga a lo largo de los túbulos transversos que se extienden hacia el interior de la célula alrededor de cada miofibrilla.
- La señal eléctrica se transmite al retículo sarcoplásmico, que contiene Ca2+, y el calcio es liberado al citosol.
- El aumento de la concentración de Ca2+ permite que el calcio se una a la troponina, lo que provoca un cambio en la posición de la tropomiosina sobre el filamento de actina; así se exponen los sitios de unión para las cabezas de miosina y se desencadena la contracción.
- El aumento de Ca2+ también puede inducir la fosforilación de la miosina II en determinados tipos celulares, lo que modifica la conformación de la molécula de miosina y regula su interacción con la actina.
Conclusión
En conclusión: la contracción muscular es desencadenada por un aumento súbito del nivel citosólico de Ca2+, que genera una señal transmitida al aparato contráctil mediante proteínas sensibles al calcio (troponina y tropomiosina) y por la actividad de la miosina sobre los filamentos de actina.
Notas y definiciones
- Sarcómero: unidad repetida de una miofibrilla en una célula muscular, compuesta por filamentos finos (actina) y gruesos (miosina).
- Tropomiosina: proteína que se une al surco de la hélice de actina, superponiéndose a varios monómeros de actina y que impide que las cabezas de miosina se asocien con el filamento de actina cuando está en posición bloqueadora.
- Troponina: complejo que contiene una subunidad sensible al Ca2+ (troponina C) que se asocia con el extremo de una molécula de tropomiosina y regula su posición en respuesta al Ca2+.
Todo el contenido anterior ha sido corregido ortográfica y gramaticalmente, ajustando mayúsculas y minúsculas y usando terminología completa (por ejemplo, sustituyendo abreviaturas como «P» por «proteínas» y corrigiendo siglas como GDP en la regulación por GTP/GDP), manteniendo la integridad y el contenido original.