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Montaje y Desmontaje de los Filamentos de Actina

La actina se aisló por primera vez de las células musculares, en las que constituye aproximadamente el 20% de la proteína celular total, en 1942. Aunque en un principio se pensó que la actina era la única implicada en la contracción muscular, ahora se sabe que es una proteína extremadamente abundante (normalmente entre el 5 y el 10% de la proteína total) en todos los tipos de células eucariotas. Las levaduras tienen un solo gen de actina, pero los eucariotas superiores tienen varios tipos distintos de actina, codificados por diferentes miembros de la familia de genes de actina. Los mamíferos, por ejemplo, tienen al menos seis genes de actina distintos: Cuatro se expresan en diferentes tipos de músculos y dos en células no musculares. Sin embargo, todas las actinas son muy similares en su secuencia de aminoácidos y se han conservado en gran medida a lo largo de la evolución de los eucariotas. La actina de la levadura, por ejemplo, es idéntica en un 90% a la secuencia de aminoácidos de las actinas de las células de los mamíferos.

Las estructuras tridimensionales tanto de las moléculas individuales de actina como de los filamentos de actina fueron determinadas en 1990 por Kenneth Holmes, Wolfgang Kabsch y sus colegas. Las moléculas de actina individuales son proteínas globulares de 375 aminoácidos (43 kd). Cada monómero de actina (actina globular) tiene sitios de unión estrechos que median las interacciones cabeza-cola con otros dos monómeros de actina, por lo que los monómeros de actina se polimerizan para formar filamentos (actina filamentosa) (Figura 11.2). Cada monómero gira 166o en los filamentos, que por tanto tienen la apariencia de una hélice de doble cadena. Debido a que todos los monómeros de actina están orientados en la misma dirección, los filamentos de actina tienen una polaridad distinta y sus extremos (llamados extremos positivo y negativo) se distinguen entre sí. Esta polaridad de los filamentos de actina es importante tanto en su ensamblaje como en el establecimiento de una dirección única de movimiento de la miosina con respecto a la actina, como se verá más adelante en el capítulo.

Figura 11.2. Montaje y estructura de los filamentos de actina.

Figura 11.2

Montaje y estructura de los filamentos de actina. (A) Los monómeros de actina (G actina) se polimerizan para formar filamentos de actina (F actina). El primer paso es la formación de dímeros y trímeros, que luego crecen por la adición de monómeros a ambos extremos. (B) Estructura de un (más…)

El ensamblaje de los filamentos de actina puede estudiarse in vitro mediante la regulación de la fuerza iónica de las soluciones de actina. En soluciones de baja fuerza iónica, los filamentos de actina se despolimerizan hasta convertirse en monómeros. A continuación, la actina se polimeriza espontáneamente si se aumenta la fuerza iónica hasta niveles fisiológicos. El primer paso en la polimerización de la actina (llamado nucleación) es la formación de un pequeño agregado formado por tres monómeros de actina. A continuación, los filamentos de actina pueden crecer mediante la adición reversible de monómeros en ambos extremos, pero uno de ellos (el extremo positivo) se alarga entre cinco y diez veces más rápido que el negativo. Los monómeros de actina también se unen al ATP, que se hidroliza a ADP tras el ensamblaje del filamento. Aunque el ATP no es necesario para la polimerización, los monómeros de actina a los que se une el ATP polimerizan más fácilmente que aquellos a los que se une el ADP. Como se discute más adelante, la unión y la hidrólisis del ATP desempeñan un papel clave en la regulación del ensamblaje y el comportamiento dinámico de los filamentos de actina.

Debido a que la polimerización de la actina es reversible, los filamentos pueden despolimerizarse por la disociación de las subunidades de actina, permitiendo que los filamentos de actina se rompan cuando sea necesario (Figura 11.3). Así, existe un equilibrio aparente entre los monómeros de actina y los filamentos, que depende de la concentración de monómeros libres. La velocidad a la que los monómeros de actina se incorporan a los filamentos es proporcional a su concentración, por lo que existe una concentración crítica de monómeros de actina en la que la velocidad de su polimerización en filamentos es igual a la velocidad de disociación. En esta concentración crítica, los monómeros y los filamentos están en aparente equilibrio.

Figura 11.3. Polimerización reversible de monómeros de actina.

Figura 11.3

Polimerización reversible de monómeros de actina. La polimerización de la actina es un proceso reversible, en el que los monómeros se asocian y se disocian de los extremos de los filamentos de actina. La velocidad de disociación de las subunidades (koff) es independiente de la concentración de monómeros, (más…)

Como se ha señalado anteriormente, los dos extremos de un filamento de actina crecen a velocidades diferentes, con monómeros que se añaden al extremo de crecimiento rápido (el extremo positivo) de cinco a diez veces más rápido que al extremo de crecimiento lento (negativo). Dado que la ATP-actina se disocia menos fácilmente que la ADP-actina, se produce una diferencia en la concentración crítica de monómeros necesaria para la polimerización en los dos extremos. Esta diferencia puede dar lugar al fenómeno conocido como treadmilling, que ilustra el comportamiento dinámico de los filamentos de actina (Figura 11.4). Para que el sistema se encuentre en un estado general estable, la concentración de monómeros de actina libres debe ser intermedia entre las concentraciones críticas necesarias para la polimerización en los extremos positivo y negativo de los filamentos de actina. En estas condiciones, hay una pérdida neta de monómeros en el extremo negativo, que se equilibra con una adición neta en el extremo positivo. El treadmilling requiere ATP, y la actina ATP se polimeriza en el extremo positivo de los filamentos, mientras que la actina ADP se disocia del extremo negativo. Aunque el papel del treadmilling en la célula no está claro, puede reflejar el ensamblaje y desensamblaje dinámico de los filamentos de actina necesarios para que las células se muevan y cambien de forma.

Figura 11.4. Treadmilling.

Figura 11.4

Treadmilling. Los extremos negativos crecen menos rápidamente que los extremos positivos de los filamentos de actina. Esta diferencia en la velocidad de crecimiento se refleja en una diferencia en la concentración crítica para la adición de monómeros a los dos extremos del filamento. Actina unida a ATP (más…)

Es de destacar que varios fármacos útiles en biología celular actúan uniéndose a la actina y afectando a su polimerización. Por ejemplo, las citocalasinas se unen a los extremos positivos de los filamentos de actina y bloquean su elongación. Esto provoca cambios en la forma de la célula, así como la inhibición de algunos tipos de movimientos celulares (por ejemplo, la división celular tras la mitosis), lo que indica que la polimerización de la actina es necesaria para estos procesos. Otro fármaco, la faloidina, se une fuertemente a los filamentos de actina e impide su disociación en moléculas individuales de actina. La faloidina marcada con un colorante fluorescente se utiliza con frecuencia para visualizar los filamentos de actina mediante microscopía de fluorescencia.

Dentro de la célula, tanto el ensamblaje como el desensamblaje de los filamentos de actina están regulados por proteínas de unión a actina (Figura 11.5). El recambio de los filamentos de actina es unas 100 veces más rápido dentro de la célula que in vitro, y este rápido recambio de actina desempeña un papel crítico en una variedad de movimientos celulares. La proteína clave responsable del desensamblaje de los filamentos de actina dentro de la célula es la cofilina, que se une a los filamentos de actina y aumenta la velocidad de disociación de los monómeros de actina del extremo negativo. Además, la cofilina puede cortar los filamentos de actina, generando más extremos y potenciando aún más el desensamblaje de los filamentos.

Figura 11.5. Efectos de las proteínas de unión a actina en el recambio de filamentos.

Figura 11.5

Efectos de las proteínas de unión a actina en el recambio de filamentos. La cofilina se une a los filamentos de actina y aumenta la velocidad de disociación de los monómeros de actina (unidos a ADP) del extremo negativo. La cofilina permanece unida a los monómeros de ADP-actina, impidiendo su reensamblaje (más…)

La cofilina se une preferentemente a la ADP-actina, por lo que permanece unida a los monómeros de actina tras el desensamblaje del filamento y los secuestra en la forma unida al ADP, impidiendo su reincorporación a los filamentos. Sin embargo, otra proteína de unión a actina, la profilina, puede invertir este efecto de la cofilina y estimular la incorporación de los monómeros de actina a los filamentos. La profilina actúa estimulando el intercambio de ADP unido por ATP, lo que da lugar a la formación de monómeros de ATP-actina, que se disocian de la cofilina y quedan disponibles para su ensamblaje en filamentos. Otras proteínas (proteínas Arp2/3) pueden servir como sitios de nucleación para iniciar el ensamblaje de nuevos filamentos, por lo que la cofilina, la profilina y las proteínas Arp2/3 (así como otras proteínas de unión a la actina) pueden actuar conjuntamente para promover el rápido recambio de los filamentos de actina y la remodelación del citoesqueleto de actina que se requiere para una variedad de movimientos celulares y cambios en la forma de la célula. Como era de esperar, las actividades de las proteínas cofilina, profilina y Arp2/3 están controladas por una serie de mecanismos de señalización celular (que se analizan en el capítulo 13), lo que permite regular adecuadamente la polimerización de actina en respuesta a los estímulos del entorno.

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