Caratteristiche dell'actina, struttura, filamenti, funzione

IL Actina È una proteina citosolica che forma microfilamenti. Negli eucarioti, l'actina è una delle proteine ​​più abbondanti. Ad esempio, rappresenta il 10% in peso della proteina totale nelle cellule muscolari; e tra l'1 e il 5% della proteina nelle cellule non muscolari.

Questa proteina, accanto ai filamenti e ai microtubuli intermedi, forma il citoscheletro, la cui funzione principale è la mobilità della cellula, il mantenimento della forma cellulare, la divisione cellulare e il movimento degli organelli nelle piante, funghi e animali.

Fonte: Sarcomere.SVG: David Richfield (utente Slashme) Derivative Work: Retama [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/]]

Isoforme di citoschele di actina.

Dal punto di vista evolutivo, l'actina è una proteina altamente conservata. Ci sono circa il 90% di omologia di sequenza in diverse specie. Negli organismi unicellulari, un singolo gene codifica di un'actina Isaform. Mentre negli organismi multicellulari, diversi geni codificano multipli di actina Isaforms.

L'actina, insieme alla miosina, erano strutture cruciali nel futuro evolutivo degli organismi eucariotici e della loro diversificazione, poiché hanno permesso il movimento in assenza di altre strutture, come flagello e ciglia.

[TOC]

Struttura: filamenti di actin

L'actina è una singola proteina globulare a catena polipeptidica. Nel muscolo, l'actina ha una massa molecolare di circa 42 kDa.

Questa proteina ha due domini. Ognuno ha due sottodomini e una fessura tra i domini. L'ATP-MG⁺² si unisce al fondo della fessura. I terminali amino e carbossili si uniscono nel sottodominio 1.

Actina G e Actina F

Esistono due forme principali di actina: The Actin Monomer, chiamato Actina G; e un polimero filamentoso, composto da monomeri Actin G, chiamato Actina F. I filamenti di actina, osservati dalla microscopia elettronica, hanno regioni strette e larghe, rispettivamente 7 nm e 9 nm di diametro.

Durante tutto il filamento, i monomeri Actin forma una doppia elica spremuta. Un'unità ripetuta in tutto il filamento è composta da 13 eliche e 28 monomeri di actina e ha una distanza di 72 nm.

Il filamento Actin ha due estremità. Si forma la fessura che collega ATP-MG⁺², che si trova nella stessa direzione in tutti i monomeri di actina del filamento, chiamato fine (-); E l'altra estremità è l'opposto, chiamata fine (+). Pertanto, si dice che il filamento di actina abbia la polarità.

Molte volte questi componenti sono noti come microfilamenti, poiché sono i componenti del citoscheletro che presentano meno diametro.

Dove troviamo actin?

L'actina è una proteina estremamente comune negli organismi eucariotici. Di tutte le proteine ​​cellulari, l'actina rappresenta circa il 5-10%, a seconda del tipo di cellula. Nel fegato, ad esempio, ciascuna delle cellule che lo costituiscono ha quasi 5.10⁸ Molecole di actina.

Caratteristiche

Le due forme di actina, monomero e filamento si trovano continuamente in un equilibrio dinamico tra polimerizzazione e depolimeri. In generale, ci sono tre caratteristiche di questo fenomeno:

1) I filamenti di actina sono tipici della struttura del tessuto muscolare e del citoscheletro delle cellule eucariotiche.

Può servirti: le 10 caratteristiche dei lipidi più eccezionali

2) La polimerizzazione e la depolimerizzazione sono un processo dinamico che è regolato. Dove la polimerizzazione o l'aggregazione di monomeri di actina G-ATP-MG⁺² Succede ad entrambe le estremità. Che questo processo si verifica dipende dalle condizioni del mezzo e dalle proteine ​​regolatorie.

3) La formazione di raggi e reticoli, che compongono il citoscheletro di actina, dà forza alla motilità cellulare. Questo dipende dalle proteine ​​che partecipano alla formazione di legami incrociati.

Funzioni

Contrazione muscolare

L'unità funzionale e strutturale del muscolo scheletrico è il sarcomer, che ha due tipi di filamenti: filamenti sottili, formati dall'actina e filamenti spessi, formati dalla miosina. Entrambi i filamenti sono organizzati alternativamente, in modo geometrico preciso. Consenti la contrazione muscolare.

I filamenti sottili sono ancorati a regioni chiamate dischi z. Questa regione è costituita da una rete in fibra, in cui si trova la proteina CAPZ e alle quali sono ancorate le estremità (+) dei filamenti di actina. Questo ancoraggio impedisce la depolerizzazione della fine (+).

D'altra parte, alle estremità () dei filamenti di actina, si trova la tropomodulina e li protegge dalla depolimsione. Oltre all'actina, i filamenti sottili hanno tropomiosina e troponina, che hanno la funzione di controllare le interazioni dell'actomiosina.

Come si verifica la contrazione muscolare?

Durante la contrazione muscolare, i filamenti spessi creano movimenti per giri e tirano i filamenti sottili verso il centro del sarcomere. Questo produce lo scorrimento delle fibre spesse e sottili.

Pertanto, la lunghezza dei filamenti spessi e sottili rimane costante, ma aumenta la sovrapposizione tra i due filamenti. La lunghezza del sarcamer diminuisce dall'ancoraggio di filamenti sottili ai dischi z.

Come si ferma la contrazione muscolare?

ATP è la valuta energetica della cella. Pertanto, è quasi sempre disponibile nei tessuti muscolari viventi. Tenendo conto di quanto sopra, ci devono essere meccanismi che consentono il rilassamento muscolare e l'arresto delle contrazioni.

Due proteine, chiamate tropomiosina e troponina, hanno un ruolo fondamentale in questo fenomeno. Questi lavorano insieme per bloccare i siti dell'Unione della miosina (impedendo così la loro unione con actin). Di conseguenza, il muscolo si rilassa.

Contrariamente, quando un animale muore sperimenta un fenomeno noto come Mortis Rigor. La persona responsabile di questo indurimento del corpo è il blocco dell'interazione tra miosina e actina, poco dopo la morte dell'animale.

Una delle conseguenze di questo fenomeno è la necessità di ATP per il rilascio delle due molecole proteiche. Logicamente, non c'è disponibilità ATP nei tessuti morti e questa versione non può verificarsi.

Altri tipi di movimento

Lo stesso meccanismo che descriviamo (in seguito approfondiremo il meccanismo alla base del movimento) non è limitato alle contrazioni muscolari degli animali. È responsabile dei movimenti ameboidali che osserviamo nelle amebe e in alcuni stampi coloniali.

Allo stesso modo, il movimento citoplasmatico che osserviamo nelle alghe e nelle piante terrestri è guidato da meccanismi simili.

Regolazione della polimerizzazione e della depolimerizzazione del filamento di actina

La contrazione del tessuto muscolare liscio e delle cellule produce un aumento dell'actina F e una diminuzione dell'actina G. La polimerizzazione dell'actina si verifica in tre fasi: 1) nucleazione, un passo lento; 2) allungamento, un passo rapido; e 3) stato stabile. La velocità di polimerizzazione è uguale alla velocità di depolimerizzazione.

Può servirti: teoria del fissaggio: concetto, postulati e autori

Il filamento di actina cresce più velocemente alla fine (+) rispetto alla fine (-). La velocità di allungamento è proporzionale alla concentrazione di monomeri di actina in equilibrio con filamenti di actina, chiamati concentrazione critica (CC).

Il CC per la fine (+) è 0,1 µm e per la fine (-) è 0,8 µm. Ciò significa che è necessaria 8 volte meno concentrazione di monomeri di actina per polimerizzare la fine (+).

La polimerizzazione dell'actina è principalmente regolata da BETA4 SCAMS (TB4). Questa proteina unisce l'actina G e la mantiene, prevenendo la polimero. Mentre la propilina stimola la polimerizzazione dell'actina. Il profilo si lega ai monomeri di actina che facilitano la polimerizzazione entro la fine (+), mediante dissociazione del complesso Actin-TB4.

Altri fattori come l'aumento degli ioni (NA⁺, K⁺ o mg⁺²) favorire la formazione di filamenti.

Formazione di citoscheletro di actina

La formazione del citoscheletro di actina richiede l'elaborazione dei legami incrociati tra i filamenti di actina. Questi collegamenti formano proteine, i cui punti salienti sono: hanno domini di unione per actina; Molti hanno domini omologhi alla calponina; e ogni tipo di proteina è espresso in un certo tipo di cellula.

Nei filopodi e nelle fibre di stress, i legami incrociati tra filamenti di actina sono realizzati da fascia e filamine. Queste proteine, rispettivamente, rendono i filamenti di actina paralleli o hanno angoli diversi. Pertanto, i filamenti di actina definiscono la forma della cellula.

La regione cellulare con la più alta quantità di filamenti di actina si trova vicino alla membrana plasmatica. Questa regione si chiama Cortex. Il citoscheletro corticale è organizzato in diverse forme, a seconda del tipo di cellula, e si collega alla membrana plasmatica mediante il fissaggio delle proteine.

Alcuni dei citoscheletri meglio descritti sono cellule muscolari, piastrine, cellule epiteliali ed eritrociti. Ad esempio, nelle cellule muscolari, la proteina fissativa della distrofina si unisce ai filamenti di actina a un complesso glicoproteico completo della membrana. Questo complesso si lega alle proteine ​​della matrice extracellulare.

Modello di interazione dell'actina-miosina

I ricercatori di Rayment -led hanno proposto un modello a quattro fasi per spiegare l'interazione di actina e miosina. Il primo passo si verifica con l'Unione di ATP alle teste di miosina. Questa unione genera un cambiamento conformazionale nella proteina, rilasciandolo dall'actina nel piccolo filamento.

Quindi, l'ATP viene idrolizzato per ADP, rilasciando un fosfato inorganico. La molecola di miosina è ancorata a una nuova subunità di actina, generando uno stato ad alta energia.

Il rilascio di fosfato inorganico porta con sé un cambiamento nella miosina, tornando alla conformazione iniziale e al movimento dei piccoli filamenti, rispetto ai filamenti spessi, rispetto ai filamenti spessi. Questo movimento provoca il movimento delle due estremità del sarcamer, avvicinandosi a loro.

L'ultimo passaggio prevede il rilascio di ADP. A questo punto la testa della miosina è gratuita e può unirsi a una nuova molecola ATP.

Può servirti: biologia: storia, quali studi, rami, basi

Movimento cellulare guidato dalla polimerizzazione dell'actina

La motilità del rettore è un tipo di motilità cellulare. I passaggi di questo tipo di motilità sono: proiezione dell'asse principale dell'adesione al substrato; adesione al substrato; retrazione posteriore; e Des-Adesion.

La proiezione dell'asse principale richiede la partecipazione di proteine, che partecipano alla polimerizzazione e alla depolimerizzazione dei filamenti di actina. L'asse principale si trova nella corteccia cellulare, chiamata lamellipodio. Le fasi di proiezione dell'asse sono:

- Attivazione del recettore mediante segnale extracellulare.

- Formazione di GTPASA attivi e fosfoinositolo 4.5-Bishoposfato (PIP₂).

- Attivazione della proteina WASP/Scar e ARP2/3, che si lega ai monomeri di actina per formare ramificazioni nei filamenti di actina.

- Rapida crescita dei filamenti di actina, alla fine decorata con miosina, ramifica. La spinta della membrana è prodotta in avanti.

- Culmina di allungamento prodotto dalle proteine ​​di copertura.

- Idrolisi ATP attaccata all'actina nei filamenti più antichi.

- Depolimerizzazione dell'actina-AD dei filamenti promossi da ADF/Cofilina.

- Exchange ADP da parte di ATP catalizzato da Profilaine, generando actina G-ATP pronta per iniziare le ramificazioni elongari.

Malattie correlate all'actina

Distrofia muscolare

La distrofia muscolare è una malattia degenerativa del muscolo scheletrico. È ereditato in modo recessivo ed è collegato al cromosoma X. Colpisce principalmente gli uomini con un'alta frequenza nella popolazione (uno su 3.500 uomini). Le madri di questi uomini sono eterozigoti asintomatiche e possono mancare di storia familiare.

Esistono due forme di distrofia muscolare, Duchenne e Becker, ed entrambi sono causati da difetti nel gene della distrofina. Questi difetti sono costituiti da eliminazioni che eliminano gli assoni.

La distrofina è una proteina (427 kDa) che forma legami incrociati tra filamenti di actina. Ha una padronanza dell'Unione per actina nel N-terminale e una padronanza dell'unione di membrana nel terminale C. Tra i due domini c'è un terzo dominio tubulare formato da 24 ripetizioni in tandem.

Nel reticolo corticale muscolare, la distrofina partecipa all'Unione dei filamenti di actina sulla membrana plasmatica attraverso un complesso glicoproteico. Questo complesso si lega anche alle proteine ​​della matrice extracellulare.

Nei pazienti che non hanno la distrofina funzionale, con la distrofia muscolare di Duchenne, il citoscheletro corticale non supporta la membrana plasmatica. Di conseguenza, la membrana plasmatica è danneggiata dallo stress di ripetute contrazioni muscolari.

Riferimenti

1. Devlin, t.M. 2000. Biochimica. Redazione editoriale, Barcellona.
2. Gunst, s.J., e Zhang, W. 2008. Actina Dynamic citoscheletrico nella muscola liscia: un nuovo paradigma per la regolazione della contrazione della muscolatura liscia. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
3. Lodish, h., Berk, a., Zipurski, s.L., Matsudaria, p., Baltimora, d., Darnell, J. 2003. Biologia cellulare e molecolare. Editoriale Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Messico, Sāo Paulo.
4. Nelson, d. L., Cox, m. M. 2008. Leynninger-Principles of Biochemistry. W.H. Freeman, New York.
5. PfaEndtner, j., Dalla croce, e. M., Voth, g. 2010. Rimodellamento del filamento di actina per fattore di depolimerizzazione dell'actina/cofilina. PNAS, 107: 7299-7304.
6. Pollard, t.D., Borisy, g.G. 2003. Motilità cellulare guidata dall'assemblaggio e dallo smontaggio delle riempimenti di actina. Cell, 112: 453-465.