Actina y Miosina: Funciones Celulares

Biología Celular: Citoesqueleto y Movimiento Celular

• El citoesqueleto es una red de filamentos proteicos que se extiende por el citoplasma, proveyendo un armazón estructural y determinando la forma y organización de la célula.
• Es responsable del movimiento celular, el transporte interno de orgánulos y otras estructuras dentro del citoplasma.
• Es una estructura dinámica que se modifica según los movimientos y cambios de forma de la célula.
• Constituido por filamentos de actina (o microfilamentos), microtúbulos y filamentos intermedios, unidos por proteínas accesorias.

Estructura y Función de los Filamentos de Actina

• La actina es la proteína citoesquelética más abundante en la mayoría de las células.
• Los filamentos de actina, también conocidos como microfilamentos, se forman por la polimerización de actina.
• Fibras delgadas y flexibles de aproximadamente 7 nm de diámetro y hasta varios micrómetros de longitud.
• Se organizan en haces o redes tridimensionales con propiedades de gel semisólido.
• Se asocian con la membrana plasmática y otras estructuras celulares.
• La interacción de los filamentos de actina con otras estructuras celulares se regula mediante proteínas de unión a actina.
• Abundan debajo de la membrana plasmática, formando una red que proporciona soporte mecánico, determina la forma celular y permite el movimiento de la superficie celular.

Ensamblaje y Desensamblaje de los Filamentos de Actina

• La actina representa entre el 5% y el 10% de las proteínas totales en células eucariotas (20% en células musculares).
• Las células eucariotas superiores contienen varios tipos de actina, codificados por diferentes genes.
• En mamíferos, 6 tipos de actina: 4 en músculos (esquelético, cardíaco y liso) y 2 en otras células.
• Las actinas presentan una secuencia de aminoácidos muy similar, conservada evolutivamente.
• Los monómeros de actina son proteínas globulares de 375 aa (43KDa), denominados actina globular G.
• Los monómeros interactúan "cabeza con cola" para polimerizar y formar filamentos (actina filamentosa F).
• En los filamentos, cada monómero está girado 166º, formando una hélice de doble cadena.
• Los monómeros se orientan en la misma dirección, lo que otorga polaridad al filamento.
• En condiciones fisiológicas se polimerizan para formar filamentos.
• La nucleación es el primer paso en la polimerización de actina, formando un acúmulo de tres monómeros.
• Los filamentos de actina crecen por la adición reversible de monómeros en ambos extremos, pero el extremo (+) o protuberante es de 5 a 10 veces más rápido que el extremo (-) o puntiagudo.
• Los monómeros de actina se unen a ATP, que se hidroliza tras el ensamblaje del filamento.
• La actina unida a ATP se asocia a los extremos (+) o protuberantes del filamento, de crecimiento rápido.
• A continuación, se produce la hidrólisis de ATP a ADP dentro del filamento.
• La actina-ADP se disocia de los filamentos con más facilidad que la actina-ATP.
• Los monómeros de actina unidos a ADP se disocian desde el extremo (-) o puntiagudo, mientras que los monómeros de actina-ATP se añaden al extremo (+).
• Se denomina intercambio rotatorio o "treadmilling" al fenómeno que ilustra el comportamiento dinámico de los filamentos de actina.

Regulación del Ensamblaje y Desensamblaje

• El proceso de nucleación es facilitado por la formina, una proteína de unión a la actina.
• Cada subunidad del dímero de formina se une a un monómero de actina.
• Forminas están asociadas a la profilina, estimulando el intercambio de ADP unido por ATP en los monómeros de actina.
• Las proteínas Arp2/3 inician el crecimiento de filamentos de actina ramificados, esenciales en el movimiento celular en la membrana plasmática.
• Muchas proteínas de caperuza se une a los extremos y proteínas de estabilización.
• Las tropomiosinas son proteínas fibrosas de 30-36 kDa que se unen longitudinalmente a lo largo de los surcos del filamento de actina.
• Otras proteínas de unión a la actina remodelan o modifican en lugar de estabilizarlos.
• Las cofilinas cortan los filamentos de actina, generando nuevos extremos accesibles para su despolarización o crecimiento.

Organización de los Filamentos de Actina

• Los filamentos de actina se ensamblan en haces o redes.
• En los haces, se unen por puentes cruzados en estructuras paralelas estrechamente agrupadas.
• En las redes, se unen por puentes cruzados con disposición ortogonal más holgada, formando mallas tridimensionales.
• Las proteínas de unión a actina con puentes cruzados tienen dos dominios de unión a actina, permitiendo fijar y entrecruzar filamentos diferentes.
• La naturaleza de la asociación depende del tamaño y forma de las proteínas de entrecruzamiento.
• Los haces tienen proteínas pequeñas y rígidas que alinean los filamentos estrechamente, mientras que las redes tienen proteínas más largas y flexibles que pueden establecer uniones perpendiculares.
• Existen dos tipos de haces de Actina distintos tanto estructural como funcionalmente.
  • Haces paralelos que contienen filamentos alineados en paralelo.
  • Haces contráctiles que están más espaciados y son capaces de contraerse.
• La filamina se fija como un dímero de dos subunidades de 280 kDa y forma puentes cruzados para generar la malla tridimensional en forma de V para dar soporte a la célula.
• La red subyacente a la membrana se conoce como córtex celular y configura su forma y movimiento.
• Espectrina es una proteína que proporciona la estructura al citoesqueleto cortical.
• Los extremos de los tetrámeros de espectrina se asocian con filamentos cortos de actina, formando una red espectrina-actina.
• La anquirina y la proteína 4.1 proporcionan nexos adicionales con la membrana plasmática _ La distrofina une filamentos de actina del citoesqueleto cortical a la membrana. _ Mutaciones en el gen de la distrofina provocan enfermedades en los músculos.

Microvellosidades

• Proyecciones digitiformes de la membrana plasmática, abundantes en la superficie de células implicadas en la absorción.
• Forman una capa llamada borde en cepillo que aumenta la superficie de absorción entre 10-20 veces.
• En células auditivas se denominan estereocilios y son responsables de la audición mediante la detección de las vibraciones sonoras.
• Microvellosidades intestinales contienen haces paralelos de 20-30 filamentos de actina, entrelazados por la fimbrina.
• Están unidas a la membrana plasmática por brazos laterales constituidos por proteína fijadora de calcio, calmodulina, en asociación con la miosina I.
• Se anclan en una red rica en espectrina del citoesqueleto cortical llamada red terminal.

Protrusiones de la Superficie Celular y Movimiento de las Células

• A diferencia de las microvellosidades, son estructuras transitorias que se forman en respuesta a estímulos ambientales.
• Se basan en extensiones locales de la membrana plasmática, reguladas por el ensamblaje y desensamblaje de filamentos de actina.
• Pseudópodos: extensiones de un ancho moderado, basados en actina entrelazados en una red tridimensional, responsables de la fagocitosis.
• Lamelipodios: extensiones anchas, laminares, que contienen una red de filamentos de actina.
• Filópodos: prolongaciones delgadas de la membrana plasmática, sustentadas por haces de actina.
• En primer lugar, se deben extender protrusiones del tipo pseudópodos, lamelipodios o filópodos para formar el borde delantero de la célula.
• El borde trasero de la célula ha de disociarse del sustrato y retraerse en el cuerpo celular.
• La formación de protrusiones en respuesta a estímulos externos es mediada por moléculas de unión al GTP de la familia Rho (Cdc42, Rho, Rac).
• Señales activan receptores en la membrana plasmática, activando miembros de la familia Rho, que promueven la polimerización de actina.
• Activación estimula el complejo ARP2/3.
• Los miembros de la familia Rho activan también forminas que extienden los filamentos ramificados iniciados por el complejo Arp2/3.
• La cofilina ejerce un papel fundamental en la remodelación de la red.

Motores de Miosina

• Filamentos de actina, asociados a la miosina, son responsables de movimientos celulares.
• La miosina es el prototipo de motor molecular, convierte la E química en forma de ATP y energía mecánica.
• Las interacciones actina-miosina intervienen en contracción muscular, división celular, transporte de vesículas y transporte de orgánulos.
• Las células musculares son altamente especializadas en la contracción.
• Los músculos esquelético y cardíaco tienen un patrón de estriaciones transversales organizadas y complejas.
• Músculos esqueléticos formados de fibras musculares.
• La contracción es el resultado de la interacción entre los filamentos de actina y miosina, generando movimiento relativo.
• La miosina II, presente en el músculo, es una proteína grande de aprox 500 kDa.
• Está constituida por dos cadenas pesadas idénticas, que constan de una cabeza globular y una cola larga en a-hélice.
• Filamentos gruesos del músculo formados por moléculas de miosina dispuestas en una longitud de 2,3µm.
• La orientación de los filamentos gruesos y microfilamentos de actina se invierte.
• La actividad de la miosina requiere de ATP. En ausencia de ATP, la miosina está unida fuertemente a la actina.
• La contracción del músculo esquelético se produce cuando impulsos nerviosos producen la liberación de calcio, la troponina, en el número, que altera la disposición permitiendo el acceso a las cabezas de miosina y aumenta el número de actinas accesibles.
• Los filamentos de actina en ensamblajes contráctiles se intercala cn filamentos bipolares.
• En células no musculares, la contracción se regula por cadenas ligeras de la miosina II, la fosforilación y el aumento de calcio.

Miosinas No Convencionales

• Hay más de 20 tipos de miosinas en las celulas no musculares
• No forman filamentos y no participan en la contracción.
• La miosina 1 de mucho menor tamaño a la miosina II, transportan cargas a través de los filamentos de actina.
• La miosina V esun dímero con dos cabezas que transportan vesículas a lo largo de los filamentos de actina.

Microtúbulos

• Son un componente principal del citoesqueleto celular hechos de estructuras rígidas (25nm de diámetro y dinámicas).
• Determinan la forma de las células y juegan papel en el transporte de orgánulos y separación de cromosomas en la mitosis
• Pueden sufrir ciclos rápidos de ensamblaje y desensamblaje.
• Compuestos por la tubilina (dímeros compuestos por alfa y beta tubulina con un peso de 55 KDa).
• En general se componen de 13 protofilamentos lineales constituidos por dímeros dispuestos en paralelo y orientados.
• Estructuras polares y dinámicas formadas por la tubilina (dímeros formados por alfa y beta tubulina de 55 kDa).

Estabilización de Microtúbulos

• Los microtúbulos estabilizados por los ‘menos’ tienen un comportamiento conocido como inestabilidad dinámica.
• Dicha inestabilidad se debe a la hidrólisis de GTP unido a la beta tubulina.
• El crecimiento continua donde exista una concentración elevada de tubulina unida al GTP.
• Si la GTP se hidroliza la presencia de tubulina unida a GDP lleva al desensamblaje y acortamiento.
• De esta forma los microtúbulos mantienen una vida media que es importante para los ciclos celulares.
• Proteínas asociadas a los microtúbulos (MAP) y los extremos ‘menos’ se estabilizadores para que no haya Despolimerización.

Centrosoma

• El centrosoma es parte fundamental como centro de organización de microtúbulos en las las células animales.
• La proteína clave en los centrosomas es la gáma-tubulina, que nuclea el ensamblaje.
• La gáma-tubulina está asociada a 8+ proteínas con forma de anillo.
• Funcionan para la organización celular, función de flagelos y cilios y división celular.
• Los defectos en la estructura e número pueden tener consecuencias para funciones del organismo.
• Supernumerarios pueden llevar a la agrupación del centrosoma alterando la polaridad del desarrollo normal.
• Poseen dos extensiones denominadas dendritas y axones, y se organizan en función de MAP.

Motores Microtubulares

• Los microtúbulos son responsables de los movimientos.
• El movimiento es generado por polimerización y despolimerización.
• Los procesos utilizan la acción de proteínas motoras con energía derivada del ATP.
• Tipos de proteína motora:
  • Quinesinas y tineínas que se mueven a lo largo de los microtúbulos en direcciones distintas.

Proteínas Motoras Microtubulares

• La quinesina I, consiste de 380 kDa y tiene funciones de transporte intracellular.
• La tineína consiste de 2000 kDa y responsable del latido de los cilios y desplazamiento en los microtúbulos citoplásmicas, se une a otras estructuras celulares (vesículas y organelos) Y A quinesina I y otros miembros de la familia se dirigen hacia extremo más y transportan vesículas a los extremos
• La tineína otros miembros se dirigen al extremo menos , unen en el centro de la célula.

Cilios y Flagelos

• Son prolongaciones de la membrana plasmática constituidas por microtúbulos, responsables del movimiento de varios tipos de células eucariotas.
• Son muy similares, sin embargo varian en longitud y número.

Axonema

• Estructura fundamental tanto de cilios como de flagelos.
• Los microtúbulos está dispuestos en 9+2 con un par central rodeado por dobletes.
• Constan también de la Dineina que dirige la actividad para el batido de los cilios.
• Los extremos están unidos al cuerpo basal con las membranas apicales que se unen al doblete para hacer el movimiento de los microtúbulos en los cilios y flagelos.

Reorganización de Microtúbulos Durante la Mitosis

• Los microtúbulos intervienen en la mitosis de 4 tipo:

  -Cinetocoricos se unen a cromosomas creando un cinetócoro. -Cromosomicos: conectan a los extremos. -Interpolares: no se unen pero se encuentran en el husto mitótico. -Astrales: van de los centrosomas a la perifería.

• El conjunto de microtúbulos presentes en las células interfásicas se disgrega .

• Durante la anafase A, se presenta un movimiento hacia polos de áster sobre los microtúbulos.

• Durante la anafase B, hay una separación de polos que produce su deslizamiento hasta que se separan hasta el uso.

• Al momento del movimiento de los cromosomas se unen las quinesinas que acortan los microtúbulos.

Ensamble de los Filamentos Intermedios

• Contienen hélices alfa que seenrolla entre sí y forman dímeros escalonados que se asocian y así pueden constituir protofilamentosenrollados para finalmente hacer las interacciones.
• Se asocian para crear la estructura interna en las células.

Este cuestionario explora las funciones de la actina y la miosina. Incluye preguntas sobre el papel de la cofilina, el uso de energía por la miosina, y la relación funcional entre los filamentos de actina y la miosina. También aborda la función de la titina y la nebulina en el sarcómero durante la contracción muscular.