Contracción muscular y citoesqueleto

• Biología Celular - Bloque 2: Estructura y Función de las Células*

Citoesqueleto y Movimiento Celular

• La unidad didáctica 7 trata sobre el citoesqueleto y el movimiento celular.
• Los temas tratados serán la estructura y organización de los filamentos de actina, actina, miosina y movimiento celular, filamentos intermedios, microtúbulos y motores microtubulares y movimientos.

El citoesqueleto

• Está formado por una red de filamentos de proteína que se extiende por el citoplasma.
• Proporciona un armazón estructural para la célula, determinando la forma celular y la organización general del citoplasma.
• Es responsable de los movimientos de la célula a través de movimientos celulares en conjunto, transporte interno de los orgánulos y otras estructuras a través del citoplasma.
• Es una estructura dinámica que se reorganiza continuamente según las células se mueven y cambian de forma.
• Está constituido por tres tipos de filamentos de proteína: filamentos de actina (o microfilamentos), microtúbulos y filamentos intermedios, y se mantiene unido a los orgánulos intracelulares y a la membrana plasmática mediante proteínas accesorias.

Estructura y Función de los filamentos de Actina

• La proteína citoesquelética más abundante en la mayoría de las células es la actina.
• La actina polimeriza formando filamentos llamados microfilamentos.
• Son fibras delgadas y flexibles de aproximadamente 7 nm de diámetro y varios micrómetros de longitud.
• Se organizan en estructuras de orden superior, formando haces o redes tridimensionales con propiedades de gel semisólido.
• Se asocian a la membrana plasmática y otras estructuras celulares.
• La interacción entre los filamentos de actina y con otras estructuras celulares se regulan mediante proteínas de unión a la actina.
• Los filamentos de actina abundan sobre todo debajo de la membrana plasmática, donde forman una red que proporciona soporte mecánico, determina la forma celular y permite el movimiento de la superficie celular.

Ensamblaje y Desemsamblaje de los Filamentos de Actina

• La actina presenta entre el 5% y el 10% de las proteínas totales de las células eucariotas, llegando al 20% en células musculares.
• Las células eucariotas superiores contienen varios tipos de actina codificados por genes diferentes.
• Los mamíferos tienen 6 tipos de actina, de los cuales 4 se expresan en distintos tipos de músculo, y 2 en el resto de células.
• Todas las actinas tienen una secuencia de aminoácidos muy similar que se ha conservado evolutivamente.

Ensamblaje y Desemsamblaje

• Los monómeros de actina son proteínas globulares de 375 aa con una masa de 43KDa, también conocidas como actina globular G.
• Cada monómero interacciona cabeza con cola con otros monómeros para polimerizar y formar filamentos, generando actina filamentosa F.
• En los filamentos de actina, cada monómero se encuentra girado 166º, lo que da a los filamentos una apariencia de hélice de doble cadena.
• Los monómeros se encuentran orientados en la misma dirección, lo que da al filamento cierta polaridad.
• En condiciones fisiológicas, los monómeros de actina se polimerizan para formar filamentos.
• El primer paso de la polimerización de actina o nucleación es la formación de un acúmulo compuesto por tres monómeros de actina.
• Los filamentos de actina crecen mediante adición reversible de monómeros en ambos extremos llamado extremo (+) o protuberante, y extremo (-), o puntiagudo.
• El extremo (+) o protuberante se alarga 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.

Ensamblaje y Desensamblaje de los Filamentos de Actina

• La actina unida al ATP se asocia con sus extremos (+) o protuberantes del filamento de actina de crecimiento rápido.
• Luego, se produce la hidrólisis del 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 al ADP se disocian del extremo (-), o puntiagudo, mientras que los monómeros actina-ATP se añaden al extremo (+).
• El intercambio rotatorio o "treadmilling" denota este fenómeno.
• El ensamblaje y desensamblaje de los filamentos de actina está regulado por proteínas de unión a la actina.
• El paso limitante de la formación de los filamentos de actina es la nucleación.
• Se necesita el alineamiento correcto de los tres primeros monómeros de actina para su polimerización.
• Este proceso es facilitado por la formina, una proteína de unión de la actina.
• Cada subunidad del dímero de formina se une a un monómero de actina para permitir la unión posterior de los demás subunidades.
• Las forminas están asociadas a la profilina, que estimulan el intercambio de ADP unido por ATP en los monómeros de actina.
• Las proteínas Arp2/3 inician el crecimiento de filamentos de actina ramificados.
• Estas proteínas desempeñan un papel fundamental en el impulso del movimiento celular en la membrana plasmática.
• Se unen cerca del extremo protuberante de los filamentos e inician la formación de una nueva rama.
• Muchos filamentos de actina son relativamente estables debido a proteínas de caperuza que se unen a sus extremos.
• También, muchos filamentos se estabilizan debido a proteínas de estabilización como los miembros de la familia de las tropomiosinas.
• Los tropomiosinas son proteínas fibrosas de 30-36 kDa que se unen en sentido longitudinal a lo largo de los surcos del filamento de actina.
• Hay más de 40 proteínas distintas de tropomiosina codificadas por splicing por únicamente 4 genes.
• Otras proteínas de unión a la actina re modelan los filamentos existentes en lugar de estabilizarlos.
• Las cofilinas cortan los filamentos de actina, generando nuevos extremos de los filamentos que son accesibles para la despolarización de sus extremos puntiagudos o crecimiento en sus extremos protuberantes.

Organización de los Filamentos de Actina

• Los filamento de actina se ensamblan en dos tipos generales de estructura, llamados haces de actina y redes de actina.
• En los haces, los filamentos de actina se unen con puentes cruzados para disponerse en estructuras paralelas estrechamente agrupadas.
• En las redes, los filamentos de actina se unen por puentes cruzados con una disposición ortogonal más holgada, formando mallas tridimensionales con propiedades de geles semisólidos.
• Las proteínas de unión a la actina relacionadas con los puentes cruzados tienen al menos dos dominios de unión, lo que le permite fijar y entrecruzar dos filamentos de actina diferentes.
• La naturaleza de la asociación viene determinada por el tamaño y las formas de las proteínas de entrecruzamiento.
• Los haces son pequeñas y rígidas, que alinean los filamentos estrechamente unos con otros.
• Las redes red es más largas y flexibles y pueden establecer puentes de unión entre filamentos perpendiculares.
• Hay dos tipos de haces de actina distintos tanto estructural como funcionalmente, tanto haces paralelos como contráctiles
• Los haces paralelos contienen filamentos de actina muy agrupados y paralelos.
• Los haces paralelos sostienen a las proyecciones de la membrana plasmática, como las microvellosidades.
• Todos los filamentos tienen la misma polaridad, con los extremos protuberantes adyacentes a la membrana plasmática.
• La fimbrina es una proteína formadora de haces.
• Es una proteína de 68kDa con dos dominios adyacentes de unión a la actina, y se une a los filamentos manteniendo unidos ambos filamentos paralelos.
• Los haces contráctiles presentan filamentos más espaciados que son capaces de contraerse.
• La a-actinina funciona como proteína de entrecruzamiento en este tipo de haces.
• Se une a los filamentos de actina como un dímero, siendo cada una de las subunidades una proteína de 102 kDa que contiene un único sitio de unión a la actina.
• Los filamentos entrelazados por la α-actinina se encuentran separados por distancias mucho mayor que la fimbrina.
• En las redes los filamentos de actina se mantienen unidos mediante proteínas de unión de gran tamaño como la filamina.
• La filamina se fija como un dímero de dos subunidades de 280 kDa, con dominios de unión y dominios de dimerización en extremos opuestos.
• Forma puentes cruzados entre filamentos de actina ortogonales, creando una malla tridimensional holgada subyacente a la membrana plasmática.
• Esa malla proporciona soporte estructural a la superficie de la célula.
• La red de filamentos de actina y de proteínas asociadas subyacente a la membrana plasmática recibe el nombre de córtex celular.
• Configura la forma y el movimiento celular, con espectrina relacionada con la filamina proporcionando la base estructural.
• Espectrina es un tetrámero de dos cadenas polipeptífdicas diferentes, denominadas a y ẞ, con un peso molecular de 240 y 220 kDa.
• Las cadenas a y ẞ se unen para formar tetrámeros con dos ABD separados aproximadamente por 200 nm.
• Los extremos de los tetrámeros de espectrina se asocian con filamentos cortos de actina, resultando en una red espectrina-actina conformando el citoesqueleto cortical de los eritrocitos.
• La propia espectrina se puede unir a los fosfolípidos de la membrana.
• El principal nexo de unión entre la red espectrina-actina del citoesqueleto cortical lo proporciona la anquirina mediante el dominio citoplásmico a la proteína transmembrana llamada Banda 3.
• Un nexo adicional es la proteína 4.1 que reconoce las uniones espectrina-actina y el dominio citoplasmático de la glicoforina.
• La distrofina une a filamentos de actina del citoesqueleto cortical a la membrana plasmática, pero es abundante en células musculares.
• Las mutaciones del gen que codifica para la distrofina provocan distintos tipos de distrofias musculares esqueléticas.
• La distrofina forma dímeros que fijan los filamentos de actina a proteínas transmembrana.
• Las proteínas transmembrana fijan el citoesqueleto a la matriz extracelular para mantener la estabilidad celular durante la contracción.

Microvellosidades

• Son extensiones digitiformes de la membrana plasmática, abundantes en la superficie epitelial.
• Forman una capa llamada borde en cepillo que aumenta la superficie útil de absorción entre 10-20 veces.
• Los estereocilios son formas de microvellosidades especializadas en células auditivas.
• Los microvellosidades intestinales contienen entre 20 a 30 filamentos de actina estrechamente agrupados y enlazados por la fimbrina.
• La villina es la proteína formadora de haces de actina más importante en microvellosidades, y los haces de actina se unen a la membrana plasmática a través de brazos laterales constituidos por la proteína fijadora de calcio, llamada calmodulina.
• Los haces de actina se anclan a una región rica en espectrina del citoesqueleto cortical llamada red terminal, que entrelaza y estabiliza las microvellosidades.

Protrusiones de la Superficie Celular y los Movimientos de las Células

• A diferencia de las microvellosidades, muchas protuberancias celulares son estructuras transitorias en respuesta a estímulos ambientales.
• Los movimientos se basan en extensiones locales de la membrana plasmática que se prolongan.
• La formación y retracción de estas estructuras se basa en el ensamblaje y desensamblaje regulado de los filamentos de actina.
• Los pseudópodos son extensiones de un ancho moderado con filamentos de actina entrelazados que son responsables de la fagocitosis.
• Los lamelipodios son extensiones anchas, laminares, del borde apical de los fibroblastos, que contienen una red de filamentos de actina.
• Los filópodos son prolongaciones muy delgadas de la membrana plasmática sustentada por haces de actina que se extienden desde lamelipodios.
• El movimiento celular o extensión de las largas prolongaciones se basan en movimientos coordinados.
• Los tipos pseudópodos, lamelipodios o filópodos deben extender extensiones.
• Estas extensiones deben fijarse al sustrato para moverse, y el borde trasero debe disociarse del sustrato y retraerse.
• En los filamentos de actina se necesita ramificación y polimerización.
• Las células se mueven como respuesta a señales de otras células por medio de moléculas de unión al GTP de la familia Rho que estimulan el movimiento.
• Las señales activan receptores que activa miembros de la familia Rho, que promueve la polimerización de actina.
• Los miembros de la familia Rho activan miembros de las la familia WASP, que a su vez estimulan el complejo Arp2/3.
• Los miembros de la familia Rho también activan forminas, mientras que la cofilina desempeña un papel en la remodelación de filamentos de actina.
• Los filamentos de actina en crecimiento empujan a la membrana plasmática y activan la formación de protrusiones en la superficie celulares.

Motores de Miosina

• Filamentos de actina, generalmente con miosina, son responsables movimientos celulares.
• La miosina es el prototipo de motor molecular, convirtiendo ATP en energía mecánica que genera fuerza y moción.
• Las interacciones entre los filamentos de actina y la miosina intervienen en la contracción muscular, división celular, transporte de vesículas y de orgánulos.
• Existen tres clases de células musculares, como son esqueléticas, cardiacas y lisas, que se organizan con un patrón de estriaciones transversales.
• Los musculos esqueléticos consiste en haces de fibras musculares compuestas por miofibrillas cilíndricas y estriadas, constituido miofilamentos con filamentos gruesos de miosina de 15 nm de diámetro y filamentos delgados de actina de 7nm de diámetro, dispuestos como estructuras contráctiles.
• Estos elementos contráctiles se organizan formando sarcómeros.

Los Sarcómeros

• Constan de varias zonas diferenciadas, con una longitud de 2,3 µm.
• El disco Z representa los extremos y en cada sarcómero se alternan bandas oscuras y claras.
• Estas bandas se corresponden a la presencia o ausencia de filamentos de miosina.
• Los filamentos de actina y miosina se solapan en los extremos de la banda A donde la región intermedia son filamentos de miosina solamente.
• Los filamentos de actina se unen al dico z y contienen α-actinina, y los filamentos de miosina se unen en la zona média del sarcómero, llamada línea M.
• El modelo del deslizamiento de los filamentos sirve para comprender la contricción muscular.
• En la contracción muscular cada sarcómero se encoge, las bandas I y las zonas H desaparecen completamente.
• Esto es porque los filamentos de actina y de miosina se deslizan, causando la superposición de banda A, y la zona H queda ocupada por filamentos de actina.
• La contracción implica una interacción con miosina que genera el movimiento.

Miosina II

• Es el tipo de miosina presente en el músculo.
• Es una proteína grande (500 kDa), constituida por dos cadenas pesadas idénticas (200 kDa), que constan de una cabeza globular y una cola larga en a-Helice.
• Contiene dos pares de cadenas ligeras (20 kDa cada una), compuestas por cadena ligera esencial (ELC) y cadena reguladora ligera (RLC).
• Las colas a-Hélices de dos cadenas enrollan el dímero, y las cadenas ligeras se asocian con el cuello de cada region de la cabeza.
• Los filamentos gruesos del músculo están formados por varios cientos de moléculas de miosina dispuestas interaccionado por las colas.
• Las cabezas globulares interaccionan utilizando puentes cruzados con la activa de los filamentos.
• Esto invierte la orientación a partir de la línea M, de modo que todos de actina y miosina están en la misma dirección.
• Se produce la contraacción por un proceso de movimiento de los grupos por la actina, dirigiendo el extremo protuberante del filamento.
• Esto desliza la actina desde los lados del sarcómero hacia la línea M.

Actividad de la Miosina con ATP

• El ciclo empieza con la miosina unida fuertemente a la actina, en ausencia del ATP.
• Al unirse el ATP, el se disocia el complejo e induce unos cambios conformacionales en la miosina.
• Esto afecta al cuello de la miosina une las cadenas ligeras como un brazo de palanca separando la cabeza por unos 5 nm.
• La cabeza ahora puede unirse al filamento nuevo en una la liberación de Pi y ADP vuelve cabeza de miosina, desplazando actina a la línea M.
• La contracción del músculo esquelético de Ca2+ que libera la miosina sarcoplásmico.
• EL RE almacena incrementando Ca2+
• El aumento de Ca2+ con las proteínas actina y miosina.
• Las moléculas de tropomiosina se unen a troponinas formando inhibitorio y de unión.
• En concentraciones bajas de Ca2+ troponinas con tropomiosina actúa de bloqueo.
• En altas concentraciones del acceso a estos inhibe la disposición del complejo, y altera.

Asociaciones Contráctiles de Actina y Miosina

• Los filamentos de actina en estos ensamblajes se entremezclan con los filamentos bipolares II, y producen contracción, y no forman sarcómeros.

En Células No Musculares

• En células no musculares, la contracción se regula mediante fosforilación de las cadenas ligeras II.
• Los efectos de la fosforilación promueven los filamentos, y permite su activa.
• La enzima es llamada con la unión al Calmodulina.
• El Ca2+ del promueve su unión y de la filamentos, resultando la ligera.
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Microtubulos

• Tienen un diámetro 25 nm con distintas funciones.
• Participan en celular.
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Estructura y organización de los microtubulos

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Este cuestionario explora la función de proteínas clave como la titina y la nebulina en la contracción muscular. También abarca el papel de la distrofina y la importancia del citoesqueleto en la función celular, incluyendo estereocilios y microvellosidades.