- Struttura: filamenti di actina
- Actin G e actin F
- Dove troviamo l'actina?
- caratteristiche
- Caratteristiche
- Contrazione muscolare
- Come si verifica la contrazione muscolare?
- Come si ferma la contrazione muscolare?
- Altri tipi di movimento
- Regolazione della polimerizzazione e depolimerizzazione del filamento di actina
- Formazione del citoscheletro di actina
- Modello d'azione di interazione actina-miosina
- Movimento cellulare guidato dalla polimerizzazione dell'actina
- Malattie correlate all'actina
- Distrofia muscolare
- Riferimenti
L' 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% delle proteine nelle cellule non muscolari.
Questa proteina, insieme ai filamenti intermedi e ai microtubuli, 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 in piante, funghi e animali.
Fonte: Sarcomere.svg: lavoro derivato di David Richfield (utente Slashme): Retama
Le isoforme del citoscheletro di actina hanno diverse funzioni, come: regolazione nello sviluppo della tensione attiva nella muscolatura liscia, ciclo cellulare, sviluppo dell'embrione, sviluppo dei tessuti e guarigione delle ferite.
Da un punto di vista evolutivo, l'actina è una proteina altamente conservata. C'è circa il 90% di omologia di sequenza in specie diverse. Negli organismi unicellulari, un singolo gene codifica per un'isoforma di actina. Mentre negli organismi multicellulari, geni diversi codificano più isoforme di actina.
L'actina, insieme alla miosina, erano strutture cruciali nell'evoluzione evolutiva degli organismi eucarioti e nella loro diversificazione, poiché consentivano il movimento in assenza di altre strutture, come flagelli e ciglia.
Struttura: filamenti di actina
L'actina è una proteina polipeptidica globulare a catena singola. Nel muscolo, l'actina ha una massa molecolare di circa 42 KDa.
Questa proteina ha due domini. Ciascuno ha due sottodomini e uno spazio tra i domini. ATP - Il Mg +2 si lega al fondo della fessura. I terminali ammino e carbossilici si incontrano nel sottodominio 1.
Actin G e actin F
Esistono due forme principali di actina: il monomero di actina, chiamato G-actina; e un polimero filamentoso, costituito da monomeri di actina G, chiamati actina F. I filamenti di actina, osservati al microscopio elettronico, hanno regioni strette e larghe, rispettivamente di 7 nm e 9 nm di diametro.
Lungo il filamento, i monomeri di actina formano una doppia elica strettamente compatta. Un'unità ripetitiva lungo il filamento è composta da 13 eliche e 28 monomeri di actina e ha una distanza di 72 nm.
Il filamento di actina ha due estremità. Uno è formato dallo spazio che unisce ATP - Mg +2 , che si trova nella stessa direzione in tutti i monomeri di actina del filamento, chiamato estremità (-); e l'altra estremità è l'opposto, chiamata estremità (+). Pertanto, si dice che il filamento di actina abbia polarità.
Questi componenti sono spesso noti come microfilamenti, poiché sono i componenti del citoscheletro con il diametro più piccolo.
Dove troviamo l'actina?
L'actina è una proteina estremamente comune negli organismi eucarioti. 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 compongono ha quasi 5,10 8 molecole di actina.
caratteristiche
Le due forme di actina, monomero e filamento, sono continuamente in equilibrio dinamico tra polimerizzazione e depolimerizzazione. In generale, ci sono tre caratteristiche salienti di questo fenomeno:
1) I filamenti di actina sono tipici della struttura del tessuto muscolare e del citoscheletro delle cellule eucariotiche.
2) La polimerizzazione e la depolimerizzazione è un processo dinamico regolato. Dove la polimerizzazione o l'aggregazione di monomeri di actina G - ATP - Mg +2 avviene ad entrambe le estremità. Se questo processo si verifica dipende dalle condizioni dell'ambiente e dalle proteine regolatrici.
3) La formazione di fasci e reticoli, che compongono il citoscheletro di actina, conferisce forza alla motilità cellulare. Ciò dipende dalle proteine coinvolte nella formazione dei legami incrociati.
Caratteristiche
Contrazione muscolare
L'unità funzionale e strutturale del muscolo scheletrico è il sarcomero, che ha due tipi di filamenti: i filamenti sottili, formati dall'actina, e i filamenti spessi, formati dalla miosina. Entrambi i filamenti sono disposti alternativamente, in un preciso modo geometrico. Consentono la contrazione muscolare.
I filamenti sottili sono ancorati a regioni chiamate dischi Z. Questa regione è costituita da una rete di fibre, in cui si trova la proteina CapZ, e alla quale sono ancorate le estremità (+) dei filamenti di actina. Questo ancoraggio impedisce la depolimerizzazione dell'estremità (+).
D'altra parte, la tropomodulina si trova alle estremità (-) dei filamenti di actina e li protegge dalla depolimerizzazione. Oltre all'actina, i filamenti sottili possiedono tropomiosina e troponina, che funzionano per controllare le interazioni dell'actomiosina.
Come si verifica la contrazione muscolare?
Durante la contrazione muscolare, i filamenti spessi eseguono movimenti di rotazione, tirando i filamenti sottili verso il centro del sarcomero. Questo fa scivolare le fibre grossolane e sottili.
Pertanto, la lunghezza dei filamenti spessi e sottili rimane costante, ma aumenta la sovrapposizione tra i due filamenti. La lunghezza del sarcomero diminuisce a causa dell'ancoraggio di sottili filamenti ai dischi Z.
Come si ferma la contrazione muscolare?
L'ATP è la valuta energetica della cellula. Pertanto, è quasi sempre disponibile nei tessuti muscolari viventi. Tenendo conto di quanto sopra, devono esserci meccanismi che permettano il rilassamento del muscolo e l'arresto delle contrazioni.
Due proteine, chiamate tropomiosina e troponina, svolgono un ruolo fondamentale in questo fenomeno. Questi lavorano insieme per bloccare i siti di legame della miosina (prevenendone così il legame con l'actina). Di conseguenza, il muscolo si rilassa.
Al contrario, quando un animale muore sperimenta un fenomeno noto come rigor mortis. Responsabile di questo indurimento della carcassa è il blocco dell'interazione tra miosina e actina, subito dopo la morte dell'animale.
Una delle conseguenze di questo fenomeno è la necessità di ATP per il rilascio delle due molecole proteiche. Logicamente, nei tessuti morti non c'è disponibilità di ATP e questo rilascio non può verificarsi.
Altri tipi di movimento
Lo stesso meccanismo che descriviamo (più avanti approfondiremo il meccanismo alla base del movimento) non è limitato alle contrazioni muscolari negli animali. È responsabile dei movimenti ameboidi che osserviamo nelle amebe e in alcune muffe coloniali.
Allo stesso modo, il movimento citoplasmatico che osserviamo nelle alghe e nelle piante terrestri è guidato da meccanismi simili.
Regolazione della polimerizzazione e 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 avviene in tre fasi: 1) nucleazione, una fase lenta; 2) allungamento, un passo veloce; e 3) stato stazionario. La velocità di polimerizzazione è uguale alla velocità di depolimerizzazione.
Il filamento di actina cresce più velocemente all'estremità (+) che all'estremità (-). La velocità di allungamento è proporzionale alla concentrazione di monomeri di actina in equilibrio con i filamenti di actina, chiamata concentrazione critica (Cc).
Il Cc per l'estremità (+) è 0,1 µM e per l'estremità (-) è 0,8 µM. Ciò significa che è necessaria una concentrazione 8 volte inferiore di monomeri di actina per polimerizzare l'estremità (+).
La polimerizzazione dell'actina è regolata principalmente dalla timosina beta4 (TB4). Questa proteina lega l'actina G e la trattiene, impedendole di polimerizzare. Mentre la profilina stimola la polimerizzazione dell'actina. Profilin si lega ai monomeri di actina, facilitando la polimerizzazione all'estremità (+), attraverso la dissociazione del complesso actina-TB4.
Altri fattori come l'aumento degli ioni (Na + , K + o Mg +2 ) favoriscono la formazione di filamenti.
Formazione del citoscheletro di actina
La formazione del citoscheletro di actina richiede la creazione di legami incrociati tra i filamenti di actina. Questi legami sono formati da proteine, le cui caratteristiche principali sono: hanno domini leganti l'actina; molti hanno domini omologhi alla calponina; e ogni tipo di proteina è espresso in un certo tipo di cellula.
Nelle fibre filopodia e stress, i legami incrociati tra i filamenti di actina sono costituiti da fascina e filamina. Queste proteine, rispettivamente, fanno sì che i filamenti di actina siano paralleli o abbiano angoli diversi. Pertanto, i filamenti di actina definiscono la forma della cellula.
La regione della cellula con il maggior numero di filamenti di actina si trova vicino alla membrana plasmatica. Questa regione è chiamata corteccia. Il citoscheletro corticale è organizzato in modi diversi, a seconda del tipo di cellula, ed è collegato alla membrana plasmatica tramite proteine leganti.
Alcuni dei citoscheletri meglio descritti sono le cellule muscolari, le piastrine, le cellule epiteliali e gli eritrociti. Ad esempio, nelle cellule muscolari, la proteina legante la distrofina lega i filamenti di actina a un complesso glicoproteico integrale nella membrana. Questo complesso si lega alle proteine della matrice extracellulare.
Modello d'azione di interazione actina-miosina
I ricercatori guidati da Rayment hanno proposto un modello in quattro fasi per spiegare l'interazione di actina e miosina. Il primo passaggio avviene con il legame dell'ATP alle teste della miosina. Questo legame genera un cambiamento conformazionale nella proteina, rilasciandola dall'actina nel filamento piccolo.
L'ATP viene quindi idrolizzato in ADP, rilasciando un fosfato inorganico. La molecola di miosina si lega a una nuova subunità di actina, generando uno stato ad alta energia.
Il rilascio di fosfato inorganico determina un cambiamento nella miosina, ritornando alla conformazione iniziale e al movimento dei filamenti piccoli, rispetto ai filamenti spessi, che si verificano. Questo movimento provoca il movimento delle due estremità del sarcomero, avvicinandole tra loro.
L'ultimo passaggio prevede il rilascio di ADP. A questo punto la testa della miosina è libera e può legarsi a una nuova molecola di ATP.
Movimento cellulare guidato dalla polimerizzazione dell'actina
La motilità strisciante è un tipo di motilità cellulare. Le fasi di questo tipo di motilità sono: proiezione dell'asse guida di adesione verso il supporto; adesione al supporto; retrazione posteriore; e disadesione.
La proiezione dell'asse leader richiede la partecipazione di proteine, che partecipano alla polimerizzazione e depolimerizzazione dei filamenti di actina. L'asse guida è nella corteccia cellulare, chiamata lamellipodio. Le fasi di proiezione dell'asse sono:
- Attivazione dei recettori tramite segnale extracellulare.
- Formazione di GTPasi attive e fosfoinositolo 4,5-bisfosfato (PIP 2 ).
- Attivazione delle proteine WASp / Scar e Arp2 / 3, che si legano ai monomeri di actina per formare rami nei filamenti di actina.
- Crescita rapida dei filamenti di actina, all'estremità del ramo decorata con miosina. La membrana viene spinta in avanti.
- Completamento dell'allungamento prodotto dalle proteine del mantello.
- Idrolisi dell'ATP legato all'actina nei filamenti più vecchi.
- Depolimerizzazione di actina-ADP dei filamenti promossi da ADF / cofilina.
- Scambio di ADP per ATP catalizzato dalla profilina, generando actina G-ATP pronta per iniziare ad allungare i rami.
Malattie correlate all'actina
Distrofia muscolare
La distrofia muscolare è una malattia degenerativa del muscolo scheletrico. Ha una trasmissione recessiva ed è legata al cromosoma X. Colpisce principalmente i maschi con un'alta frequenza nella popolazione (uno ogni 3.500 maschi). Le madri di questi uomini sono eterozigoti asintomatiche e possono non avere una storia familiare.
Esistono due forme di distrofia muscolare, Duchenne e Becker, ed entrambe sono causate da difetti nel gene della distrofina. Questi difetti consistono in delezioni che rimuovono gli assoni.
La distrofina è una proteina (427 KDa) che forma legami incrociati tra i filamenti di actina. Ha un dominio legante l'actina all'estremità N e un dominio legante la membrana all'estremità C. Tra i due domini c'è un terzo dominio tubolare composto da 24 ripetizioni in tandem.
Nel reticolo corticale muscolare, la distrofina partecipa al legame dei filamenti di actina alla membrana plasmatica attraverso un complesso glicoproteico. Questo complesso si lega anche alle proteine della matrice extracellulare.
Nei pazienti privi di distrofina funzionale con distrofia muscolare di Duchenne, il citoscheletro corticale non supporta la membrana plasmatica. Di conseguenza, la membrana plasmatica viene danneggiata dallo stress di ripetute contrazioni muscolari.
Riferimenti
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