MICROFILAMENTI: CARATTERISTICHE, STRUTTURA, FUNZIONI, PATOLOGIA - BIOLOGIA - 2025

I microfilamenti o filamenti di actina, sono uno dei tre componenti principali del citoscheletro delle cellule eucariotiche (microfilamenti, microtubuli e filamenti intermedi) e sono composti da piccoli filamenti di una proteina chiamata actina (polimeri di actina).

Negli eucarioti, i geni che codificano per i microfilamenti di actina sono altamente conservati in tutti gli organismi, motivo per cui sono spesso usati come marcatori molecolari per studi di vario genere.

Fotografia dei filamenti di actina di una cellula macchiata (Fonte: Howard Vindin tramite Wikimedia Commons)

I microfilamenti sono distribuiti in tutto il citosol, ma sono particolarmente abbondanti nella regione sottostante la membrana plasmatica, dove formano una rete complessa e si associano ad altre proteine ​​speciali per formare il citoscheletro.

Le reti di microfilamenti nel citoplasma delle cellule di mammifero sono codificate da due dei sei geni descritti per l'actina, che sono coinvolti nella dinamica dei microfilamenti e sono anche molto importanti durante la differenziazione delle cellule staminali.

Molti autori concordano sul fatto che i microfilamenti sono le proteine ​​più diverse, versatili e importanti nel citoscheletro della maggior parte delle cellule eucariotiche, ed è importante ricordare che questi non si trovano nei microrganismi procarioti.

In questo tipo di cellule, invece, sono presenti filamenti omologhi ai microfilamenti, ma costituiti da un'altra proteina: la proteina MreB.

Al momento, si pensa che il gene che codifica per questa proteina sia un possibile gene ancestrale per l'actina negli eucarioti. Tuttavia, l'omologia di sequenza degli amminoacidi che compongono la proteina MreB è solo del 15% rispetto alla sequenza di actina.

Poiché sono una parte fondamentale del citoscheletro, qualsiasi difetto fenotipico sia nei microtubuli che nei filamenti intermedi e nei microfilamenti di actina (citoscheletro) può causare diverse patologie cellulari e sistemiche.

Caratteristiche e struttura

I microfilamenti sono costituiti da monomeri proteici della famiglia dell'actina, che sono proteine ​​contrattili molto abbondanti nelle cellule eucariotiche, poiché partecipano anche alla contrazione muscolare.

Questi filamenti hanno un diametro compreso tra 5 e 7 nm, motivo per cui sono noti anche come filamenti sottili e sono costituiti da due forme di actina: la forma globulare (actina G) e la forma filamentosa (actina F).

Le proteine ​​che partecipano al citoscheletro sono note come actine γ e β, mentre quelle che partecipano alla contrazione sono solitamente actine α.

La proporzione di actina globulare e actina filamentosa nel citosol dipende dalle esigenze cellulari, poiché i microfilamenti sono strutture altamente variabili e versatili, che crescono e si accorciano costantemente per polimerizzazione e depolimerizzazione.

L'actina G è una piccola proteina globulare, composta da quasi 400 aminoacidi e con un peso molecolare di circa 43 kDa.

I monomeri di G-actina che compongono i microfilamenti sono disposti sotto forma di un filo elicoidale, poiché ognuno subisce una torsione quando associato al successivo.

L'actina G si associa a una molecola di Ca2 + e un'altra di ATP, che stabilizzano la sua forma globulare; mentre F-actina si ottiene dopo idrolisi del fosfato terminale della molecola di ATP in G-actina, che contribuisce alla polimerizzazione.

Organizzazione

I filamenti di actina possono essere organizzati in "fasci" o "reti" che hanno funzioni diverse all'interno delle cellule. I fasci formano strutture parallele collegate da ponti trasversali abbastanza rigidi.

Le reti, d'altra parte, sono strutture più sciolte, come reti tridimensionali con le proprietà dei gel semisolidi.

Ci sono molte proteine ​​che si associano a filamenti o microfilamenti di actina e sono conosciute come ABP (proteine ​​leganti l'actina), che hanno siti specifici per esso.

Molte di queste proteine ​​consentono ai microfilamenti di interagire con gli altri due componenti del citoscheletro: microtubuli e filamenti intermedi, nonché con gli altri componenti sulla faccia interna della membrana plasmatica.

Altre proteine ​​con cui interagiscono i microfilamenti includono le lamine nucleari e la spettrina (nei globuli rossi).

Come si formano i filamenti di actina?

Poiché i monomeri globulari di actina si legano sempre allo stesso modo, orientati nella stessa direzione, i microfilamenti hanno una polarità definita, con due estremità: una "più" e una "meno".

La polarità di questi filamenti è molto importante, poiché crescono notevolmente più velocemente alla loro estremità positiva, dove vengono aggiunti i nuovi monomeri di G-actina.

Rappresentazione grafica della formazione dei microfilamenti di actina (Fonte: lavoro derivato: Retama (talk) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström tramite Wikimedia Commons)

La prima cosa che avviene durante la polimerizzazione dei filamenti di actina è un processo noto come "nucleazione", che consiste nell'associazione di tre monomeri della proteina.

Nuovi monomeri vengono aggiunti a questo trimero ad entrambe le estremità, in modo che il filamento cresca. I monomeri di actina G sono in grado di idrolizzare l'ATP con ciascun legame, il che ha implicazioni per la velocità di polimerizzazione, poiché le frazioni actina-ATP si dissociano con maggiore difficoltà rispetto alle frazioni actina-ADP.

L'ATP non è necessario per la polimerizzazione e il ruolo specifico della sua idrolisi non è stato ancora chiarito.

Alcuni autori ritengono che, poiché gli eventi di polimerizzazione dell'actina sono rapidamente reversibili, l'ATP associato a questi processi può rappresentare fino al 40% del turnover cellulare totale di questa molecola energetica.

Regolamento

Sia la polimerizzazione dei filamenti di actina che la loro depolimerizzazione sono processi altamente regolati da una serie di proteine ​​specifiche, responsabili del rimodellamento dei filamenti.

Esempi delle proteine ​​che regolano la depolimerizzazione sono il fattore di depolimerizzazione dell'actina cofilina. Un'altra proteina, la profilina, ha una funzione opposta, poiché stimola l'associazione dei monomeri (stimolando lo scambio di ADP con ATP).

Caratteristiche

I microfilamenti interagiscono con i filamenti di miosina associati alle proteine ​​transmembrana che hanno un dominio nel citosol e un altro all'esterno della cellula, partecipando così ai processi di mobilità cellulare.

Questi microfilamenti associati alla membrana plasmatica mediano varie risposte cellulari a diverse classi di stimoli. Ad esempio, l'adesione cellulare nei tessuti epiteliali è guidata dalle proteine ​​transmembrana note come caderine, che interagiscono con i microfilamenti per reclutare fattori di risposta.

I filamenti di actina interagiscono con i filamenti intermedi per causare la trasmissione di stimoli extracellulari a siti chiave come ribosomi e cromosomi all'interno del nucleo.

Rappresentazione della funzione motoria intracellulare dei microfilamenti di actina (Fonte: Boumphreyfr tramite Wikimedia Commons)

Una funzione classica e ben studiata dei microfilamenti è la loro capacità di formare "ponti", "binari" o "autostrade" per il movimento della proteina motoria miosina I, che è in grado di caricare vescicole di trasporto dagli organelli alla membrana plasma nelle vie secretorie.

I microfilamenti interagiscono anche con la miosina II per stabilire l'anello contrattile che si forma durante la citochinesi, precisamente durante l'ultima fase della divisione cellulare in cui il citosol viene separato dalle cellule staminali e figlie.

In generale, i microfilamenti di F-actina modulano la distribuzione di alcuni organelli come il complesso di Golgi, il reticolo endoplasmatico e i mitocondri. Inoltre, partecipano anche al posizionamento spaziale degli mRNA in modo che vengano letti dai ribosomi.

L'intero insieme cellulare dei microfilamenti, specialmente quelli che sono strettamente correlati alla membrana plasmatica, partecipa alla formazione delle membrane ondulate delle cellule che hanno un movimento attivo costante.

Sono anche coinvolti nella formazione di microvilli e altre protuberanze comuni sulla superficie di molte cellule.

Esempio di funzioni nel fegato

I microfilamenti partecipano al processo di secrezione biliare negli epatociti (cellule del fegato) e anche ai movimenti peristaltici (contrazione coordinata) dei canalicoli epatici.

Contribuiscono alla differenziazione dei domini della membrana plasmatica grazie alla loro associazione con diversi elementi citosolici e al controllo che esercitano sulla topografia di questi elementi intracellulari.

Patologie correlate

Ci sono poche malattie associate a difetti primari nella struttura o con proteine ​​regolatrici ed enzimi nella sintesi dei microfilamenti, nonostante questi siano direttamente coinvolti in un gran numero di funzioni.

Il basso tasso di malattie e malformazioni nella struttura primaria dei microfilamenti è dovuto al fatto che, generalmente, sono presenti più geni che codificano sia l'actina che le sue proteine ​​regolatrici, fenomeno noto come “ridondanza genetica”.

Una delle patologie più studiate è la vetrificazione degli ovociti sul loro citoscheletro, dove si osserva un'interruzione nella rete dei microfilamenti corticali, nonché una depolimerizzazione e disorganizzazione dei microtubuli del fuso mitotico.

In termini generali, questa vetrificazione provoca una dispersione cromosomica, poiché porta ad uno squilibrio nella compattazione di tutta la cromatina.

Le cellule che hanno una maggiore organizzazione e proporzione di microfilamenti nel loro citoscheletro sono cellule muscolari striate, quindi la maggior parte delle malattie è associata a un malfunzionamento dell'apparato contrattile.

I microfilamenti difettosi o atipici sono stati anche associati alla malattia delle ossa nota come malattia di Paget.

Riferimenti

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