Diferencia entre revisiones de «Actina»

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*La [[citocalasina D]], un [[alcaloide]] producido por [[fungi|hongos]], se une al extremo (+) de la actina F impidiendo la adición de nuevos monómeros.<ref name=Cooper1987>{{citation | last = Cooper | first = J.A. | year = 1987 | title = Effects of cytochalasin and phalloidin on actin | journal = The Journal of Cell Biology | volume = 105 | issue = 4 | pages = 1473–1478 | doi = 10.1083/jcb.105.4.1473 | url = http://www.jcb.org/cgi/reprint/105/4/1473.pdf}}</ref> Se han descrito efectos de la citocalasina D, mediados por la disrupción de la dinámica de actinas, en la actividad de [[p53]] (en [[animalia|animales]])<ref name=Rubtsova1998>{{citation | last1 = Rubtsova | first1 = S.N. | last2 = Kondratov | first2 = R.V. | last3 = Kopnin | first3 = P.B. | last4 = Chumakov | first4 = P.M. | last5 = Kopnin | first5 = B.P. | last6 = Vasiliev | first6 = J.M. | year = 1998 | title = Disruption of actin microfilaments by cytochalasin D leads to activation of p53 | journal = FEBS Letters | volume = 430 | issue = 3 | pages = 353–357 | doi = 10.1016/S0014-5793(98)00692-9 | url = http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0014579398006929}}</ref> o en respuestas [[gravitropismo|gravitrópicas]] (en [[Plantae|plantas]]).<ref name=Staves1997>{{citation | last1 = Staves | first1 = M.P. | last2 = Wayne | first2 = R. | last3 = Leopold | first3 = A.C. | year = 1997 | title = Cytochalasin D does not inhibit gravitropism in roots | journal = American Journal of Botany | volume = 84 | issue = 11 | pages = 1530–1530 | doi = 10.2307/2446614 | url = http://www.amjbot.org/cgi/reprint/84/11/1530.pdf}}</ref>
*La [[citocalasina D]], un [[alcaloide]] producido por [[fungi|hongos]], se une al extremo (+) de la actina F impidiendo la adición de nuevos monómeros.<ref name=Cooper1987>{{citation | last = Cooper | first = J.A. | year = 1987 | title = Effects of cytochalasin and phalloidin on actin | journal = The Journal of Cell Biology | volume = 105 | issue = 4 | pages = 1473–1478 | doi = 10.1083/jcb.105.4.1473 | url = http://www.jcb.org/cgi/reprint/105/4/1473.pdf}}</ref> Se han descrito efectos de la citocalasina D, mediados por la disrupción de la dinámica de actinas, en la actividad de [[p53]] (en [[animalia|animales]])<ref name=Rubtsova1998>{{citation | last1 = Rubtsova | first1 = S.N. | last2 = Kondratov | first2 = R.V. | last3 = Kopnin | first3 = P.B. | last4 = Chumakov | first4 = P.M. | last5 = Kopnin | first5 = B.P. | last6 = Vasiliev | first6 = J.M. | year = 1998 | title = Disruption of actin microfilaments by cytochalasin D leads to activation of p53 | journal = FEBS Letters | volume = 430 | issue = 3 | pages = 353–357 | doi = 10.1016/S0014-5793(98)00692-9 | url = http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0014579398006929}}</ref> o en respuestas [[gravitropismo|gravitrópicas]] (en [[Plantae|plantas]]).<ref name=Staves1997>{{citation | last1 = Staves | first1 = M.P. | last2 = Wayne | first2 = R. | last3 = Leopold | first3 = A.C. | year = 1997 | title = Cytochalasin D does not inhibit gravitropism in roots | journal = American Journal of Botany | volume = 84 | issue = 11 | pages = 1530–1530 | doi = 10.2307/2446614 | url = http://www.amjbot.org/cgi/reprint/84/11/1530.pdf}}</ref>
*La [[faloidina]], una toxina aislada del hongo ''[[Amanita phalloides]]'', se une a la interfaz existente entre los monómeros de actina adyacentes del polímero de actina F, lo que evita la despolimerización de aquél.<ref name=Cooper1987 />
*La [[faloidina]], una toxina aislada del hongo ''[[Amanita phalloides]]'', se une a la interfaz existente entre los monómeros de actina adyacentes del polímero de actina F, lo que evita la despolimerización de aquél.<ref name=Cooper1987 />

===Plegamiento de la actina===
[[Archivo:Prefoldin.png|thumb|right|250px|[[Modelado molecular|Modelo]] de cintas obtenido mediante la aplicación del programa [[PyMOL]] a los datos [[Cristalografía de rayos X|cristalográficos]] de la prefoldina de la [[Archaea|arquea]] ''[[Pyrococcus horikoshii]]''. Se observan las seis estructuras supersecundarias en forma de hélice arrollada "colgando" de los barriles beta centrales. La literatura suele compararlas con los [[tentáculo]]s de una [[medusa]]. Por lo que se ha visto mediante [[microscopio electrónico|microscopía electrónica]], la prefoldina de [[Eukarya|eucariotas]] tiene una estructura muy similar.<ref name="Simons"/>]]
La actina puede adquirir espontáneamente una gran parte de su [[estructura terciaria de las proteínas|estructura terciaria]].<ref name="Martinbenito">{{cita publicación| apellido =Martín-Benito | nombre =J | enlaceautor= | coautores=Boskovic J, Gómez-Puertas P, Carrascosa JL, Simons CT, Lewis SA, Bartolini F, Cowan NJ, Valpuesta JM. | fecha= | año=2002 | mes =diciembre | título =Structure of eukaryotic prefoldin and of its complexes with unfolded actin and the cytosolic chaperonin CCT | publicación =EMBO J | volumen=21 | número=23 | páginas=6377-86 | editorial = | ubicación = | issn = | pmid=12456645 | pmc = | doi=10.1093/emboj/cdf640 | bibcode = | oclc= | id = | url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=12456645 | idioma=inglés | formato = | fechaacceso= | resumenprofano = | fuenteprofano = | fechaprofano = | cita = }}</ref> Sin embargo, muestra un comportamiento muy especial y casi único en la forma en que adquiere su [[plegamiento de proteínas|forma plenamente funcional]] a partir de su forma nativa recién [[traducción (genética)|sintetizada]]. La razón de una ruta tan especial podría ser la necesidad de evitar la presencia de monómeros de actina mal plegados, que serían tóxicos puestoque podrían actuar de terminadores inadecuados de la polimerización. En cualquier caso, es esencial para la estabilidad del citoesqueleto.<ref name="Vandamme"/>

Para ello emplea obligadamente un tipo de [[Chaperona molecular|chaperonina]] (proteína que ayuda a otras a plegarse) [[citosol|citosólica]] del grupo II, la CCT, formada por un anillo de ocho subunidades diferentes (heterooctamérico) que se distingue de las demás chaperonas moleculares, y en especial con su homóloga en arqueas [[GroEL]] en que no precisa de una co-chaperona que actúe de tapadera sobre la cavidad central [[catálisis|catalítica]]. Acepta sustratos uniéndose a ellos mediante dominios específicos, por lo que en principio se pensó que era exclusiva de actina y [[tubulina]], aunque actualmente se ha visto por [[inmunoprecipitación]] que, al menos interactúa con un gran número de [[polipéptido]]s, posiblemente como [[sustrato (bioquímica)|sustrato]]s. Actúa mediante cambios conformacionales dependientes de ATP, necesitando en ocasiones de varias rondas de liberación y catálisis para completar su trabajo.<ref name="Stirling">{{cita publicación| apellido =Stirling| nombre =PC | enlaceautor= | coautores= Cuéllar J, Alfaro GA, El Khadali F, Beh CT, Valpuesta JM, Melki R, Leroux MR | fecha= | año=2006 | mes =marzo | título =PhLP3 modulates CCT-mediated actin and tubulin folding via ternary complexes with substrates | publicación =J Biol Chem | volumen=281 | número=11 | páginas=7012-21 | editorial = | ubicación = | issn = | pmid=16415341 | pmc = | doi=10.1074/jbc.M513235200 | bibcode = | oclc= | id = | url=http://www.jbc.org/cgi/content/full/281/11/7012?view=long&pmid=16415341 | idioma=inglés | formato = | fechaacceso= | resumenprofano = | fuenteprofano = | fechaprofano = | cita = }}</ref>

Para su correcto plegamiento, la actina y la tubulina también necesitan específicamente del concurso de otra proteína, la [[prefoldina]], un complejo heterohexamérico (formado por seis subunidades distintas), y tan específicamente que incluso han coevolucionado. En el caso de la actina, se une inmediatamente a ella mientras aún se está traduciendo, aproximadamente cuando tiene una longitud de 145 [[aminoácido]]s, que son los correspondientes al dominio N-terminal.<ref name="Hansen">{{cita publicación| apellido =Hansen | nombre =WJ | enlaceautor= | coautores=Cowan NJ, Welch WJ. | fecha= | año=1999 | mes =abril | título =Prefoldin-nascent chain complexes in the folding of cytoskeletal proteins | publicación =J Cell Biol. | volumen= | número=145 | páginas=2 | editorial =265-7 | ubicación = | issn = | pmid=10209023 | pmc = | doi= | bibcode = | oclc= | id = | url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=10209023 | idioma=inglés | formato = | fechaacceso= | resumenprofano = | fuenteprofano = | fechaprofano = | cita = }}</ref>

Se emplean subunidades de reconocimiento diferentes para la actina y la tubulina, aunque solapadas. Probablemente en el caso de la actina se trata de las subunidades PFD3 y PFD4 que se unen a la actina en dos lugares, el I, entre los residuos 60–79 y el II, entre los residuos 170–198. La actina se reconoce, carga y entrega a la CCT en conformación abierta por la parte interna del extremo de los "tentáculos" de la prefoldina (ver imagen y nota al pie).{{Ref_label|A|a|a}}. El contacto en el momento de la entrega, es tan breve que no se llega a formar un complejo ternario, liberándose la prefoldina de inmediato.<ref name="Simons">{{cita publicación| apellido =Simons | nombre =CT | enlaceautor= | coautores= Staes A, Rommelaere H, Ampe C, Lewis SA, Cowan NJ | fecha= | año=2004 | mes =febrero | título =Selective contribution of eukaryotic prefoldin subunits to actin and tubulin binding | publicación =J Biol Chem. | volumen=279 | número=6 | páginas=4196-203 | editorial = | ubicación = | issn = | pmid=14634002 | pmc = | doi=10.1074/jbc.M306053200 | bibcode = | oclc= | id = | url=http://www.jbc.org/cgi/content/full/279/6/4196?view=long&pmid=14634002#REF21 | idioma=inglés | formato = | fechaacceso= | resumenprofano = | fuenteprofano = | fechaprofano = | cita = }}</ref>

[[Archivo:CCT gamma apical.png|thumb|left|250px|Modelo molecular de cintas del dominio gamma apical de la [[chaperona molecular|chaperonina]] CCT.]]

La chaperonina citosólica (CCT), formada un doble anillo heteroctamérico, efectúa el plegamiento de la actina de forma secuencial, y formando uniones con las subunidades, en lugar de simplemente encerrarla en su cavidad.{{Ref_label|B|b|b}} Para ello posee zonas específicas de reconocimiento en su dominio beta apical. La primera etapa del plegamiento consistiría en el reconocimiento de los residuos 245-249. Posteriormente, otros determinantes establecerían contacto.<ref name="Neirynck">{{cita publicación| apellido =Neirynck | nombre =K | enlaceautor= | coautores= Waterschoot D, Vandekerckhove J, Ampe C, Rommelaere H | fecha= | año=2006 | mes =enero | título =Actin interacts with CCT via discrete binding sites: a binding transition-release model for CCT-mediated actin folding | publicación =J Mol Biol. | volumen=355 | número=1 | páginas=124-38 | editorial = | ubicación = | issn = | pmid=16300788 | pmc = | doi= | bibcode = | oclc= | id = | url= | idioma= | formato = | fechaacceso= | resumenprofano = | fuenteprofano = | fechaprofano = | cita = }}</ref> Tanto la actina como la tubulina se unen a la CCT en conformaciones abiertas en ausencia de ATP. En el caso de la actina, en cada cambio conformacional se une a dos subunidades, a diferencia de la tubulina, que lo hace a 4. La actina tiene secuencias de unión específicas, interactuando con las subunidades CCTδ y β o bien con CCTδ y . Tras la unión de AMP-PNP a la CCT, los substratos van moviéndose por la cavidad de la chaperonina. Parece ser también, que en el caso de la actina se precisa la proteína CAP como un posible cofactor en los estadíos finales del plegamiento de la actina. <ref name="Brackley">{{cita publicación| apellido =Brackley | nombre =KI | enlaceautor= | coautores=Grantham J| fecha= | año=2009 | mes =enero | título =Activities of the chaperonin containing TCP-1 (CCT): implications for cell cycle progression and cytoskeletal organisation | publicación =Cell Stress Chaperones | volumen= 14| número=1 | páginas=23-31 | editorial = | ubicación = | issn = | pmid=18595008 | pmc = | doi=10.1007/s12192-008-0057-x | bibcode = | oclc= | id = | url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=18595008 | idioma=inglés | formato = | fechaacceso= | resumenprofano = | fuenteprofano = | fechaprofano = | cita = }}</ref>

Aun no se conoce con exactitud la regulación de este proceso, pero se sabe que la proteína PhLP3 (proteína semejante a la fosducina) regula su actividad inhibiéndola, mediante la formación de un complejo ternario. <ref name="Stirling"/>


== Funciones y localización ==
== Funciones y localización ==

Revisión del 12:26 8 jul 2009


Actina G (código PDB: 1j6z). Se representan en el centro activo las moléculas de ADP y el catión divalente.
Actina F; representación de la superficie de una repetición de 13 subunidades basada en el modelo de Ken Holmes del filamento de actina.[1]

La actina es una proteína globular que forma los microfilamentos, uno de los tres componentes fundamentales del citoesqueleto de las células de los organismos eucariotas. Se expresa en todas las células de los seres pluricelulares siendo especialmente en las fibras musculares, donde está implicada en la contracción muscular junto con la miosina y otros elementos. Puede encontrarse en forma libre, denominada actina G, o formando parte de polímeros lineales denominados microfilamentos o actina F, que son esenciales para funciones celulares tan importantes como la movilidad y la contracción de la célula durante la división celular.

Posee actividad enzimática, pues une e hidroliza adenosín trifosfato (ATP) a adenosín difosfato (ADP). Este hecho es relevante en tanto en cuanto modifica la conformación de cada monómero, ya esté libre o formando parte de un microfilamento; por ejemplo, durante la contracción muscular, el ATP permite a la cabeza de la miosina extenderse y unirse al filamento de actina; entonces la miosina se libera tras mover el filamento de actina en un movimiento de relajación o contracción.

La actina es un elemento cuantitativamente importante en los músculos y sus formas no musculares se encuentran en prácticamente todas las células en un organismo eucariota; más aún, existen proteínas equivalentes en procariotas. Es importante para la forma de la célula, movilidad y transporte intracelular. Para llevar a cabo funciones tan diversas, la actina se une con cientos de proteínas diferentes. La miosina es un ejemplo de proteína que une actina. Otro ejemplo es la vilina, que puede entrelazar la actina en haces o bien cortar los filamentos de actina, dependiendo de la concentración de catión calcio en su entorno.

Un buen número de enfermedades tienen como base alteraciones genéticas de la actina o de sus proteínas asociadas, y también es esencial en el proceso de infección de algunos organismos patógenos.

Historia

El premio Nobel Szent-Györgyi, codescubridor con Brúnó Straub de la actina.

La actina fue observada experimentalmente por primera vez en 1887 por W.D. Halliburton, quien extrajo una proteína muscular que coagulaba preparaciones de miosina, denominándolo "fermento de la miosina".[2]​ No obstante, Halliburton fue incapaz de efectuar la caracterización de sus descubrimientos, y por ello éste se atribuye a Brúnó F. Straub, entonces un joven bioquímico que trabajaba en el laboratorio de Albert Szent-Györgyi en el Instituto de química médica de la Universidad de Szeged, en Hungría.

En 1942, Straub desarrolló una nueva técnica para la extracción de proteínas musculares que le permitía aislar cantidades sustanciales de actina relativamente pura. Este método es el mismo que esencialmente se utiliza en los laboratorios actualmente. Szent-Gyorgyi había descrito previamente una forma más viscosa de miosina producida por extracciones lentas en músculo como "miosina activada" y puesto que la proteína de Straub producía el efecto activador, la denominó actina. La viscosidad disminuía si se añadía ATP a la mezcla de ambas proteínas, conocida como actomiosina. El trabajo de ambos no pudo ser publicado en los países occidentales debido al ambiente bélico de la Segunda Guerra Mundial, saliendo a la luz en 1945 cuando fue publicado como suplemento de Acta Physiologica Scandinavica.[3]​ Continuó trabajando en la actina hasta 1950, publicando que podía unirse al ATP y que, durante la polimerización de la proteína para formar microfilamentos, se hidrolizaba a ADP + Pi, el cual permanecía unido al microfilamento. Straub sugirió que esta reacción desempeñaba un papel en la contracción muscular, pero esto sólo es cierto en el caso del músculo liso y no fue verificado experimentalmente hasta 2001.[4][5]

La secuencia de aminoácidos fue completada por Elzinga y colaboradores en 1973,[6]​ y la estructura cristalográfica de la actina G fue determinada en 1990 por Kabsch y colaboradores, aunque se trataba de un cocristal en el que formaba un complejo con la desoxirribonucleasa I,[7]​ siendo propuesto un modelo el mismo año para la actina F por Holmes y sus colaboradores.[8]​ Este procedimiento de cocristalización con diferentes proteínas fue empleado repetidamente durante los siguientes años, hasta que en 2001 se logró cristalizar la proteína aislada junto con ADP. Fue posible gracias al empleo de un conjugado de rodamina que impedía la polimerización bloqueando el aminoácido cys-374.[9]​ Ese mismo año se produjo el fallecimiento de Christine Oriol-Audit, la investigadora que en 1977 consiguió cristalizar por primera vez la actina en ausencia de ABP's. Los cristales resultaron demasiado pequeños para la tecnología de la época. [10]

Aunque actualmente no existe un modelo de alta resolución de la forma filamentosa, el equipo de Sawaya realizó en 2008 una aproximación más exacta basándose en múltiples cristales de dímeros de actina que contactan en diferentes lugares.[11]​ Este modelo fue refinado por el propio autor y por Lorenz. Otros enfoques, como el uso de microscopía crioelectrónica o radiación sincrotrón han permitido recientemente aumentar el nivel de resolución y comprender con mayor profundidad la naturaleza de las interacciones y los cambios conformacionales implicados en la formación del filamento de actina.[12][13]

Estructura y dinámica de ensamblaje

La actina es una de las proteínas más abundantes entre los eucariotas y se encuentra presente en todo el citoplasma.[14]​ De hecho, en las fibras musculares representa el 20% en peso de proteína celular total y, en otras células animales, oscila entre el 1 y el 5%. En cuanto a sus características químicas, posee un peso molecular de 42 kDa.[15]​ Esta abundancia y su presencia en buena parte de la biodiversidad conocida resaltan que la actina es esencial para la vida. Tanto es así que, en los seres vivos estudiados está codificada por una familia multigénica (familia que, en plantas, alberga más de 60 elementos, entre genes y pseudogenes y, en humanos, más de 30).[16]​ Esto significa que la información genética de cada individuo posee instrucciones para generar variantes de la actina que poseerán funciones ligeramente distintas, o que estarán presentes en diferentes tejidos. De este modo, los distintos genes dan lugar tras su transcripción y traducción a distintas isoformas, cada una de las cuales posee una función ligeramente específica: la actina alfa se encuentra en estructuras contráctiles; la actina beta, en el borde en expansión de las células que emplean la proyección de estructuras celulares como método de movilidad; la actina gamma, en los filamentos de las fibras de estrés.[17]

Archivo:Actin18 new rot.PNG
Monómero de actina en el contexto de un microfilamento.[18]

La actina se presenta en la célula en dos formas: como monómeros globulares denominados actina G y como polímeros filamentosos denominados actina F (es decir, filamentos compuestos de multitud de monómeros de actina G). La actina F puede denominarse también microfilamento. A cada hebra de actina se une una molécula de adenosín trifosfato (ATP) o adenosín difosfato (ADP), asociada a un ion Mg++. De entre las distintas combinaciones posibles entre las formas de actina y el nucleótido trifosfato, en la célula predominan la actina G-ATP y la actina F-ADP.[19][20]

Actina G

En cuanto a su estructura molecular, la actina G posee una apariencia globular al microscopio electrónico de barrido; no obstante, mediante cristalografía de rayos X puede apreciarse que está compuesta de dos lóbulos separados por una hendidura; la estructura conforma el pliegue ATPasa, un centro de catálisis enzimática capaz de unir el ATP y Mg2+ e hidrolizar el primero hasta ADP más fosfato. Este pliegue es un motivo estructural conservado que también está presente con otras proteínas que interaccionan con nucleótidos trifosfato como la hexoquinasa (una enzima del metabolismo energético) o las proteínas Hsp70 (una familia de proteínas que ayudan a que otras proteínas posean estructuras funcionales).[21]​ La actina G sólo es funcional cuando posee o bien ADP o bien ATP en su hendidura; no obstante, en la célula predomina el estado unido a ATP cuando la actina se encuentra libre.[19]

Actina F

El polímero de actina, la actina F, posee una estructura filamentosa de aspecto helicoidal cuando se observa mediante microscopía electrónica (mediante tinción negativa con acetato de uranilo), si bien sus elementos no se enrollan en una hélice propiamente dicha, sino que simplemente ofrecen este aspecto. Mediante esta técnica se detecta un diámetro que oscila entre 7 y 9 nm. El modelo actual de organización de actina supone una disposición aparentemente helicoidal muy apretada en la cual cada subunidad está rodeada por otras cuatro.[17]​ Puesto que todas las subunidades de un microfilamento apuntan hacia el mismo extremo, se dice que el polímero presenta polaridad en su estructura. Este hecho da lugar a una convención: se nombra al extremo que posee una subunidad de actina exponiendo el lugar por el que une ATP al medio como «extremo (-)» mientras que en el opuesto, en el cual la hendidura está dirigida a otro monómero adyacente, es el «extremo (+)».[17]

En el músculo, el filamento helicoidal de la actina F contiene también una molécula de tropomiosina, una proteína de una longitud de 40 nanómetros que se enrolla alrededor de la hélice de actina F. Durante el estado de reposo celular, la tropomiosina recubre los sitios activos de la actina de modo que no se logra la interacción actina-miosina que produce la contracción muscular. Unidas a lo largo de la hebra de tropomiosina hay otras moléculas proteicas, las troponinas, complejos de tres polímeros: troponina I, troponina T y troponina C.[22]

Dinámica de ensamblaje

Mecanismo de polimerización de la actina G a actina F; nótese la hidrólisis del ATP.

Los estudios de la dinámica de adición y pérdida de subunidades de los microfilamentos se han realizado in vitro (es decir, en el laboratorio fuera de sistemas celulares) debido a que la polimerización in vitro de actina da lugar a la misma actina F producida in vivo.[23]​ Este hecho se produce de forma secuencial in vitro: primero, se da una «fase de nucleación», en la cual la actina G da lugar a pequeños fragmentos inestables de actina F; después, durante la «fase de elongación», crece rápidamente mediante la adición de nuevos monómeros; finalmente, en el «equilibrio estacionario», los monómeros de actina G se intercambian en los extremos del microfilamento sin que varíe la longitud total del polímero.[14]​ En esta última fase se define la «concentración crítica Cc» como la relación entre las constantes de ensamblaje y desensamblaje (se trata, pues, de una constante de disociación), y representa la concentración de actina G en la cual la dinámica de adición y eliminación de monómeros no produce una modificación en la longitud del microfilamento. En las condiciones usuales in vitro, Cc es de 0,1 μM (lo que significa que a valores mayores se da una polimerización y, a valores menores, una despolimerización).[24]​ Cuando los monómeros de actina G se unen al microfilamento, hidrolizan su ATP a ADP.[17]

Ahora bien: la agregación de monómeros de actina G al microfilamento sucede a distintas velocidades dependiendo del extremo al que se fusionen: el extremo (+) se alarga entre 5 y 10 veces más rápido que el extremo (-). Este hecho se debe a que cada extremo posee un valor distinto de Cc, lo que plantea varias situaciones posibles:[17]

  • Para concentraciones de actina G-GTP menores a la concentración crítica del extremo (+) (esto es, Cc+) no se produce la elongación del filamento.
  • Para concentraciones de actina G-GTP mayores que la concentración crítica del extremo (-) (es decir, Cc-) pero menores a la concentración crítica del extremo (+) (o Cc+) la elongación se da en el extremo (+).
  • Para concetraciones de actina G-GTP mayores queconcentración crítica del extremo (-) (o Cc-) el microfilamento crece en ambos extremos.

Proteínas asociadas

Complejo actina (verde) - profilina (azul)

In vivo, el citoesqueleto de actina no está compuesto exclusivamente de actina, sino que para su generación, permanencia y función requiere de otras proteínas; éstas se denominan proteínas de unión de la actina (ABP, actin binding proteins) e intervienen en su polimerización y despolimerización, estabilidad, su organización en haces o redes, su fragmentación y destrucción.[14]​ Por ejemplo, existen elementos que secuestran la actina G, impidiendo su incorporación a los microfilamentos. De igual manera, existen proteínas que estimulan su polimerización o que dotan de complejidad a las redes en síntesis.[17]

  • La timosina β4 es una proteína de 5 kDa capaz de unir a la actina G-ATP en una estequiometría 1:1; esto quiere decir que una unidad de timosina β4 se une a otra de actina G, en esta proporción. Su papel es impidir la incorporación de los monómeros al polímero en crecimiento.[25]
  • La profilina, una proteína citosólica de 15 KDa, también se une en estequiometría 1:1 a los monómeros de actina G-ATP pero su función es distinta: facilita el intercambio de nucleótidos ATP por ADP. Además, está implicada en otras funciones celulares, como la unión de repeticiones de Pro en otras proteínas o de lípidos que actúan como segundos mensajeros.[26][27]
La proteína gelsolina.

Otras proteínas de unión a actina regulan la longitud de los microfilamentos realizando cortes en ellos, lo que da lugar a nuevos extremos activos para la polimerización. Es decir: si un microfilamento, que posee dos extremos a los que pueden unirse o disociarse monómeros, es cortado dos veces, resultan tres nuevos microfilamentos con seis extremos; la nueva situación favorece la dinámica de ensamblaje y desensamblaje. Entre estas proteínas destacan la gelsolina y la cofilina. Cabe resaltar que primero realizan el corte mediante mediante cambios en la conformación del monómerod e actina al que se unen en el polímero, quedando después recubriendo el nuevo extremo (+) generado, lo que impide el agregado o el intercambio de nuevas subunidades de actina G y, puesto que los extremos (-) quedan sin recubrir, favorecen el despolimerizado de los filamentos.[28]

Otro tipo de proteínas de unión a actina recubren los extremos de la actina F a fin de estabilizarlos, sin capacidad de romperlos. Ejemplos de estas proteínas son CapZ (que une los extremos (+) de acuerdo a los niveles de Ca2+/calmodulina de la célula, niveles que dependen de señales externas e internas de la célula y que intervienen en la regulación de sus funciones biológicas)[29]​ o la tropomodulina (que une los extremos (-)). La tropomodulina es esencial como estabilizador de la actina F presente en las miofibrillas de los sarcómeros del músculo, estructuras caracterizadas por su gran estabilidad.[30]

Estructura atómica de Arp2/3.[31]​ Cada color corresponde a una subunidad: Arp3, naranja; Arp2, azul marino (las subunidades 1 y 2 no se muestran); p40, verde; p34, azul claro; p20, azul oscuro; p21, magenta; p16, amarillo.

El complejo Arp2/3 se encuentra ampliamente difundido por todo el dominio de los eucariotas.[32]​ Está compuesto por siete subunidades, algunas de las cuales poseen una topología claramente relacionada con su función biológica: dos de sus subunidades, denominadas «ARP2» y «ARP3» , poseen una estructura muy semejante a los propios monómeros de actina. Dicha homología permite a ambas unidades comportarse como agentes nucleantes de la polimerización de los monómeros de actina G a actina F. Además, este complejo es necesario para establecer estructuras dendríticas y en anastomosis (esto es, bifurcadas o en red), por tanto más complejas, de actina F.[33]

Disruptores químicos

Archivo:Phalloidin.png
Estructura química de la faloidina.

Existen varias toxinas que interfieren con la dinámica de actinas, tanto en despolimerizándolas (latrunculina y citocalasina D) como estabilizándolas (faloidina):

  • La latrunculina, una toxina producida por poríferos, se une a la actina G impidiendo su unión a los microfilamentos.[34]
  • La citocalasina D, un alcaloide producido por hongos, se une al extremo (+) de la actina F impidiendo la adición de nuevos monómeros.[35]​ Se han descrito efectos de la citocalasina D, mediados por la disrupción de la dinámica de actinas, en la actividad de p53 (en animales)[36]​ o en respuestas gravitrópicas (en plantas).[37]
  • La faloidina, una toxina aislada del hongo Amanita phalloides, se une a la interfaz existente entre los monómeros de actina adyacentes del polímero de actina F, lo que evita la despolimerización de aquél.[35]

Plegamiento de la actina

Modelo de cintas obtenido mediante la aplicación del programa PyMOL a los datos cristalográficos de la prefoldina de la arquea Pyrococcus horikoshii. Se observan las seis estructuras supersecundarias en forma de hélice arrollada "colgando" de los barriles beta centrales. La literatura suele compararlas con los tentáculos de una medusa. Por lo que se ha visto mediante microscopía electrónica, la prefoldina de eucariotas tiene una estructura muy similar.[38]

La actina puede adquirir espontáneamente una gran parte de su estructura terciaria.[39]​ Sin embargo, muestra un comportamiento muy especial y casi único en la forma en que adquiere su forma plenamente funcional a partir de su forma nativa recién sintetizada. La razón de una ruta tan especial podría ser la necesidad de evitar la presencia de monómeros de actina mal plegados, que serían tóxicos puestoque podrían actuar de terminadores inadecuados de la polimerización. En cualquier caso, es esencial para la estabilidad del citoesqueleto.[40]

Para ello emplea obligadamente un tipo de chaperonina (proteína que ayuda a otras a plegarse) citosólica del grupo II, la CCT, formada por un anillo de ocho subunidades diferentes (heterooctamérico) que se distingue de las demás chaperonas moleculares, y en especial con su homóloga en arqueas GroEL en que no precisa de una co-chaperona que actúe de tapadera sobre la cavidad central catalítica. Acepta sustratos uniéndose a ellos mediante dominios específicos, por lo que en principio se pensó que era exclusiva de actina y tubulina, aunque actualmente se ha visto por inmunoprecipitación que, al menos interactúa con un gran número de polipéptidos, posiblemente como sustratos. Actúa mediante cambios conformacionales dependientes de ATP, necesitando en ocasiones de varias rondas de liberación y catálisis para completar su trabajo.[41]

Para su correcto plegamiento, la actina y la tubulina también necesitan específicamente del concurso de otra proteína, la prefoldina, un complejo heterohexamérico (formado por seis subunidades distintas), y tan específicamente que incluso han coevolucionado. En el caso de la actina, se une inmediatamente a ella mientras aún se está traduciendo, aproximadamente cuando tiene una longitud de 145 aminoácidos, que son los correspondientes al dominio N-terminal.[42]

Se emplean subunidades de reconocimiento diferentes para la actina y la tubulina, aunque solapadas. Probablemente en el caso de la actina se trata de las subunidades PFD3 y PFD4 que se unen a la actina en dos lugares, el I, entre los residuos 60–79 y el II, entre los residuos 170–198. La actina se reconoce, carga y entrega a la CCT en conformación abierta por la parte interna del extremo de los "tentáculos" de la prefoldina (ver imagen y nota al pie).[43]​. El contacto en el momento de la entrega, es tan breve que no se llega a formar un complejo ternario, liberándose la prefoldina de inmediato.[38]

Modelo molecular de cintas del dominio gamma apical de la chaperonina CCT.

La chaperonina citosólica (CCT), formada un doble anillo heteroctamérico, efectúa el plegamiento de la actina de forma secuencial, y formando uniones con las subunidades, en lugar de simplemente encerrarla en su cavidad.[44]​ Para ello posee zonas específicas de reconocimiento en su dominio beta apical. La primera etapa del plegamiento consistiría en el reconocimiento de los residuos 245-249. Posteriormente, otros determinantes establecerían contacto.[45]​ Tanto la actina como la tubulina se unen a la CCT en conformaciones abiertas en ausencia de ATP. En el caso de la actina, en cada cambio conformacional se une a dos subunidades, a diferencia de la tubulina, que lo hace a 4. La actina tiene secuencias de unión específicas, interactuando con las subunidades CCTδ y β o bien con CCTδ y . Tras la unión de AMP-PNP a la CCT, los substratos van moviéndose por la cavidad de la chaperonina. Parece ser también, que en el caso de la actina se precisa la proteína CAP como un posible cofactor en los estadíos finales del plegamiento de la actina. [46]

Aun no se conoce con exactitud la regulación de este proceso, pero se sabe que la proteína PhLP3 (proteína semejante a la fosducina) regula su actividad inhibiéndola, mediante la formación de un complejo ternario. [41]

Funciones y localización

La actina como proteína se encuentra tanto en el citoplasma como en el núcleo celular,[47]​ Dicha localización está regulada por las vías de transducción de señales que integran los estímulos que la célula recibe y que permite la reestructuración de las redes de actina en respuesta a aquéllos. En Dictyostelium, se ha referido la intervención de la ruta de fosfoinosítidos mediada por la fosfolipasa D.[48]​ Los filamentos de actina son especialmente abundantes y estables en las fibras musculares. Dentro del sarcómero, la unidad morfológica y fisiológica de las fibras musculares, la actina se dispone en las bandas I y A; en esta última, se presenta conjuntamente con la miosina.[49]

Citoesqueleto

Micrografía de fluorescencia la actina F (en verde) en fibroblastos de ratón.

Los microfilamentos intervienen en el movimiento de todas las células móviles, aun las no musculares, pues se ha descrito que los fármacos que desorganizan la actina F (como las citocalasinas) afectan su actividad. Como proteína, la actina es el 10% del total de proteínas de fibroblastos, el 15% en amebas y plaquetas y el 2% en hepatocitos. Claro que existen distintos grupos de actina, con estructura y función ligeramente distintas: de este modo, la actina alfa es exclusiva de fibras musculares, y la presente en otras células suele ser del tipo beta y gamma. Además, la actina de tipos distintos al alfa suele poseer una alta tasa de recambio que provoca que la mayor parte de ella no forme parte de estructuras permanentes. Así, los microfilamentos en las células no musculares aparecen de dos formas:[50]

  • Redes de microfilamentos. Bajo la membrana plasmática es común en células animales la aparición de una corteza celular poblada por multitud de microfilamentos que excluye la presencia de orgánulos. Esta red está en relación con abundantes receptores celulares que transducen señales del exterior de la célula.
  • Haces de microfilamentos. Estos microfilamentos, dispuestos en redes, son de mayor longitud y, en asociación con proteínas contráctiles, como la miosina no muscular, intervienen en el desplazamiento de sustancias a nivel intracelular.

Levaduras

En levaduras, el citoesqueleto de actina es clave durante los procesos de endocitosis, citocinesis, determinación de la polaridad celular y durante la morfogénesis. Estos hechos, además de depender de la actina, implican a 20 ó 30 proteínas asociadas, altamente conservadas evolutivamente, así como multitud de moléculas de señalización; estos elementos permiten, en combinación, un ensamblaje espacial y temporalmente modulado que define la biología celular en respuesta a estímulos internos y externos.[51]

Las levaduras poseen tres grandes tipos de elementos producto de la asociación de la actina: parches, cables y anillos que, pese a detectarse durante largos periodos de tiempo, se ven sometidos a un equilibrio dinámico debido a la continua polimeriación y despolimerización. Como proteínas accesorias, poseen una cofilina/ADF de 16 kDa (codificiada por un único gen, denominado COF1); Aip1, un cofactor de la cofilina que favorece el desensamblado de los microfilamentos; Srv2/CAP, un regulador de la dinámica relacionado con proteínas adenilil ciclasas; una profilina de aproximadamente 14 kDa que se asocia a los monómeros de actina; y twinfilina, una proteína de 40 kDa implicada en la organización de las estructuras tipo parche.[51]

Plantas

Los estudios de genómica de plantas han revelado la existencia de isovariantes proteicas dentro de la familia de genes de la actina; dentro de Arabidopsis thaliana, una dicotiledónea empleada como organismo modelo, existen al menos 10 tipos de actinas, 9 de alfa tubulinas, seis de beta tubulinas, seis de profilinas y docenas de miosinas. Tal diversidad se explica de acuerdo a la necesidad evolutiva de poseer variantes ligeramente diferentes en su pauta de expresión temporal y espacial; no obstante, la mayoría de ellas se expresan conjuntamente en los tejidos analizados. El entramado de redes de actina se distribuye por todo el citoplasma de las células cultivadas in vitro, con un refuerzo en torno al núcleo que se conecta, mediante radios, a la corteza celular; dicho entramado es altamente dinámico, con un polimerizado y despolimerizado continuo.[52]

Estructura de la villina, una proteína accesoria del citoesqueleto de actina.

Si bien las células vegetales poseen generalmente una pared que define su morfología e impide su movimiento, sus microfilamentos generan las fuerzas necesarias para varias actividades celulares, por ejemplo, las corrientes citoplasmáticas generadas por los microfilamentos y las miosinas. Además, la actina interviene en el movimiento de orgánulos y morfogénesis celular, procesos que incluyen la división celular, la elongación y la diferenciación.[53]

En cuanto a las proteínas asociadas al citoesqueleto de actina presentes en plantas cabe mencionar:[53]villina, una proteína perteneciente a la familia de la gelsolina/severina, capaz de cortar microfilamentos y unir monómeros de actina en presencia de catión calcio; fimbrina, un elemento capaz de reconocer y unir monómeros de actina y que interviene en la formación de entramados (mediante una regulación diferente a la propia de células animales y levaduras)[54]​; forminas, proteínas capaces de actuar como agente nucleante de la polimerización a actina F; miosina, típico motor moleculares propio de eucariotas que, en Arabidopsis thaliana, está codificado por 17 genes clasificados en dos clases distintas; CHUP1, capaz de unir actina e implicado en la distribución espacial de los cloroplastos en la célula; KAM1/MUR3, una proteína que define la morfología del complejo de Golgi así como la composición en xiloglucanos de la pared celular; NtWLIM1, proteína que faculta la aparición de estructuras aovilladas de actina; y ERD10, que participa en la asociación entre orgánulos delimitados por membranas y los microfilamentos y que parece desempeñar un papel especialmente relevante en presencia de estrés.

Contracción muscular

Estructura del sarcómero, estructura morfológica y funcional del músculo esquelético de la que es parte la actina.

En el músculo, el filamento helicoidal de la actina F contiene también una molécula de tropomiosina, una proteína de una longitud de 40 nanómetros que se enrolla alrededor de la hélice de actina F. Durante el estado de reposo celular, la tropomiosina recubre los sitios activos de la actina de modo que no se logra la interacción actina:miosina (esta interacción da lugar a un deslizamiento entre ambos que, por coordinación de muchos copias de estos elementos dispuestos en los músculos, produce su contracción). Unidas a lo largo de la hebra de tropomiosina hay otras moléculas proteicas, las troponinas, complejos de tres polímeros: troponina I, troponina T y troponina C.[22]​ La función moduladora de la tropomiosina depende de la interacción con la troponina en presencia de iones de Ca2+.[55]

Archivo:Myosin powerstroke.JPG
La miosina muscular sobre un microfilamento (verde) e interactuando con un monómero de actina (azul). Se aprecia la torsión de la molécula, el golpe de potencia, que lo asigna a la categoría de motores moleculares.

La actina, junto con la miosina, intervienen en la contracción y relajación de los músculos, constituyendo las dos alrededor del 90% de las proteínas musculares.[56]​ El proceso global se dispara mediante una señal externa, típicamente mediante un potencial de acción excitador del músculo que alberga las células especializadas ricas en filamentos de actina y miosina de su interior. El ciclo de contracción-relajación responde a los siguientes pasos:[49]

  1. Despolarización del sarcolema y transmisión del potencial de acción a través de los túbulos T.
  2. Apertura de canales de Ca2+ del retículo sarcoplásmico.
  3. Aumento de la concentración citosólica de Ca2+ e interacción de estos cationes con la troponina, una proteína cuya conformación queda modificada lo cual altera la estructura de la tropomiosina, otra proteína asociada que recubre el sitio activo de la actina, lo que permite el establecimiento de los enlaces cruzados miosina-actina (esta última presente como filamentos delgados).[22]
  4. Movimiento de las cabezas de miosina sobre los filamentos delgados, ya de forma independiente como dependiente de ATP. Este último mecanismo, mediado por la actividad ATPasa de las cabezas de miosoina, provoca el movimiento de los filamentos de actina hacia el disco Z.
  5. Captura del Ca2+ por parte del retículo sarcoplásmico, que provoca un cambio conformacional en la tropomiosina que, de nuevo, inhibe la interacción actina-miosina.[56]

Otros procesos biológicos

El estudio clásico de la función de la actina la circunscribe al mantenimiento del citoesqueleto y, por ello, a la organización y movimiento de los orgánulos y determinación de la forma celular.[50]​ No obstante, el papel de la actina es bastante más amplio en la fisiología celular eucariota; más aún, existen elementos semejantes en procariotas.

Diagrama de la situación temporal de la citocinesis en el ciclo celular eucariota.
  • Citocinesis. En las células animales y de levaduras, la división celular suele conllevar la separación de la célula madre en dos células hijas mediante la constricción de su zona ecuatorial. En este proceso interviene un anillo contráctil de actina, miosina y alfa actinina.[57]​ En la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe, la actina se ensambla activamente en el anillo contráctil con la participación de Arp3, la formina Cdc12, profilina y WASp, si bien intervienen también microfilamentos preformados. Una vez constituido el anillo, la estructura se mantiene en un continuo ensamblado/desensamblado que, con la ayuda del complejo Arp2/3 y de las forminas, deviene en un proceso central de la citocinesis.[58]​ El conjunto de anillo contráctil, microtúbulos del huso acromático y el material denso periférico se denomina «cuerpo de Fleming» o «cuerpo intermedio».[50]
  • Motilidad de patógenos intracelulares. Las bacterias patógenas Listeria monocytogenes, Shigella flexneri, y Rickettsia conorii son capaces de provocar la polimerización de la actina de la célula que infectan a fin de desplazarse por su citosol. En el caso de L. monocytogenes y S. flexneri, esta actividad precisa de las proteínas bacterianas ActA e IcsA, respectivamente, y algunos elementos como el complejo Arp2/3, VASP, vinculina y N-WASP, propios de la célula hospedadora eucariota. Existen ligeras diferencias en el mecanismo molecular de polimerización de la «cola en cometa» dependiendo de la especie bacteriana; este hecho redunda en distintas velocidades de desplazamiento, por ejemplo, con un máximo para Listeria y Shigella.[59]​ Otras especies, como Mycobacterium marinum y Burkholderia pseudomallei, también son capaces de polimerizar localmente la actina celular para facilitar su desplazamiento mediante un mecanismo que pivota sobre el complejo Arp2/3; más aún, el virus vacunal o Vaccinia virus también emplea elementos del citoesqueleto de actina para su diseminación.[60]
  • Apoptosis. Durante la muerte celular programada, la familia de proteasas denominadas ICE/ced-3 (de la familia de las proteasas conversoras de interleukina-1beta) degradan in vivo la actina en dos fragmentos de 15 kDa y 31 kDa, lo que supone uno de los mecanismos de destrucción de la viabilidad celular en que se basa la apoptosis.[61]​ También se ha citado esta destrucción mediante la proteasa calpaína;[62]​ tanto es así, que el empleo de inhibidores de la calpaína disminuye la proteólisis de la actina e, incluso, la degradación del ADN (otro de los elementos característicos de la apoptosis).[63]​ Por otro lado, la inducción del proceso de apoptosis mediante un estrés pasa por la reorganización del citoesqueleto de actina (lo que implica también su polimerización), dando lugar a las estructuras denominadas fibras de estrés; este hecho está señalizado mediante la vía de las MAP kinasas.[64]
Esquema de una zonula occludens o unión estrecha, un tipo de estructura de unión celular que cohesiona los epitelios. La actina es uno de los elementos de los anclajes mostrados en verde.
  • Adhesión celular y desarrollo. La adhesión entre células es un carácter de los organismos pluricelulares que sustenta la capacidad de especialización tisular y, por ello, el aumento de la complejidad de aquéllos. Las uniones celulares de los epitelios emplean el citoesqueleto de actina, dentro de cada célula, y las cadherinas, como elementos extracelulares, con una conexión entre ambas mediada por cateninas.[65]​ La disrupción de la dinámica de actinas repercute en el desarrollo de los organismos; de hecho, la actina es un elemento tan crucial que, generalmente, se dispone de sistemas de genes redundantes. Por ejemplo, los ejemplares de Dictyostelium a los que se les había privado del gen de la alfa actinina o del factor gelificante no mostraban un fenotipo anómalo posiblemente debido a que una de las proteínas podía realizar la función de la otra; en cambio, en los dobles mutantes, carentes de ambas, el desarrollo se vio alterado.[66]
  • Modulación de la expresión génica. El estado de polimerización de actina influye en la pauta de expresión génica. En el año 1997, en trabajos empleando células de Schwann se detectó que el despolimerizado mediado por citocalasina D provocaba una pauta de expresión peculiar de los genes implicados en la mielinización de este tipo de célula nerviosa.[67]​ En cuanto a los organismos unicelulares en alguna de sus fases vitales, se ha demostrado que la actina F también modifica el transcriptoma en el hongo Candida albicans.[68]​ Además, proteínas semejantes a la actina desempeñan un papel regulador durante la espermatogénesis en ratón[69]​ y, en levaduras, se ha propuesto un papel de proteínas semejantes a actina en la modulación epigenética.[70]​ De hecho, la actina es capaz junto con un tipo de miosina nuclear de interactuar con ARN polimerasas y otras enzimas de la maquinaria transcripcional actuando como iniciador de la transcripción.[47]
  • Dinámica de estereocilios. Algunos tipos de células desarrollan en su superficie unas finas evaginaciones filiformes con función mecanosensorial denominadas estereocilios. Por ejemplo, estos orgánulos son los implicados en el sentido del oído en el órgano de Corti. Como característica principal, estas estructuras poseen una longitud que puede modificarse.[71]​ En cuanto a su arquitectura molecular, los estereocilios poseen un núcleo paracristalina de actina en equilibro dinámico con los monómeros presentes en el citosol adyacente. A lo largo de este núcleo se disponen miosinas de los tipos VI y VIIa, mientras que la miosina XVa lo está en sus extremos y en cantidades proporcionales a la longitud del estereocilio.[72]

Patología molecular

En la mayoría de los mamíferos existen seis genes diferentes de actina. Dos de ellos están relacionados con el citoesqueleto (ACTB y ACTG1) mientras que las cuatro restantes lo están con el músculo esquelético (ACTA1), músculo liso (ACTA2), músculo liso entérico (ACTG2) y con el músculo cardiaco (ACTC1). Las mutaciones que afectan a estos genes eran desconocidas hasta 1998, y se ha visto que producen miopatías, variaciones en el tamaño y la función cardiaca y sordera. Así mismo, la actina del citoesqueleto está implicada en el mecanismo de patogenicidad de múltiples agentes infecciosos, incluyendo el VIH. La inmensa mayoría de las mutaciones que afectan a la actina son de tipo puntual y tienen un efecto dominante, salvo al menos seis mutaciones de miopatía nemalínica. Ello es debido a que en muchos casos la variedad mutante del monómero de actina actúa haciendo de "capping", es decir, como terminador de la elongación de la actina F.[73]

Relacionada con ACTA1

ACTA1 es el gen que codifica la isoforma alfa de la actina humana presente principalmente en el músculo esquelético, aunque también se expresa en el músculo cardiaco y en la glándula tiroides.[74]​ Su secuencia consta de siete exones, que producen cinco transcritos conocidos.[75]​ A fecha de 2006, el ENMC (European Neuromuscular Centre) había publicado 116 mutaciones relacionadas con patologías, conocidas como actinopatías. La mayor parte de ellas consisten en sustituciones puntuales de aminoácidos, que en muchos casos pueden ser asociadas con el fenotipo que determina la severidad y el curso de la afección.[73][75]

Bastones nemalínicos gigantes producidos mediante la transfección con una secuencia de ACTA1 portadora de una mutación responsable de la miopatía nemalínica.

Se manifiestan alterando la estructura y la función del músculo esquelético produciendo tres formas de miopatía: miopatía nemalínica tipo 3, miopatía congénita con exceso de microfilamentos (CM) y miopatía congénita con disproporción de tipos de fibra (CFTDM). También se ha detectado mutaciones que producen miopatía con cores (zonas desprovistas de actividad oxidativa).[76]​ Aunque sus fenotipos son similares, además de la miopatía nemalínica típica y la de bastones intranucleares, algunos especialistas distinguen un tipo de miopatía, llamada actínica de la miopatía nemalínica. En la primera se acumulan agregados de actina en lugar de los típicos bastones. Es importante señalar que un paciente puede mostrar más de uno de estos fenotipos en la biopsia. [77]​ Los síntomas más habituales consisten en una morfología facial típica (facies miopática), debilidad muscular y retraso en el desarrollo motor y dificultades respiratorias. El curso, la gravedad y la edad de aparición es muy variable, y se encuentran formas de miopatía solapadas. En la miopatía nemalínica aparecen unas estructuras no patognomónicas en diversas localizaciones de las fibras musculares tipo 1 conocidas como "bastones nemalínicos", con una composición similar a los discos z del sarcómero.[78]

La patogénesis es muy variada. Muchas mutaciones se dan en la zona de hendidura de la actina, próximas al lugar de unión para nucleótidos, mientras que otras se dan en dominio 2, o bien en las zonas de interacción con las proteínas asociadas, lo que explica la gran variedad de agregados que se forman en estos casos, como cuerpos nemalínicos, intranucleares o cuerpos zebra.[73]​ En la miopatía nemalínica se producen cambios en el plegamiento y en las propiedades de agregación de la actina, y curiosamente también en la expresión de otras proteínas asociadas. En algunas variantes en las que se encuentran cuerpos intranucleares, el cambio en el plegamiento oculta la señal de exportación nuclear, de modo que la agregación de la forma mutante de actina se produce en el núcleo celular.[79]​ En cambio, parece que en las mutaciones de ACTA1 que dan lugar a CFTDM está más afectada la función sarcomérica que la estructura en si.[80]​ Trabajos recientes tratan de aclarar la aparente paradoja de que no exista una correlación clara entre la abundancia de bastones y la debilidad muscular. Parece ser que algunas mutaciones particulares son capaces de inducir una mayor tasa de apoptosis en las fibras musculares tipo II.[40]

Posición de siete mutaciones significativas de las distintas actinopatías relacionadas con ACTA1.

De músculo liso

Existen dos isoformas que codifican actinas del músculo liso:

ACTG2 codifica la isoforma más larga de actina, con nueve exones, uno de ellos, el situado en el extremo 5', que no se traduce.[81]​ Se trata de una gamma actina que se expresa en el músculo liso entérico. No se han encontrado mutaciones que se correspondan a patologías en este gen, aunque se ha visto mediante microarrays que es la proteína que, con diferencia, más aumenta su expresión en los casos de resistencia a la quimioterapia con cisplatino.[82]

ACTA2 codifica una alfa actina localizada en el músculo liso, y también en el músculo liso vascular. Se ha visto que una mutación, la MYH11, podría ser responsable de al menos un 14% de los casos de aneurismas de aorta torácica hereditaria, concretamente el tipo 6, puesto que la variante mutada produce un mal ensamblaje de los filamentos y una reducción de la capacidad de contracción del músculo liso vascular. Se observa en estos individuos degeneración aórtica medial, con áreas de desorganización e hiperplasia, y estenosis de los vasa vasorum de la aorta.[83]​ El número de afecciones en las que podría estar implicado este gen está en aumento. Se le ha relacionado con la enfermedad de Moyamoya, y parece ser que algunas mutaciones en heterocigosis podrían conferir predisposición a muchas patologías vasculares, como el aneurisma de aorta torácica y la cardiopatía isquémica.[84]​ La alfa actina de músculo liso también es un interesante marcador para evaluar la progresión de la cirrosis hepática.[85]

De músculo cardiaco

ACTC1 Es el gen que codifica la isoforma de la alfa actina presente en el músculo cardiaco. Se secuenció por primera vez por Hamada y colaboradores en 1982, observándose que estaba interrumpido por cinco intrones.[86]​ Fue el primer gen de los seis donde se encontraron alelos implicados en procesos patológicos.[87]

Sección de corazón de ratón que muestra signos de miocardiopatía dilatada

Se han encontrado varias disfunciones de la función cardiaca asociadas a mutaciones puntuales en este gen, como miocardiopatía dilatada tipo 1R y la miocardiopatía hipertrófica tipo 11. Recientemente se ha visto que algunos defectos atriales septales también podrían estar relacionados.[88][89]

En el caso de la cardiomiopatía dilatada, se han estudiado dos casos en los que ambos se produce una sustitución en aminoácidos muy conservados pertenecientes a los dominios que se unen a los discos Z e intercalados, todo lo cual lleva a la hipótesis de que la dilatación se produce por un defecto de trasmisión de la fuerza contráctil en los miocitos.[87]

Las alteraciones de ACTC1 son responsables de menos del 5% de las cardiomiopatías hipertróficas.[90]​ También tenemos varias mutaciones puntuales:[91]

  • Mutación E101K: cambios de carga neta y formación de enlace electrostático débil en la posición de unión de la actomiosina.
  • P166A: Zona de interacción entre monómeros de actina.
  • A333P: Zona de interacción actina-miosina.

La patogénesis parece obedecer a un mecanismo compensatorio: Las proteínas mutantes actuarían como "tóxico" con un efecto dominante, disminuyendo la capacidad de contracción con un rendimiento mecánico anormal, de modo que la hipertrofia, que suele ser tardía, sería consecuencia de una respuesta normal del músculo cardiaco al estrés.[92]

Recientemente se han encontrado mutaciones de ACTC1 implicadas en otros dos procesos patológicos: la miocardiopatía restrictiva idiopática infantil,[93]​ y el miocardio ventricular izquierdo no compacto.[94]

De actinas citoplasmáticas

ACTB es un locus muy complejo. Existen multitud de pseudogenes repartidos en todo el genoma, y su secuencia contiene seis exones que puede dar lugar hasta 21 transcritos diferentes por splicing alternativo, conocidos como actinas beta. En congruencia con esta complejidad, también sus productos tienen localizaciones y forman parte de procesos muy distintos (citoesqueleto, complejo NuA4 histona-aciltransferasa, núcleo celular) y por lo mismo también se le ha asociado al mecanismo de gran cantidad de procesos patológicos (carcinomas, distonía juvenil, mecanismos de infecciones, malformaciones en el sistema nervioso e invasividad de neoplasmas, entre otras).[95]​ Curiosamente se ha encontrado una nueva forma de actina, la actina kappa, que parece sustituir a la actina beta en procesos tumorales.[96]

Imagen de microscopía confocal en el que se revela mediante anticuerpos específicos la red cortical de actina. Al igual que en la distonía juvenil, se observa una disrupción de las estructuras del citoesqueleto, en este caso producida mediante citocalasina D.

Hasta el momento se han podido detectar tres procesos patológicos que se deben a una alteración directa de la secuencia de gen:

  • Se ha encontrado una mutación puntual con carácter dominante que produce disfunción de los neutrófilos e infecciones recurrentes. Parece ser que la mutación modifica el dominio de unión con la profilina y otras proteínas reguladoras. La afinidad por la profilina en este alelo está muy reducida.[99]

ACTG1 es el locus que codifica la proteína de la gamma actina citosólica responsable de la formación de microfilamentos del citoesqueleto. Contiene 6 exones, dando lugar a 22 mRNAs distintos, lo cual produce 4 isoformas completas, posiblemente expresadas de una forma dependiente de tejido. También tiene dos promotores alternativos.[100]​ Se ha visto que las secuencias traducidas de este locus y el de la beta actina son más semejantes de lo esperado, sugiriendo una secuencia ancestral común que sufrió duplicación y conversión génica.[101]

Desde el punto de vista patológico, ha sido asociado a procesos como la amiloidosis, la retinitis pigmentosa, mecanismos de infección, enfermedades renales y diversas pérdidas auditivas congénitas.[100]

Relacionadas con mutaciones puntuales autosómico-dominantes en la secuencia, encontramos diversas formas de pérdidas de audición, en especial la sensorineural tipo 20. Parece que afectan de forma específica a los estereocilios de las células ciliadas del Órgano de Corti. La beta actina es la proteína más abundante en los tejidos humanos, pero no así en las células ciliadas, lo que explicaría la localización de la patología. Por otra parte, parece que la mayor parte de estas mutaciones afectan a zonas de unión con otras proteínas, en especial la actomiosina, pero el mecanismo completo no ha sido suficientemente explicado.[73]

Por otra parte, aunque no se tiene constancia de ningún caso, se sabe que la gamma actina también se expresa en el músculo esquelético, y aunque en cantidades muy pequeñas, los modelos animales han mostrado que su ausencia podría dar lugar a miopatías.[102]

Otros mecanismos de patología

Algunos agentes infecciosos utilizan la actina, especialmente la citoplasmática en su ciclo de vida. En bacterias básicamente existen dos formas:

  • Listeria monocytogenes, Rickettsia rickettsii y otros gérmenes escapan de su vacuola, siendo recubierta de una cápsula corta de filamentos de actina. A partir de ellos generan un "cola de cometa" que permite su movilidad. Muchos experimentos han ensayado el mecanismo in vitro. No se emplea ninguna proteína motora tipo miosina, y parece que la propulsión se adquiere por la presión ejercida por la polimerización que tiene lugar cerca de la membrana del parásito, que previamente se ha rodeado de ABP's, que en su configuración mínima se trataría del complejo Arp2/3-, proteínas Ena-VASP, cofilina, una proteína taponante y promotores de la nucleación. Mediante estos movimientos forman protusiones que alcanzan las células vecinas, infectándolas a su vez, de modo que el sistema inmunológico sólo puede combatir la infección mediante la inmunidad celular. La ruta del movimiento podría ser debido a la modificación de la curvatura y desramificación de los filamentos.[103]
  • Otros organismos, como Pseudomonas aeruginosa son capaces de formar un biofilm protector con el que escapan de las defensas del organismo, en especial de los neutrófilos y de los antibióticos empleando ADN y filamentos de actina del hospedador. [104]

En los pasos iniciales de la internalización de algunos virus, notablemente el VIH, se estimula la polimerización de de la actina, por ejemplo inactivando la cofilina.[105]

En los procesos de invasión de las células cancerosas, las protusiones basadas en actina desempeñan un papel aún no aclarado.[106]

Evolución

El citoesqueleto eucariota muestra algunos componentes de gran semejanza a lo largo de la escala filogenética, especialmente la actina y la tubulina. Por ejemplo, el gen ACTG2 de humanos posee en su secuencia de proteínas una equivalencia absoluta con los ortólogos presentes en rata y ratón, si bien a nivel de nucleótidos la identidad disminuye al 92 %.[107]​ No obstante, sí existen mayores diferencias con los equivalentes en procariotas (FtsZ y MreB), que, a su vez, presentan una identidad de secuencia de entre un 40−50% entre las distintas especies de bacterias y arqueas. Algunos autores sugieren que la proteína ancestral que dio lugar al modelo básico de actina eucariota se asemeja a las proteínas del citoesqueleto bacteriano presentes en la actualidad.[108]

Estructura de MreB, una proteína bacteriana cuya estructura tridimensional se asemeja a la actina G.

Algunos autores resaltan que la actina, la tubulina y las histonas, un tipo de proteínas implicadas en la estabilización y regulación del ADN, presentan similitudes en su capacidad de unir nucleótidos y en su funcionamiento basado en el aprovechamiento del movimiento browniano; más aún, sugieren que todos ellos podrían derivar de un ancestro común.[109]​ Por tanto, los mecanismos evolutivos diversificaron la proteína ancestral en las variantes hoy presentes, conservando, entre otras, las actinas como moléculas eficaces para abordar procesos biológicos antiguos y esenciales, como la endocitosis.[110]

Equivalentes en bacterias

Si bien las bacterias no tienen un citoesqueleto comparable en complejidad al de los eucariotas, se han descrito proteínas de alta similitud con los monómeros y polímeros de actina. La proteína MreB de bacterias polimeriza en filamentos con una repetición de monómeros similar a la propia de la actina F. Más aún, su estructura cristalina es muy semejante a la actina G (en cuanto a conformación tridimensional), e incluso existen equivalencias entre los protofilamentos de MreB y la actina F. El citoesqueleto bacteriano también posee entre sus componentes las proteínas FtsZ, semejantes a la tubulina.[111]

Por tanto, las bacterias poseen un citoesqueleto con elementos homólogos a la actina (por ejemplo, MreB, ParM, y MamK), si bien la secuencia aminoacídica de estas proteínas diverge de las presentes en células animales. No obstante, estructuralmente MreB y ParM poseen una alta similitud estructural a la actina eucariota. Los microfilamentos, altamente dinámicos, generados mediante agregación de MreB y ParM son esenciales para la viabilidad celular y participan en la morfogénesis de la célula, segregación del genóforo, y polaridad celular. ParM, un homólogo de la actina codificado en un plásmido, interviene en la gestión del ADN plasmídico.[112]

Aplicaciones

El aprovechamiento de la actina en los laboratorios de ciencia y tecnología derivan de su participación como raíl de motores moleculares como la miosina (ya en el músculo, ya fuera de él), y de su presencia necesaria para el funcionamiento celular. En cuanto a la clínica, dado que algunas variantes anómalas de la actina están relacionadas con la aparición de patologías, su detección es un criterio diagnóstico.

  • Nanotecnología. Los sistemas actina-miosina actúan como motores moleculares que permiten el transporte de vesículas y orgánulos a lo largo del citoplasma. Existen experimentos que aprovechan esta capacidad dinámica incluso in vitro, es decir, en sistemas acelulares, por lo que se ha postulado una aplicación nanotecnológica del sistema. La idea subyacente es emplear los microfilamentos como raíles sobre los cuales una o más proteínas motoras se deslicen acarreando una determinada carga; es decir, definir un circuito espacial por el que pueda transportarse de forma dirigida y más o menos controlada una determinada carga. En cuanto a aplicaciones generales, se habla del transporte dirigido de moléculas para lograr su liberación en lugares concretos, lo que permitiría al ensamblaje de nanoestructuras de forma controlada.[113]​ Estas capacidades podrían ser aplicadas en chips de investigación como los lab-on-a-chip, en nanocomponentes mecánicos y en nanotransformadores de energía mecánica en eléctrica.[114]
  • Control interno en técnicas de biología molecular, como el western blot y la PCR en tiempo real. Debido a que la función de la actina es necesaria para la superviviencia celular, se postuló que sus cantidad está tan controlada a nivel de producción celular que puede asumirse que su transcripción (es decir, el grado de expresión de sus genes) y traducción (esto es, la generación de proteína) es prácticamente constante, independientemente de las condiciones experimentales. Por esta razón, en los estudios de cuantificación de proteínas (western blot) y de transcritos (PCR en tiempo real) suele realizarse además de la cuantificación del gen de interés la de un gen de referencia, como la mencionada actina. Dividiendo la cantidad del gen de interés por la de la actina es posible obtener una cantidad relativa comparable entre distintos experimentos,[115]​ siempre y cuando la expresión de esta última no varíe; cabe destacar que no la actina no siempre presenta la deseada estabilidad en su expresión.[116]
  • Clínica. Algunos alelos de la actina son causantes de de patologías, por lo que se han desarrollado técnicas para su detección. Además, la actina puede emplearse como marcador indirecto en patología quirúrgica: es posible emplear variaciones en pauta de localización en los tejidos como marcadores de invasión de neoplasias, vasculitis y otros.[117]​ También, debido a su relación con el aparato contráctil muscular, la atrofia provoca la disminución de sus niveles en el músculo esquelético, por lo que puede emplearse como marcador de este fenómeno.[118]
  • Tecnología de los alimentos. La determinación de la calidad de algunos alimentos procesados, como los embutidos, pasa por la cuantificación de su contenido en carne. Clásicamente se ha utilizado un método basado en la detección de la 3-metilhistidina en hidrolizados de estos productos, pues se trata de un compuesto presente en la actina y la cadena pesada de la miosina F (ambos componentes mayoritarios del músculo). La generación en el animal del compuesto se debe a la metilación de residuos de aminoácidos histidina presentes en ambas proteínas.[119][120]

Véase también

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