Atlas de histología vegetal y animal
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La célula. 7. Citosol. Citoesqueleto.

FILAMENTOS de ACTINA


Los filamentos de actina constituyen uno de los componentes del citoesqueleto. En las células animales suelen ser más abundantes cerca de la membrana plasmática, donde forman un entramado cortical que proporciona soporte a la membrana plasmática, y a la la célula. Sin embargo, su distribución y organización intracelular depende mucho del tipo celular. Por ejemplo, en las células de las plantas y en los hongos su distribución es distinta puesto que la función de soporte la realiza la pared celular.

 Actina

Esquema de la disposición de los filamentos de actina en una célula animal en cultivo.

Los filamentos de actina realizan infinidad de funciones en las células. Así, sin estos filamentos una célula no podría dividirse, moverse, realizar endocitosis, ni fagocitosis, ni sus orgánulos se comunicarían entre sí. En las células animales, además, es un armazón de soporte para mantener o cambiar la forma celular. Grandes avances en el conocimiento de la funcionalidad de los filamentos de actina se han basado en la utilización que hacen de ella ciertos patógenos para llevar a cabo las infecciones celulares. La manipulación de estos patógenos y la obtención de mutantes ha ayudado a comprender muchos de los aspectos funcionales de los filamentos de actina.

 Actina

Imágenes de células en cultivo donde los filamentos de actina, detectados mediante anticuerpos, aparecen de verde fluorescente. Nótese su concentración en la zona periférica de la célula. (Imágenes cedidas por Sheila Castro Sánchez. Depto. Bioquímica, Genética a Inmunología. Universidad de Vigo).

 Actina

Imagen de microscopía electrónica de transmisión donde se pueden observar los filamentos de actina próximos a la superficie de la célula, bajo la membrana plamática.

Estructura

Los filamentos de actina se forman por la polimerización de una proteína globular denominada actina, que puede aparecer en dos variantes: alfa y beta actina. La beta actina es la más frecuente y aparece en la mayoría de las células animales. Su secuencia de aminoácidos difiere ligeramente de la alfa actina, la cual abunda en el músculo. La actina es una proteína citosólica muy abundante, representa aproximadamente el 10 % del total de las proteínas citosólicas. Una parte de las moléculas totales de actina de una célula se encuentra formando parte de los filamentos (F-actina) y el resto son proteínas no polimerizadas (G-actina) disueltas en el citosol. Estas proporciones varían según las necesidades celulares, es decir, el número y la longitud de los filamentos de actina cambia por polimerización y despolimerización.

Los filamentos de actina poseen unos 7 nm de diámetro. Es el valor más pequeño dentro de los filamentos que componen el citoesqueleto, por ello también se denominan microfilamentos. Poseen un extremo denominado más y otro denominado menos, es decir, son filamentos polarizados. Ello es consecuencia de la disposición ordenada de las moléculas de actina en el filamento, puesto que siempre se ensamblan con la misma orientación. El extremo más se denomina así porque en él predomina la polimerización, adición de nuevas moléculas de actina, respecto a la despolimerización, mientras que en el extremo menos predomina la despolimerización. El mecanismo de crecimiento y acortamiento de la longitud de los filamentos de actina es por polimerización y despolimerización, respectivamente, de monómeros de actina. En la célula se crean y se destruyen filamentos de actina continuamente. Es el componente del citoesqueleto más dinámico. Los filamentos de actina son más abundantes, más cortos y más flexibles que los microtúbulos, a los que veremos en el siguiente apartado.

 Filamento de actina

Esquema de un filamento de actina donde se muestra como las moléculas de actina se disponen de forma helicoidal. Es una estructura polarizada donde las constantes de asociación y disociación de la actina son diferentes en los dos extremos (flechas verdes), aunque en ambos siempre es mayor la constante de asociación para la molécula de actina unida al ATP. Una vez polimerizada, se hidroliza el ATP de la molécula de actina liberando Pi y quedando por tanto el ADP unido a la molécula de actina (modificado de Pollard y Earnshaw, 2007).

Las condiciones y la concentración de las moléculas de actina libres (G-actina) en el citosol impiden que se asocien espontáneamente para formar filamentos. Los dímeros o trímeros de actina son muy inestables y la actina libre realmente es muy escasa puesto que suele está secuestrada por otras proteínas como la timosina y la profilina. Por ello, la nucleación o formación de nuevos filamentos es posible gracias a la presencia de complejos proteicos nucleadores, como los Arp2/3, las forminas y proteínas con dominios de unión de actina como Spire, Cobl y Leiomodin. Arp2/3 actúan como moldes para la formación de un nuevo filamento, mientras que las forminas estabilizan uniones espontáneas de proteínas de actina, favoreciendo la formación y elongación del microfilamento. Esto es tremendamente útil para la célula puesto que permite crear nuevos filamentos sólo allí donde se necesitan mediante la ubicación precisa de las proteínas nucleadoras.

Organización

Una de las grandes ventajas de los filamentos de actina es su versatilidad, es decir, la facilidad con que se crean y se destruyen, así como por su capacidad de asociarse y formar estructuras tridimensionales muy diferentes. Esta capacidad se debe a un ejército de proteínas denominadas proteínas accesorias o moduladoras de la actina, de las cuales existen más de 100 tipos diferentes. Se podría decir que utilizan a los filamentos de actina como material de construcción. Estas proteínas accesorias regulan la velocidad de creación y destrucción de filamentos, la velocidad de polimerización, la longitud de los filamentos de actina, así como su ensamblado para formar estructuras tridimensionales. De hecho, prácticamente no existen ni microfilamentos, ni proteínas de actina, "desnudos" en el citosol, sino siempre unidos a alguna proteína accesoria.

Las proteínas accesorias se pueden clasificar en diferentes tipos según su acción sobre los filamentos de actina: a) Afectan a la polimerización. Algunas proteínas, como la profilina, se unen a las proteínas de actina libres y favorecen su unión a filamentos preexistentes, mientras otras, como la timosina, inhiben su unión, evitando la polimerización espontánea. Ya se mencionó a las proteínas nucleadoras como la Arp2/3 y la formina. b) Hay proteínas accesorias que afectan a la organización tridimensional, como las fimbrina y la α-actinina, que permiten la formación de haces de filamentos de actina mediante el establecimiento de puentes cruzados entre filamentos, mientras otras, como la filamina, permiten la formación de estructuras reticulares. c) Ciertas proteínas accesorias, como la cofilina, la katanina o la gesolina, provocan la rotura y remodelación de los filamentos de actina; d) También hay proteínas que median en la interacción de los filamentos de actina con otras proteínas relacionadas, como es el caso de la tropomiosina, que media la interacción entre actina y miosina. e) Las proteínas de anclaje son intermediarias que permiten la unión de los filamentos de actina a estructuras celulares como los complejos de unión, a la membrana plasmática u otras membranas del interior celular. Algunas de estas proteínas pueden realizar más de una función. Por ejemplo, la formina no sólo permite la nucleación de nuevos filamentos de actina, sino que también favorece la polimerización de éstos mediante la atracción de actina-profilina a su extremo más. Además, participa en la formación de haces cruzados de filamentos de actina.

 Organización de actina

La polimerización y despolimerización de los filamentos de actina se ven afectadas por numerosas proteínas denominadas accesorias. En este esquema se muestran algunas de las disposiciones de los filamentos de actina en la célula, así como ejemplos de las moléculas accesorias que los provocan (modificado de Pollard y Earnshaw, 2007).

Existen factores adicionales que condicionan la acción de estas proteínas accesorias, como la variación en la concentración de calcio, proteínas como las Rho-GTPasas, la presencia de lípidos o la mayor o menor expresión génica de sus ARN mensajeros. También hay drogas que afectan a la polimerización de los filamentos de actina. Por ejemplo, las citocalasinas impiden la polimerización y las faloidinas impiden la despolimerización.

Miosinas

Gran parte de las funciones que realizan los filamentos de actina se deben a su asociación con unas proteínas motoras denominadas miosinas. Las miosinas se llaman proteínas motoras porque son capaces de generar fuerzas de tracción con gasto de ATP y moverse por el filamento de actina hacia el extremo más. Estas fuerzas pueden mover estructuras celulares a lo largo del filamento de actina, o desplazar unos filamentos de actina sobre otros. Si la miosina está anclada lo que se mueve es el filamento de actina. Las miosinas forman en realidad una familia de proteínas muy diversa con más de 40 miembros en mamíferos, que se nombran con números romanos: miosina I, II, III, etcétera. Las moléculas de miosina I tienen una cabeza con la que se unen a los filamentos de actina y una cola para unir otros elementos, los cuales son arrastrados a lo largo del filamento de actina. Aparecen en la mayoría de las células y sirven para el desplazamiento intracelular de orgánulos. La familia de la miosina II se encuentra fundamentalmente en el músculo, aunque también aparece en otras células. Se suelen asociar unidas a través de sus colas. Así, arrastran (deslizan) a los filamentos de actina en direcciones contrarias produciendo acortamiento del armazón de filamentos, muy útil para la contracción muscular, para acortar haces de filamentos de actina, o para estrangular porciones de citoplasma u orgánulos (ver más abajo). Las miosinas V y VI desplazan cargas, sobre todo orgánulos, a lo largo de los filamentos de actina. Las miosinas VII y X participan en la formación de extensiones citoplasmáticas (ver más abajo).

Funciones

 Organización de actina

Los filamentos de actina se organizan en una capa bajo la membrana plasmática de las células animales.

 Organización de actina

Algunas moléculas de adhesión están conectadas con los filamentos de actina mediante proteínas intermediarias.

Forma celular

Cerca de la membrana plasmática hay una capa de filamentos de actina de unos 100 nm de espesor tramados entre sí por proteínas accesorias y por otras que enlazan a los filamentos de actina con moléculas de la membrana plasmática, proteínas y lípidos. En este entramado también hay miosina que genera fuerzas entre filamentos de actina y cambiar la diposición de la membrana. Esta capa permite a la célula resistir y contrarrestar fuerzas mecánicas, o generarlas, así como condicionar la forma de las células. La organización de los filamentos de actina en la superficie puede cambiar en función de la fuerza mecánica que se aplique a dicha superficie. Las células animales no poseen pared celular, por tanto la forma celular depende en gran medida de los filamentos de actina, bien por los armazones que forman en la zona cortical de la célula, bien por su iteracción directa con proteínas de adhesión como las integrinas.

En muchas células animales las forma celular depende de cómo sean sus contactos adhesivos, bien con la matriz extracelular o con otra células. Las integrinas median la adhesión de las células a la matriz extracelular. En su lado citosólico, estas moléculas están conectadas con los filamentos de actina de manera que se establece una continuidad estructural entre el citoesqueleto y el medio externo. Hay complejos de unión entre células en los que también participan los filamentos de actina: las uniones estrechas y las uniones adherentes. Las proteínas de adhesión claudinas y ocludinas en las primeras, y en las cadherinas en las segundas, a través de proteínas interpuestas, están conectadas con los filamentos de actina. De manera que es el entramado de filamentos de actina de la célula, sobre todo células epiteliales, los que sienten y transfieren estas fuerzas mecánicas de adhesión.

Dominios de membrana

Los filamentos de actina afectan a la movilidad lateral de las proteínas de membrana creando barreras a modo de cercas en la cara citosólica de la membrana plasmática que delimitan áreas. Esto impide largos desplazamientos laterales por difusión de las proteínas de la membrana.

Movimiento celular

Las células no nadan sino que se desplazan arrastrándose por el medio que las rodea, y ello se hace por un mecanismo para reptar, como ocurre en las células embrionarias durante el desarrollo, en el desplazamiento de las amebas, en la invasión de los linfocitos de los tejidos infectados o en los conos de crecimiento de los axones cuando buscan sus dianas. Se sabe que para el desplazamiento celular se necesitan una serie de pasos: extensión de porciones citoplasmáticas hacia la dirección del movimiento, adhesión de éstas al sustrato y arrastre del resto de la célula mediante tracción hacia esos puntos de anclaje. Las extensiones citoplasmáticas reciben diferentes nombres según su forma y organización: lamelipodios, filopodios y podosomas. Todas ellas dependen de los filamentos de actina puesto que cuando a las células en movimiento se las trata con citocalasinas, un inhibidor de la polimerización de los filamentos de actina, las expansiones desaparecen y el desplazamiento se detiene, luego indica que la actina tiene un papel importante en su formación. De hecho es la polimerización de los filamentos de actina lo que empuja a la membrana plasmática y da forma a estas expansiones.

 Podios

Expansiones celulares provocados por los filamentos de actina y sus proteínas accesorias.

Los lamilopodios son extensiones más o menos aplanadas producidas por la polimerización de filamentos de actina que se organizan en un entramado ramificado, en vez de formar haces. Los lamelipodios parecen ser un mecanismo para el desplazamiento celular, pero también participan en la macropinocitosis y fagocitosis. Se requiere de las proteínas nucleadoras Arp2/3, pero también de la formina, para la polimerización de los filamentos de actina. Los filopodios pueden surgir de los propios lamelipodios o de forma independiente. Los típicos tienen unas pocas micras de grosor y no más de 10 micras de longitud. Están formados por unas pocas docenas de filamentos de actina formando un haz. Los podosomas son un tipo de expansión celular que hace contacto con la matriz extracelular mediante integrinas localizadas en su superficie, y también cuentan con metaloproteinasas para degradar la matriz. Los podosomas los desarrollan los macrófagos, células dendríticas, osteoclastos y endotelio. Los podosomas contienen un esqueleto central de filamentos de actina ramificado, rodeado por filamentos no ramificados de actina, además de por integrinas y otras proteínas de adhesión. Actúan a modo de mecanosensores que tantean medio que rodea a las células y están implicados en el desplazamiento celular. Los invadosomas son un tipo de extensión celular mediada por actina y similar a los podosomas, pero más largos, típicos de las células tumorales. Los podosomas son mucho menos duraderos que los invadosomas y es probable que por ello sean también mucho más cortos.

 Actina

Haces de filamentos de actina formando las denominadas fibras de estrés durante el desplazamiento celular. El grupo de integrinas, junto con los filamentos de actina y proteínas de conexión forman una adhesión focal.

Cuando estas expansiones contactan con algún lugar del medio extracelular, matriz extracelular o la superficie de otra célula, se unen a él gracias a proteínas de adhesión como las integrinas. Una vez anclada, la célula arrastra sus componentes intracelulares hacia el lugar de adhesión. Este arrastre está mediado por las denominadas fibras de estrés, formadas por filamentos de actina y por miosina, las cuales se anclan a las proteínas de adhesión mediante proteínas intermediarias. Algo característico de estas estructuras es que los filamentos de actina no están todos orientados de la misma forma.

 Actina

Participación de los filamentos de actina en la formación de vesículas recubiertas, macropinocitosis y fagocitosis, Las flechas indican la dirección hacia la que se curva la membrana plasmática.

Vesículas
Formación y fusión de vesículas.

Organización interna

Los filamentos de actina que se encuentran próximos a la membrana plasmática, en la denominada corteza celular, participan en procesos de formación de vesículas, macropinocitosis y fagocitosis. La formación y escisión de vesículas en la membrana plasmática no se realiza si se impide la polimerización de los filamentos de actina. La emisión de las expansiones celulares durante la macropinocitosis o la fagocitosis dependen de la polimerización de de filamentos de actina.



 Movimiento de orgánulos

Los filamentos de actina funcionan como raíles por los cuales los orgánulos se transportan arrastrados por las miosinas.

Los orgánulos han de moverse por el interior de la célula, bien porque deben llegar a un lugar determinado o porque la célula reorganiza su contenido interno. Los filamentos de actina participan en estos movimientos con ayuda de la proteína motora miosina. La participación de los filamentos de actina es relevante en las células de las plantas, donde se encargan de la mayor parte del movimiento intracelular. Esto es claro cuando se mueven las cisternas del aparato de Golgi, o en el movimiento de los cloroplastos. El movimiento de los cloroplastos se puede observar bajo el microscopio, fenómeno conocido como ciclosis. En las células animales el movimiento de los orgánulos se lleva a cabo por los microtúbulos y por los filamentos de actina. La actina tiene otra forma de mover orgánulos un tanto extraña: un filamento de actina corto se une a un orgánulo por uno de sus extremos y es la polimerización del filamento de actina, su alargamiento, lo que impulsa al orgánulo a través del citoplasma.

Los filamentos de actina son fundamentales en la vida de las mitocondrias. Junto con el retículo endoplasmático participan en los procesos de fisión de estos orgánulos.

Contracción muscular

Vesículas
Célula muscular estriada

En las células musculares muchas moléculas de miosina II se asocian para formar los filamentos gruesos del músculo, los cuales tienen una polaridad como una flecha de doble cabeza. En el músculo estriado cada una de estas cabezas arrastra a filamentos de actina (filamentos delgados) hacia el punto intermedio entre ellas, lo que se traduce en una contracción celular. En el músculo liso actúa otro mecanismo mediante el cual el calcio produce una fosforilación de la miosina II permitiéndole la interacción con la actina. Este último proceso es mucho más lento porque se necesita que las proteínas quinasas lleguen a sus lugares de acción.

 Movimiento de orgánulos

Los filamentos de actina, junto con los de miosina II, forman el sarcómero de las células musculares.

Citocinesis

El estrangulamiento final del citoplasma durante el proceso de división de las células animales se produce gracias a la formación de un anillo de filamentos actina, que, ayudado por la miosina II, va estrechando su diámetro progresivamente hasta la separación completa de los dos citoplasmas de las células hijas.

Citocinesis

Citocinesis.

 Actina

Los filamentos de actina, junto con la miosina II, se asocian para formar el anillo contráctil que estrangula el citoplasma durante la citocinesis.

Microvellosidades

Las microvellosidades son expansiones filiformes estables que permiten a la célula aumentar enormemente la superficie de su membrana plasmática. Aparecen en muchos tipos celulares como las células epiteliales del tubo digestivo, las del tubo contorneado proximal del riñón, y otras muchas. Cada microvellosidad tiene de 1 a 2 µm de longitud y 0.1 µm de diámetro, y contiene en su interior varias docenas de filamentos de actina orientados paralelos al eje longitudinal. Estos filamentos están interconectados por proteínas como la miosina, fimbrina y vilina, por lo que se cree que tienen cierta capacidad de movimiento. Además, se encuentran unidos a la membrana celular por otras proteínas de enlace. En la base de las microvellosidades aparece un entramado llamado red terminal, formado fundamentalmente por actina, espectrina, miosina II y tropomiosina, al cual se conectan los haces de actina que forman las microvellosidades.

Vesículas
Microvellosidades
 Microvellosidades

En la parte apical de algunas células epiteliales los filamentos de actina son el esqueleto de numerosas expansiones filiformes denominadas microvellosidades.

Bibliografía

Svitkina TM. 2018. Ultrastructure of the actin cytoskeleton. Current opinion in cell biology. 54:1-8.

Rottner K, Faix J, Bogdan S, Linder S, Kerkhoff E. 2017. Actin assembly mechanisms at a glance. Journal of cell science. 130: 3427-3435. Leer el artículo



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Actualizado: 05-06-2018. 12:16