Atlas de histología vegetal y animal

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 (Figuras 1, 2 y 3) que proporciona soporte a la membrana plasmática, y a la célula. Sin embargo, su distribución y organización intracelular depende mucho del tipo celular. Por ejemplo, su distribución es distinta en las células de las plantas y en los hongos puesto que la función de soporte de la membrana plasmática la realiza la pared celular.

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, forman un armazón de soporte para mantener o cambiar la forma celular. Los filamentos de actina son uno de los principales responsables de la contracción muscular que permite el movimiento en los animales. 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 han ayudado a comprender muchos de los aspectos funcionales de los filamentos de actina.

1. Estructura

Los filamentos de actina se forman por la polimerización de una proteína globular denominada actina (Figura 4), 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 que 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 libres (G-actina), es decir, no polimerizadas y 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 de los tres tipos de filamentos que componen el citoesqueleto: filamentos de actina, microtúbulos y filamentos intermedios, y 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 proteínas de actina. En la célula se crean y se destruyen filamentos de actina continuamente, y este proceso está controlada por las proteínas asociadas a la actina (ver más abajo). 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.

2. Nucleación

La mayoría de la actina que no está unida formando filamentos está asociada a una proteína denominada profilina, es decir, hay una cantidad ínfima de actina "desnuda" en el citosol. Las condiciones y la concentración normales de las moléculas no asociadas en el citosol no favorecen que se unan espontáneamente para formar filamentos. Además, los dímeros o trímeros de actina formados espontáneamente son muy inestables. 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 otras proteínas con dominios de unión a la actina como Spire, Cobl y Leiomodin. Los complejos Arp2/3 actúan como moldes para la formación de un nuevo filamento. Primero, los complejos Arp2/3 tienen que ser activados y después se asocian a la parte lateral de un filamento de actina ya polimerizado. Desde ese punto y en un ángulo de 70° se genera un nuevo filamento de actina. Las forminas estabilizan uniones espontáneas de proteínas de actina, favoreciendo la formación y elongación del microfilamento. Esta versatilidad de formación de nuevos filamentos de actina por las diferentes proteínas nucleadoras 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. Por ejemplo, las forminas son las responsables de formar los anillos de escisión durante la citocinesis (ver más abajo).

3. Organización

Una de las grandes ventajas de los filamentos de actina es 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 (Figura 5). 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 todos los microfilamentos, así como las proteínas de actina libres, están 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 favorecen la unión la unión de moléculas de actina al filamento de actina para que crezca, mientras que otras lo inhibe. La profilina favorece la unión de la actina libre al extremo más, pero no al extremo menos. La timosina también se puede unir a la actina libre inhibiendo la polimerización de los filamentos. 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. Cada una de estas proteínas aporta características diferentes a estos entramados. Por ejemplo, a α-actinina crea haces de filamentos de actina que son resistentes a fuerzas puntuales, pero permiten el desplazamiento si las fuerzas son débiles y prolongadas en el tiempo. c) Ciertas proteínas accesorias, como la cofilina, la severina y la gelsolina, provocan la rotura y remodelación de los filamentos de actina, mientras que otras como la profilina, actuando en el extremo menos y las proteínas caperuza en el extremo más, los estabilizan. 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 en las células musculares. e) Las proteínas de anclaje son proteínas intermediarias que permiten la unión de los filamentos de actina a estructuras celulares como a los complejos de unión, a la membrana plasmática o a 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.

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.

4. 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. Así, las miosinas pueden arrastrar estructuras celulares a lo largo del filamento de actina, o deslizar unos filamentos de actina sobre otros. Si la miosina está anclada, entonces lo que se arrastra 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. Puesto que tienen una sola estructura globular como elemento motor, tienen que asociarse varias moléculas de miosina I para producir movimiento. La miosina aparece en la mayoría de las células y sirve para el desplazamiento intracelular de orgánulos. Evolutivamente, la miosina I apareció antes que la miosina II. La miosina II se encuentra fundamentalmente en el músculo, aunque también aparece en otras células. Las moléculas de miosina II suelen asociarse entre sí por sus colas formando filamentos, de una manera en la que las dos mitades de ese segmento contienen moléculas de miosina con las cabezas orientadas hacia su extremo correspondiente. Así, estos filamentos pueden arrastrar (deslizar) a los filamentos de actina en sentidos contrarios hacia la zona central del filamento de miosina. De esta manera se produce acortamiento del armazón de filamentos durante contracción muscular. La miosina II también participa en el estrangulamiento de 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).

5. Funciones

Forma celular

Cerca de la membrana plasmática hay una capa de unos 100 nm de espesor formada por filamentos de actina (Figura 6) tramados entre sí por proteínas accesorias y por otras proteínas que enlazan a los filamentos de actina con proteínas y lípidos de la membrana plasmática. Normalmente este entramado es más grueso en células diferenciadas que en células que se están dividiendo. En este entramado también hay miosinas que generan fuerzas entre filamentos de actina y cambian la disposición 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. Esta capa bajo la membrana cambia también según el tipo celular, incluso la región de la célula estudiada. A veces, ni siquiera es observable en algunos puntos. Las proteínas nucleadoras Arp 2/3 contribuyen a la formación y remodelación de este entramado cortical. 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 la interacción directa de éstos 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 (Figura 7). Las integrinas median la adhesión de las células a la matriz extracelular. En su lado citosólico, estas moléculas transmembrana 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 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 en las células epiteliales, el que "siente" y transfiere 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 de reptación, 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 (Figura 8) 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. Esto 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.

Los lamelipodios 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 de actina no ramificados, además de por integrinas y otras proteínas de adhesión. Actúan a modo de mecanosensores que tantean el medio que rodea a las células y están implicados en el desplazamiento celular. Los invadosomas son un tipo de extensión celular mediada por actina, son similares a los podosomas, pero más largos, y típicos de las células cancerosas. Los podosomas son mucho menos duraderos que los invadosomas y es probable que por ello sean también mucho más cortos.

Cuando estas expansiones contactan con algún lugar del medio extracelular, bien la matriz extracelular o la superficie de otra célula, se unen a él gracias a proteínas de adhesión como las integrinas and cadherins. Una vez anclada, la célula arrastra sus componentes intracelulares hacia el lugar de adhesión. Este arrastre está mediado por las denominadas fibras de estrés (Figura 9), 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. En conjunto forman estructuras de adhesión denominadas uniones focales.

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 (Figura 10). 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 filamentos de actina.

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 (Figura 11). 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. También el movimiento de vesículas del tráfico vesicular está en gran parte mediado por filamentos de actina, con ayuda de la miosina. En las células animales el movimiento de los orgánulos se lleva a cabo tanto por los microtúbulos como 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

Muchas moléculas de miosina II se asocian para formar los filamentos gruesos de las células musculares estriadas esqueléticas. Estas fibras de miosina tienen una polaridad como una flecha de doble cabeza (Figura 12). En el músculo estriado esquelético 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 enzimas quinasas lleguen a sus lugares de acción.

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 (Figura 13). Este anillo necesita de la colaboración de docenas de proteínas diferentes que van entrando en funcionamiento de forma se secuencial. La nucleación de los filamentos de miosina se produce inicialmente en pequeños puntos llamados nodos formados por miosia II y formina. Los filamentos de miosina nucleados en cada nodo interaccionan entre sí, y la acción de arrastre de la miosina II provoca la formación y constricción del anillo de escisión. Es interesante que a medida que el diámetro del anillo es menor también lo es el número de filamentos de actina.

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 (Figura 14). 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.

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  • Bibliografía

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