F-actina

Estructura cristalina de la F-actina, 2zwh

Las unidades de actina filamentosa (F-actina) también se denominan microfilamentos y son componentes proteínicos altamente conservados que se encuentran de forma casi ubicua en los citoesqueletos eucariotas. La F-actina y otras proteínas de actina generalmente tienen funciones estructurales en las células.

Introducción

La actina se encuentra en casi todas las células eucariotas y es conocida principalmente por su función como proteína estructural y de translocación. También tiene una función de ATPasa, ya que hidroliza ATP a ADP y Pi y sufre cambios conformacionales con cada hidrólisis. La actina pertenece a la superfamilia de la actina, que incluye otras proteínas como la Hsp70(DnaK), la Hsc70 y la hexoquinasa, debido a su cambio conformacional dependiente de los nucleótidos. Debido a la similitud observada entre la Hsc70 de Escherichia Coli y el dominio ATPasa de la actina, se cree que ambas proteínas tienen una ascendencia común. No se sabe que los procariotas tengan actina, pero sin embargo tienen un homólogo de la actina, MreB, lo que también lleva a la idea de un posible ancestro común.

La actina se presenta en dos formas: la actina globular (G-actina), las unidades monoméricas libres de actina, y la actina filamentosa (F-actina) que es la forma polimérica. Estas dos formas existen en un equilibrio dinámico entre ellas, ya que la polimerización y la despolimerización asociadas al ATP se producen continuamente dentro de la célula. Las unidades de monómero en la F-actina poseen una forma que es distinta de la forma monomérica libre y es un resultado de ese cambio que puede observarse la actividad ATPasa más específica.

Ensamblaje

(1J6Z).

La G-actina es la forma monomérica libre de actina que se polimeriza a F-actina. Las estructuras de la actina globular y filamentosa son distintas entre sí en numerosos aspectos, a pesar de que la G-actina comprende la F-actina. Cuando la actina monomérica se polimeriza en F-actina, la unidad se aplana. Además, la F-actina posee una función ATPasa que es mínima en la G-actina. Los dominios y el sitio activo son los mismos en términos de componentes constituyentes y se discutirán más adelante en términos del monómero de F-actina.

La G-actina parece tener más ligandos en su estructura, externos al sitio activo. Se cree que sólo 3 de los 5 existen realmente en solución y se cree que contribuyen a la polimerización de G-actina a F-actina. Esta representación de la G-actina también posee una que se observa en algunas estructuras cristalinas de actina pero no necesariamente. La molécula observada en Cys374, se utilizó para bloquear la actividad de polimerización y así poder observar el cristal de G-actina

La formación de F-actina es un proceso dinámico de ensamblaje y desensamblaje que se ha denominado «treadmilling». La transición entre la G y la F-actina comienza con un oligómero estabilizado de unidades de ATP-actina formado a través de un patrón de plegado de tipo nucleación-condensación. Posteriormente, se produce la adición de unidades de ATP-monómero a cualquiera de los extremos; sin embargo, debido a una diferencia en la polaridad de la carga en los dos extremos, se produce una adición preferente a lo que se denomina el «extremo positivo (+)» o el «extremo con púas». En el extremo opuesto, el «extremo negativo (-)» o el «extremo puntiagudo», se produce una disociación preferente de las unidades de actina.

Después de la unión de la actina unida a ATP, se produce la hidrólisis del ATP dando lugar al estado unido a ADP y Pi. La pérdida posterior de un Pi deja el estado ADP-actina. Debido al potencial de adición o eliminación de unidades monoméricas en ambos extremos, el ensamblaje de la F-actina puede describirse en términos de equilibrio. Sin embargo, dado que la velocidad de asociación ATP-actina es diez veces mayor que la de disociación ADP-actina, la f-actina tiene la apariencia de avanzar, o «treadmilling». Los monómeros de ADP-actina se disocian en el extremo negativo y se reciclan a ATP-actina para que pueda producirse de nuevo la polimerización en el extremo positivo.

Estructura

Historia de la estructura

La proteína F-actina fue descubierta por Straub en 1942. La estructura se especuló basándose en una cristalografía de rayos X de baja resolución encontrada en 1990 por Holmes et al. y durante este tiempo se aceptó el «modelo de Holmes». En cambio, la estructura de la G-actina se ha determinado de forma independiente más de 30 veces. Un modelo de F-actina de mayor resolución sólo fue depositado recientemente en el banco de datos PDB en diciembre de 2008 por Oda et al. .

F-actina monómero y polímero

(2zwh)

Monómero

Cada unidad monomérica de F-actina tiene, como parte de su estructura terciaria, varios bucles que son importantes para su ensamblaje a la F-actina polimérica. Estos bucles sufren cambios de conformación en función del estado del nucleótido unido o sirven como regiones a las que se unen las unidades monoméricas de actina adyacentes. El actúa como un «interruptor» de conformaciones, basado en el nucleótido unido. Los residuos del bucle de unión a la DNAse I (40-50), además de sufrir cambios conformacionales que afectan a la estabilidad, se unen a las enzimas de la DNAse I y se especula que mantienen la sujeción de la DNAse I. El bucle hidrofóbico, que abarca los residuos 264-273, y el , que abarca los residuos 165-172, funcionan como sitios a los que se pueden unir los bucles D monoméricos de actina adyacentes. Una función similar se observa para los residuos (374-375).

La molécula de F-actina, como se muestra aquí, consta de 375 residuos (43kDa) y dos ligandos, ADP y Ca2+. Tiene dos dominios principales separados por una hendidura de unión a nucleótidos. Dependiendo del estado del nucleótido unido, la conformación más estable de la F-actina cambia. En sus estados de unión de nucleótidos ATP y ADP + Pi, tiene una hendidura de unión cerrada. En su estado de unión sólo al ADP, tiene una hendidura de unión más ampliaUn rasgo característico de la actina es que los dominios permanecen retorcidos entre sí, a pesar de los cambios conformacionales dependientes del estado del nucleótido.

Polímero de actina F (basado en la estructura de actina F de Ken Holmes)

Polímero

La actina F tiene la apariencia de dos hélices derechas, con una torsión gradual alrededor de la otra. En realidad se compone de repeticiones de 13 unidades de actina por cada 6 vueltas a la izquierda, abarcando una longitud de 350 Å.

Cambios conformacionales dependientes del estado del nucleótido

El estado del nucleótido fosforilado unido afecta a la conformación que adopta el monómero de F-actina. La presencia de un gamma-fosfato en el sitio activo provoca la rotación de un residuo Ser14. Este cambio hace que una histidina metilada (HIC73) se desplace, lo que altera el sitio activo de la F-actina y provoca un cambio conformacional en el bucle D. La HIC73 se encuentra en el «bucle sensor», o el «interruptor» para vincular los cambios en el nucleótido unido a los cambios conformacionales. En la ATP-actina y la ADP-Pi-actina, el bucle D no está estructurado. En la forma de F-actina unida a ADP, suele aparecer una hélice alfa en el bucle D del monómero.

Aunque la hélice alfa no se observa en este modelo de Oda de F-actina y no se ve en algunos otros estudios de F-actina, se reconoce por Oda et. al que los resultados experimentales podrían haber llevado a una hélice alfa extendida en el modelo, en contraposición a una hebra desordenada extendida como el segmento de interacción entre las unidades monoméricas de F-actina.

Dominios

(2zwh)

La estructura de una unidad de F-actina surge de una cadena polipeptídica con dos dominios. La hendidura de unión del nucleótido, lugar de hidrólisis del ATP, puede observarse entre los dos dominios. El movimiento de los dominios permite las conformaciones de F-actina abierta y cerrada.

El movimiento de los dominios es posible gracias a la rotación alrededor del , que se muestra en color púrpura. Según Oda et al., durante la transición de la actina G a la F, se cree que el dominio 2 se inclina 20° y se encaja con el dominio 1, dando así una conformación más plana que la actina G libre. No se sabe con certeza si este aplanamiento se produce antes o después de la hidrólisis del ATP. Holmes proporciona una imagen simplificada de este movimiento y aplanamiento del dominio.

Estabilidad

La forma plegada aplanada de la F-actina requiere diferentes mecanismos de estabilización que la forma monomérica libre de la G-actina. La estabilidad del complejo de F-actina se consigue mediante una serie de implicación de la arginina 206, 183, 177 (púrpura); glutamato 72(azul), aspartato 187(verde), 179 y 4-metil histidina 73(amarillo). Se cree que la estabilidad adicional surge de una ruptura en la interacción entre los residuos en la misma mitad de sus respectivos dominios a una nueva interacción entre donde se observa una distancia mucho mayor entre ellos.

Una vez que el Pi se libera, un cambio conformacional en el bucle D resulta en el «ablandamiento» del filamento de F-actina. Es decir, hace que el monómero de ADP-actina sea más inestable y lo hace más susceptible a la escisión

Sitio activo

Al unirse la actina en el extremo positivo del filamento de actina, se activa la función ATPasa. El cambio conformacional de la actina G a la F promueve la actividad catalítica debido al cambio de 20° que conduce a un sitio de unión más cerrado; este cambio conformacional se estabiliza también por la interacción de subdominio diagonal entre Leu110 y Thr194. Como resultado de estos cambios conformacionales, el de la actina se acerca al ligando ATP-Ca2+. Gln137 retiene una molécula de agua, y su colocación cerca del ATP permite la escisión del gamma-fosfato. La liberación del fosfato inorgánico se produce a través del cambio conformacional del «bucle D» flexible en una hélice alfa ordenada (aunque no se ha demostrado en este modelo).

Función

La F-actina desempeña un papel estructural, mecánico y enzimático dentro de las células eucariotas. Estas funciones no son necesariamente excluyentes entre sí.

Las funciones dinámicas de la f-actina están muy implicadas en la migración celular.

Citoesqueleto

La f-actina es el componente más abundante del citoesqueleto de los eucariotas. Proporciona grandes cantidades de resistencia a la tracción, teniendo en cuenta su delgado tamaño. En los casos en los que la flexibilidad no es deseable como componente estructural, se pueden formar enlaces cruzados entre los polímeros de F-actina para dar mayor rigidez y soporte.

La prolongación de las ramificaciones de F-actina conduce al fenómeno de empuje de la membrana plasmática hacia delante en la extensión lamelopodial y filopodial. Este proceso depende del estado de equilibrio dinámico en el que se encuentran la actina G y la actina F, ya que es la polimerización continua de las unidades de actina en el borde de ataque lo que impulsa la extensión de la membrana. Sin la función enzimática ATPasa de la F-actina, este proceso no sería posible.

Actina-Miosina

La forma relativamente más plana de la F-actina en comparación con la G-actina permite que la miosina se una preferentemente a la F-actina sobre la G-actina. Esto significa que la F-actina, y no la G-actina, es la forma funcional de la actina. Compone una gran parte de los filamentos finos en conjunción con la miosina para dar lugar a las contracciones musculares. La estructura de la actina F le confiere una gran resistencia a las fuerzas extensas, como las que se experimentan en la contracción muscular.