F-actin

Estrutura cristalina de F-actin, 2zwh

Unidades de actina filamentosa (F-actin) também são referidas como microfilamentos e são componentes altamente conservados e proteicos encontrados quase ubíquamente nos citoesqueletos esqueléticos eucarióticos. A actina F e outras proteínas actínicas geralmente têm papéis estruturais nas células.

Introdução

Actina é encontrada em quase todas as células eucarióticas e é conhecida principalmente pela sua função como uma proteína estrutural e de translocação. Tem também uma função ATPase, pois hidrolisa ATP para ADP e Pi e sofre alterações conformacionais com cada hidrólise. A actina pertence à superfamília actina, que inclui outras proteínas como a Hsp70(DnaK), Hsc70, e a hexoquinase, devido à sua mudança conformacional dependente do nucleotídeo. Devido à semelhança observada na Escherichia Coli’s, Hsc70 e ATPase domínio da actina, acredita-se que as duas proteínas têm uma ancestralidade comum. Os procariotas não são conhecidos por terem actina, mas têm um homólogo de actina, MreB, o que também leva à ideia de possível ancestralidade comum.

Actina ocorre em duas formas: a actina globular (G-actin), as unidades monoméricas livres de actina, e a actina filamentosa (F-actin) que é a forma polimérica. Estas duas formas existem em equilíbrio dinâmico uma com a outra como a polimerização e despolimerização associadas ao ATP ocorrem continuamente dentro da célula. As unidades monoméricas na F-actin possuem uma forma distinta da forma monomérica livre e é resultado dessa mudança que a atividade mais específica da ATPase pode ser observada.

Montagem

(1J6Z).

G-actin é a forma monomérica livre da actina que polimeriza a F-actin. As estruturas da actina globular e filamentosa são distintas umas das outras de inúmeras maneiras, apesar do fato de que a actina G compreende a actina F. Quando a actina monomérica se polimeriza em F-actin, a unidade se aplaina. Além disso, a actina F possui uma função ATPase que é mínima na actina G. Os domínios e o local ativo são os mesmos em termos de componentes constituintes e serão discutidos posteriormente em termos do monômero F-actin.

G-actin parece ter mais ligandos na sua estrutura, externos ao site ativo. Acredita-se que apenas 3 dos 5 existem realmente em solução e que contribuem para a polimerização de G-actin para F-actin. Esta representação da G-actin também possui uma que é observada em algumas estruturas cristalinas de actina, mas não necessariamente. A molécula observada em Cys374, foi utilizada para bloquear a atividade de polimerização para que o cristal de G-actin pudesse ser observado

Formação de F-actin é um processo dinâmico de montagem e desmontagem que tem sido denominado de “esteira”. A transição entre G e F-actin começa com um oligómero estabilizado de unidades de ATP-actin formado através de um padrão de dobra do tipo nucleação-condensação. A adição de unidades ATP-monoméricas a qualquer das extremidades ocorre posteriormente, no entanto, devido a uma diferença na polaridade de carga nas duas extremidades, há uma adição preferencial ao que se denomina a extremidade “mais (+)” ou a extremidade “barbed-end”. Na extremidade oposta, a “extremidade menos (-)” ou a “extremidade pontiaguda”, há uma dissociação preferencial das unidades de ação.

Após a anexação da actina ATP, ocorre a hidrólise da ATP, produzindo o estado de ADP e Pi bound. A subsequente perda de um Pi deixa o estado de ADP-actin. Devido ao potencial de adição ou remoção de unidades monoméricas a ocorrer em ambas as extremidades, a montagem de F-actin pode ser descrita em termos de equilíbrio. Entretanto, como a taxa de associação ATP-actin é dez vezes maior do que a da dissociação ADP-actin, a f-actin tem a aparência de avançar, ou “passadeira”. Os monômeros ADP-actin se dissociam no final negativo e são reciclados para ATP-actin, de modo que a polimerização no final positivo pode ocorrer novamente.

Estrutura

História da estrutura

A proteína F-actin foi descoberta por Straub em 1942. A estrutura foi especulada com base em um cristalógrafo de raios X de baixa resolução encontrado em 1990 por Holmes et al. e ao longo deste tempo, o “modelo Holmes” foi aceite. Em contraste, a estrutura de G-actin foi determinada independentemente mais de 30 vezes. Um modelo F-actin de maior resolução só recentemente foi depositado no banco de dados PDB em dezembro de 2008 por Oda et al. .

F-actin Monomer and Polymer

(2zwh)

Monomer

Cada unidade monomérica de F-actin tem, como parte de sua estrutura terciária, vários loops que são importantes para a sua montagem ao F-actin polimérico. Estes loops sofrem alterações conformacionais baseadas no estado do nucleotídeo ligado ou servem como regiões para que as unidades de actina monomérica adjacentes se liguem. O atuam como um “interruptor” para conformações, baseado no nucleotídeo ligado. Os resíduos do laço DNAse I de ligação (40-50), além de sofrerem alterações conformacionais que afetam a estabilidade, ligam as enzimas DNAse I e são especulados para manter o DNAse I. O laço hidrofóbico, os resíduos de ligação 264-273, e os resíduos de ligação 165-172, funcionam como locais para os quais os laços D de actina monomérica adjacentes podem se ligar. Uma função similar é observada para os resíduos (374-375).

A molécula F-actin como mostrado aqui consiste de 375 resíduos(43kDa) e dois ligandos, ADP e Ca2+. Tem dois grandes domínios separados por uma fenda de ligação de nucleotídeos. Dependendo do estado do nucleotídeo ligado, a conformação mais estável da F-actin muda. Nos seus estados de ATP e ADP + Pi nucleotídeos ligados, tem uma fenda de ligação fechada. Em seu estado vinculado apenas ao ADP, ele tem uma fenda de ligação mais ampla Uma característica característica do actin é que os domínios permanecem torcidos uns em relação aos outros, apesar das mudanças conformacionais dependentes do estado do nucleotídeo.

F- polímero de actina (baseado na estrutura de Ken Holmes F-actin)

polímero

F-actin tem a aparência de duas hélices direitas, com uma torção gradual uma em torno da outra. Na verdade é composto de repetições de 13 unidades de actina para cada 6 voltas esquerdas, abrangendo um comprimento de 350 Å.

Alterações Conformacionais Dependentes do Estado dos nucleótidos

O estado do nucleótido fosforilado ligado afecta a conformação que o monómero F-actin se compromete. A presença de um fosfato gama no local ativo causa a rotação de um resíduo Ser14. Esta alteração leva a que uma histidina metilada (HIC73) seja deslocada, o que altera o local ativo do F-actin e causa uma mudança conformacional no D-loop. O HIC73 está localizado no “loop do sensor”, ou o “interruptor” para ligar as mudanças no nucleotídeo ligado às mudanças conformacionais. Em ATP-actin e ADP-Pi-actin, o D-loop não está estruturado. Na forma ADP-actin, uma hélice alfa é comumente visível no D-loop do monômero.

Embora a hélice alfa não seja observada neste modelo Oda de F-actin e não seja vista em alguns outros estudos de F-actin, é reconhecido por Oda et. al que os resultados experimentais poderiam ter levado a uma hélice alfa estendida no modelo, em oposição a um fio desordenado estendido como o segmento que interage entre as unidades monoméricas de F-actin.

Domínios

(2zwh)

A estrutura de uma única unidade de F-actin surge de uma cadeia de polipeptídeos com dois domínios. A fenda de ligação do nucleotídeo, local da hidrólise ATP, pode ser observada entre os dois domínios. O movimento dos domínios permite as conformações abertas e fechadas de F-actin.

O movimento do domínio é possível por rotação sobre o , mostrado em roxo. De acordo com Oda et al., durante a transição de G- para F- actin, acredita-se que o Domínio 2 se inclina 20° e se encaixa no Domínio 1, dando assim uma conformação mais plana que a do G-actin livre. Não é certo se este achatamento ocorre antes ou depois da hidrólise de ATP. Holmes fornece uma imagem simplificada deste movimento de domínio e achatamento.

Estabilidade

A forma achatada dobrada de F-actin requer diferentes mecanismos de estabilização que a forma monomérica livre de G-actin. A estabilidade do complexo F-actin é obtida por uma série de arginina 206, 183, 177 (roxo); glutamato 72(azul), aspartato 187(verde), 179 e 4-metil histidina 73(amarelo). Acredita-se que a estabilidade adicional seja decorrente de uma quebra na interação entre os resíduos na mesma metade de seus respectivos domínios para uma nova interação entre eles onde uma distância muito maior é observada.

Após a liberação da Pi, uma mudança conformacional no D-loop resulta no “amolecimento” do filamento F-actin. Ou seja, torna o monômero ADP-actin mais instável e mais suscetível à clivagem

Site Ativo

Atenção de actina do componente na extremidade mais do filamento de actina, a função ATPase é ativada. A mudança conformacional de G- para F- actina promove a atividade catalítica devido ao deslocamento de 20° levando a um local de ligação mais fechado; esta mudança conformacional é estabilizada também pela interação diagonal do subdomínio entre Leu110 e Thr194. Como resultado destas mudanças conformacionais, a actina é movida para mais perto do ligante ATP-Ca2+. Gln137 segura uma molécula de água, e colocá-la na proximidade de ATP permite a clivagem do gama-fosfato. A liberação do fosfato inorgânico ocorre através da mudança conformacional do “D-loop” flexível em uma hélice alfa ordenada (embora não demonstrada por este modelo).

Função

F-actin desempenha um papel estrutural, mecânico e enzimático dentro das células eucarióticas. Estas funções não são necessariamente exclusivas uma da outra.

As funções dinâmicas da f-actin estão fortemente envolvidas na migração celular.

Citoesqueleto

F-actin é o componente mais abundante do citoesqueleto de eucariotas. Ele fornece grandes quantidades de resistência à tração, considerando seu tamanho fino. Nos casos em que a flexibilidade não é desejável como componente estrutural, podem ser formadas reticulações entre os polímeros de F-actin para dar maior rigidez e suporte.

Elongamento de ramos F-actin leva ao fenômeno de empurrar a membrana plasmática para frente em extensão lamelopodial e filopodial. Este processo se baseia no estado de equilíbrio dinâmico em que existe G- e F-actin, pois é a polimerização contínua das unidades de actina no bordo de ataque que impulsiona a extensão da membrana. Sem a função enzimática ATPase da F-actin, este processo não seria possível.

Actin-Myosin

A forma relativamente mais plana da F-actin em comparação com a G-actin permite que a miosina se ligue preferencialmente à F-actin em vez da G-actin. Isto significa que F-actin, e não G-actin, é a forma funcional da actina. Ela compõe uma grande parte dos filamentos finos em conjunto com a miosina para dar contrações musculares. A estrutura da F-actin dá-lhe grande resistência a forças extensas, tais como as experimentadas na contração muscular.