Actina: características, estrutura, filamentos, função

A actina é uma proteína citosólica, que forma microfilamentos. Nos eucariotos, a actina é uma das proteínas mais abundantes. Por exemplo, representa 10% em peso da proteína total nas células musculares; e entre 1 e 5% da proteína em células não musculares.

Essa proteína, juntamente com os filamentos e microtúbulos intermediários, forma o citoesqueleto, cuja principal função é a mobilidade celular, a manutenção da forma celular, a divisão celular e o movimento de organelas em plantas, fungos e animais.

Actina: características, estrutura, filamentos, função 1

Fonte: Sarcomere.svg: trabalho derivado de David Richfield (usuário do Slashme): Retama [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]

As isoformas do citoesqueleto de actina têm funções diferentes, tais como: regulação no desenvolvimento de tensão ativa no músculo liso, ciclo celular, desenvolvimento de embriões, desenvolvimento de tecidos e cicatrização de feridas.

Do ponto de vista evolutivo, a actina é uma proteína altamente conservada. Há cerca de 90% de homologia de sequência em diferentes espécies. Nos organismos unicelulares, um único gene codifica uma isoforma de actina. Enquanto em organismos multicelulares, genes diferentes codificam múltiplas isoformas de actina.

A actina, juntamente com a miosina, foram estruturas cruciais na evolução evolutiva dos organismos eucarióticos e na sua diversificação, pois permitiram o movimento na ausência de outras estruturas, como flagelos e cílios.

Estrutura: filamentos de actina

A actina é uma proteína globular com uma única cadeia polipeptídica. No músculo, a actina tem uma massa molecular de aproximadamente 42 KDa.

Esta proteína tem dois domínios. Cada um possui dois subdomínios e uma divisão entre os domínios. ATP-Mg +2 se liga ao fundo da fenda. Os terminais amino e carboxil são combinados no subdomínio 1.

Actina G e actina F

Existem duas formas principais de actina: o monômero de actina, chamado actina G; e um polímero filamentoso, constituído por monômeros de actina G, chamados actina F. Os filamentos de actina, observados por microscopia eletrônica, têm regiões estreitas e largas, respectivamente com 7 nm e 9 nm de diâmetro.

Ao longo do filamento, os monômeros de actina formam uma dupla hélice. Uma unidade que se repete ao longo do filamento consiste em 13 hélices e 28 monômeros de actina e tem uma distância de 72 nm.

O filamento de actina tem duas extremidades. Um deles é formado pelo espaço que une o ATP-Mg +2 , localizado na mesma direção em todos os monômeros de actina do filamento, chamado final (-); e o outro extremo é o oposto, chamado final (+). Portanto, diz-se que o filamento de actina tem polaridade.

Muitas vezes, esses componentes são conhecidos como microfilamentos, pois são os componentes do citoesqueleto que têm um diâmetro menor.

Onde encontramos a ação?

A actina é uma proteína extremamente comum em organismos eucarióticos. De todas as proteínas celulares, a actina é responsável por cerca de 5 a 10% – dependendo do tipo de célula. No fígado, por exemplo, cada uma das células que constituem tem quase 5,10 8 moléculas de actina.

Caracteristicas

As duas formas de actina, monômero e filamento, estão continuamente em equilíbrio dinâmico entre polimerização e despolimerização. Em geral, existem três características proeminentes desse fenômeno:

1) Os filamentos de actina são típicos da estrutura do tecido muscular e do citoesqueleto das células eucarióticas.

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2) Polimerização e despolimerização é um processo dinâmico que é regulado. Onde a polimerização ou agregação de monômeros de actina G-ATP-Mg +2 ocorre em ambas as extremidades. A ocorrência desse processo depende das condições do ambiente e das proteínas reguladoras.

3) A formação de vigas e retículos, que compõem o citoesqueleto de actina, confere força à motilidade celular. Isso depende das proteínas que participam da formação de reticulação.

Funções

Contração muscular

A unidade funcional e estrutural do músculo esquelético é o sarcômero, que possui dois tipos de filamentos: filamentos finos, formados por actina, e filamentos grossos, formados por miosina. Ambos os filamentos são organizados alternadamente, de maneira geométrica precisa. Eles permitem a contração muscular.

Os filamentos finos são ancorados nas regiões chamadas discos Z. Essa região consiste em uma rede de fibras, na qual a proteína CapZ é encontrada e na qual as extremidades (+) dos filamentos de actina estão ancoradas. Esta âncora impede a despolimerização da extremidade (+).

Por outro lado, a tropomodulina está localizada nas extremidades (-) dos filamentos de actina e os protege da despolimerização. Além da actina, os filamentos finos possuem tropomiosina e troponina, que têm a função de controlar as interações com a actomiosina.

Como ocorre a contração muscular?

Durante a contração muscular, os filamentos grossos realizam movimentos de pivô e puxam os filamentos finos em direção ao meio do sarcômero. Isso resulta no deslizamento de fibras grossas e finas.

Assim, o comprimento dos filamentos grossos e finos permanece constante, mas aumenta a sobreposição entre os dois filamentos. O comprimento do sarcômero é reduzido ancorando filamentos finos nos discos Z.

Como a contração muscular para?

O ATP é a moeda de energia da célula. Portanto, está quase sempre disponível em tecidos musculares vivos. Tendo em conta o exposto, devem existir mecanismos que permitam relaxamento muscular e parem as contrações.

Duas proteínas, chamadas tropomiosina e troponina, têm um papel fundamental nesse fenômeno. Eles trabalham juntos para bloquear os locais de ligação da miosina (impedindo sua ligação com a actina). Como resultado, o músculo relaxa.

Pelo contrário, quando um animal morre, ele experimenta um fenômeno conhecido como rigor mortis. O corpo responsável por esse endurecimento do corpo está bloqueando a interação entre miosina e actina, logo após a morte do animal.

Uma das conseqüências desse fenômeno é a necessidade de ATP para a liberação das duas moléculas de proteína. Logicamente, nos tecidos mortos não há disponibilidade de ATP e essa liberação não pode ocorrer.

Outros tipos de movimento

O mesmo mecanismo que descrevemos (mais adiante, aprofundaremos no mecanismo subjacente ao movimento) não se restringe às contrações musculares dos animais. Ele é responsável pelos movimentos do tipo amebóide que observamos nas amebas e em alguns moldes coloniais.

Da mesma forma, o movimento citoplasmático que observamos nas algas e nas plantas terrestres é impulsionado por mecanismos semelhantes.

Regulação da polimerização e despolimerização do filamento de actina

A contração do tecido muscular liso e das células produz um aumento na actina F e uma diminuição na actina G. A polimerização da actina ocorre em três estágios: 1) nucleação, um passo lento; 2) alongamento, um passo rápido; e 3) estado estacionário. A taxa de polimerização é igual à taxa de despolimerização.

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O filamento de actina cresce mais rápido no final (+) do que no final (-). A taxa de alongamento é proporcional à concentração de monômeros de actina em equilíbrio com os filamentos de actina, denominada concentração crítica (Cc).

O Cc para a extremidade (+) é de 0,1 µM e para a extremidade (-) é de 0,8 µM. Isto significa que é necessária uma concentração 8 vezes menor de monômeros de actina para polimerizar a extremidade (+).

A polimerização da actina é regulada principalmente pela timosina beta4 (TB4). Essa proteína se liga à actina G e a retém, impedindo a polimerização. Enquanto o profilin estimula a polimerização da actina. Profilin se liga a monômeros de actina, facilitando a polimerização na extremidade (+), dissociando o complexo actina-TB4.

Outros fatores, como o aumento de íons (Na + , K + ou Mg +2 ), favorecem a formação de filamentos.

Formação de citoesqueleto de actina

A formação do citoesqueleto de actina requer o desenvolvimento de ligações cruzadas entre os filamentos de actina. Essas ligações são formadas por proteínas, cujas principais características são: eles possuem domínios de ligação à actina; muitos têm domínios homólogos para calponina; e cada tipo de proteína é expresso em um certo tipo de célula.

Nos filópodes e nas fibras de estresse, as ligações cruzadas entre os filamentos de actina são realizadas por fascin e pela filamina. Essas proteínas, respectivamente, tornam os filamentos de actina paralelos ou têm ângulos diferentes. Portanto, os filamentos de actina definem a forma da célula.

A região da célula com a maior quantidade de filamentos de actina fica próxima à membrana plasmática. Essa região é chamada de casca. O citoesqueleto cortical é organizado de diferentes maneiras, dependendo do tipo de célula, e se conecta à membrana plasmática por meio de proteínas de ligação.

Alguns dos citoesqueletos mais bem descritos são células musculares, plaquetas, células epiteliais e eritrócitos. Por exemplo, nas células musculares, a proteína de ligação à distrofina liga os filamentos de actina a um complexo de glicoproteína de membrana integral. Este complexo se liga a proteínas da matriz extracelular.

Modelo de ação da interação actina-miosina

Os pesquisadores liderados por Rayment propuseram um modelo de quatro etapas para explicar a interação de actina e miosina. O primeiro passo é com a ligação do ATP às cabeças da miosina. Essa ligação gera uma alteração conformacional na proteína, liberando-a da actina no pequeno filamento.

Em seguida, o ATP é hidrolisado em ADP, liberando um fosfato inorgânico. A molécula de miosina está ancorada a uma nova subunidade de actina, gerando um estado de alta energia.

A liberação de fosfato inorgânico provoca uma mudança na miosina, retornando à conformação inicial e ao movimento dos pequenos filamentos, em relação aos filamentos grossos. Esse movimento causa o movimento das duas extremidades do sarcômero, aproximando-as.

O último passo envolve o lançamento do ADP. Nesse ponto, a cabeça da miosina está livre e pode se ligar a uma nova molécula de ATP.

Movimento celular impulsionado pela polimerização de actina

A motilidade rasteira é um tipo de motilidade celular. Os passos desse tipo de motilidade são: projeção do principal eixo de adesão em direção ao substrato; adesão ao substrato; retração traseira; e de adesão.

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A projeção do eixo principal requer a participação de proteínas, que participam da polimerização e despolimerização dos filamentos de actina. O eixo principal é encontrado no córtex celular, chamado lamelipódio. As etapas de projeção do eixo são:

– Ativação de receptores por sinal extracelular.

– Formação de GTPases ativas e 4,5-bisfosfato fosfoinositol (PIP 2 ).

– Ativação das proteínas WASp / Scar e Arp2 / 3, que se ligam aos monômeros de actina para formar ramificações nos filamentos de actina.

– Rápido crescimento de filamentos de actina, no final decorado com miosina, de ramificação. O impulso da membrana para a frente ocorre.

– Conclusão do alongamento produzido pelas proteínas de cobertura.

– Hidrólise de ATP ligada a actina nos filamentos mais antigos.

– Despolimerização de actina-ADP a partir de filamentos promovidos por ADF / cofilina.

– Troca de ADP por ATP catalisada por profilin, gerando actina G – ATP pronto para iniciar o alongamento de ramos.

Doenças relacionadas à actina

Distrofia muscular

A distrofia muscular é uma doença degenerativa do músculo esquelético. É herdada recessivamente e está ligada ao cromossomo X. Afeta principalmente homens com alta frequência na população (um em cada 3.500 homens). As mães desses homens são heterozigotos assintomáticos e podem não ter histórico familiar.

Existem duas formas de distrofia muscular, Duchenne e Becker, e ambas são causadas por defeitos no gene da distrofina. Esses defeitos consistem em exclusões que eliminam axônios.

A distrofina é uma proteína (427 KDa) que forma ligações cruzadas entre os filamentos de actina. Possui um domínio de ligação à actina no terminal N e um domínio de ligação à membrana no terminal C. Entre os dois domínios, existe um terceiro domínio tubular formado por 24 repetições em tandem.

No retículo cortical muscular, a distrofina participa da união dos filamentos de actina à membrana plasmática através de um complexo de glicoproteínas. Este complexo também se liga a proteínas da matriz extracelular.

Em pacientes sem distrofina funcional, com distrofia muscular de Duchenne, o citoesqueleto cortical não suporta a membrana plasmática. Consequentemente, a membrana plasmática é danificada pelo estresse de repetidas contrações musculares.

Referências

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  2. Gunst, SJ e Zhang, W. 2008. Dinâmica citoesquelética da actina no músculo liso: um novo paradigma para a regulação da contração do músculo liso. Am J. Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
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  6. Pollard, TD, Borisy, GG 2003. Motilidade Celular Conduzida por Montagem e Desmontagem de Filamentos de Actina. Cell 112: 453-465.

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