Actina: características, estrutura, filamentos, função - Ciência - 2023

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o actina é uma proteína citosólica que forma microfilamentos. Em 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, junto com os filamentos e microtúbulos intermediários, forma o citoesqueleto, cuja função principal é a mobilidade da célula, a manutenção da forma celular, a divisão celular e a movimentação de organelas em plantas, fungos e animais.

As isoformas do citoesqueleto de actina têm diferentes funções, tais como: regulação no desenvolvimento da tensão ativa no músculo liso, ciclo celular, desenvolvimento embrionário, 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. Em organismos unicelulares, um único gene codifica uma isoforma de actina. Enquanto em organismos multicelulares, diferentes genes codificam várias isoformas de actina.

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

Estrutura: filamentos de actina

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

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

Actina G e actina F

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

Ao longo do filamento, os monômeros de actina formam uma dupla hélice compactada. Uma unidade de repetição 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 é formado pela fenda que liga ATP-Mg⁺², que está localizado na mesma direção em todos os monômeros de actina do filamento, chamado de extremidade (-); e a outra extremidade é o oposto, chamada de extremidade (+). Portanto, diz-se que o filamento de actina tem polaridade.

Esses componentes são geralmente conhecidos como microfilamentos, pois são os componentes do citoesqueleto com o menor diâmetro.

Onde encontramos actina?

A actina é uma proteína extremamente comum em organismos eucarióticos. De todas as proteínas celulares, a actina é responsável por cerca de 5-10% - dependendo do tipo de célula. No fígado, por exemplo, cada uma das células que o compõem tem quase 5,10⁸ moléculas de actina.

Caracteristicas

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

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

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

3) A formação de feixes e retículas, que compõem o citoesqueleto de actina, fortalece a motilidade celular. Isso depende das proteínas que estão envolvidas na formação de ligações cruzadas.

Características

Contração muscular

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

Os filamentos finos são ancorados em regiões chamadas de discos Z. Essa região consiste em uma rede de fibras, nas quais a proteína CapZ é encontrada e à qual as extremidades (+) dos filamentos de actina são ancoradas. Esta âncora evita 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 delgados possuem tropomiosina e troponina, que têm a função de controlar as interações da actomiosina.

Como ocorre a contração muscular?

Durante a contração muscular, os filamentos grossos realizam movimentos de rotação, puxando os filamentos finos em direção ao meio do sarcômero. Isso faz com que fibras grossas e finas deslizem.

Assim, o comprimento dos filamentos grossos e finos permanece constante, mas a sobreposição entre os dois filamentos aumenta. O comprimento do sarcômero diminui devido à ancoragem de filamentos finos aos discos Z.

Como você para a contração muscular?

ATP é a moeda de energia da célula. Portanto, quase sempre está disponível em tecidos musculares vivos.Levando em consideração o exposto, deve haver mecanismos que permitam o relaxamento do músculo e a parada das contrações.

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

Por outro lado, quando um animal morre, ele experimenta um fenômeno conhecido como rigor mortis. Responsável por esse endurecimento da carcaça é o bloqueio da interação entre a miosina e a actina, logo após a morte do animal.

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

Outros tipos de movimento

O mesmo mecanismo que descrevemos (mais tarde nos aprofundaremos no mecanismo subjacente ao movimento) não se restringe às contrações musculares em animais. É responsável pelos movimentos ameboidais 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, uma etapa lenta; 2) alongamento, uma etapa rápida; e 3) estado estacionário. A taxa de polimerização é igual à taxa de despolimerização.

O filamento de actina cresce mais rápido na extremidade (+) do que na extremidade (-). A taxa de alongamento é proporcional à concentração de monômeros de actina em equilíbrio com os filamentos de actina, chamada de concentração crítica (Cc).

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

A polimerização da actina é regulada principalmente pela timosina beta4 (TB4). Essa proteína se liga à G actina e a retém, evitando que ela se polimerize. Enquanto a profilina estimula a polimerização da actina. A profilina se liga aos monômeros de actina facilitando a polimerização na extremidade (+), por meio da dissociação do complexo actina-TB4.

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

Formação do citoesqueleto de actina

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

Em filópodes e fibras de estresse, as ligações cruzadas entre os filamentos de actina são feitas por fascina e filamina. Essas proteínas, respectivamente, fazem com que os filamentos de actina fiquem paralelos ou tenham ângulos diferentes. Assim, os filamentos de actina definem a forma da célula.

A região da célula com maior quantidade de filamentos de actina está localizada próxima à membrana plasmática. Essa região é chamada de córtex. O citoesqueleto cortical é organizado de diferentes maneiras, dependendo do tipo de célula, e está conectado 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 integral na membrana. Este complexo se liga a proteínas da matriz extracelular.

Modelo de ação de interação actina-miosina

Os pesquisadores liderados por Rayment propuseram um modelo de quatro etapas para explicar a interação da actina e miosina. A primeira etapa ocorre com a ligação do ATP às cabeças da miosina. Essa ligação gera uma mudança conformacional na proteína, liberando-a da actina do pequeno filamento.

O ATP é então hidrolisado em ADP, liberando um fosfato inorgânico. A molécula de miosina se liga a uma nova subunidade de actina, gerando um estado de alta energia.

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

A última etapa 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 mobilidade de rastreamento é um tipo de mobilidade celular. As etapas deste tipo de motilidade são: projeção do eixo líder de adesão em direção ao substrato; adesão ao substrato; retração traseira; e desadesão.

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

- Ativação de receptores por sinal extracelular.

- Formação de GTPases ativas e 4,5-bisfosfato fosfoinositol (PIP₂).

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

- Crescimento rápido dos filamentos de actina, no final decorado com miosina, do ramo. A membrana é empurrada para a frente.

- Conclusão do alongamento produzido pelas proteínas do revestimento.

- Hidrólise do ATP ligado à actina em filamentos mais antigos.

- Despolimerização de actina-ADP dos filamentos promovida por ADF / cofilina.

- Troca de ADP por ATP catalisada pela profilina, gerando G-ATP actina pronta para começar a alongar ramos.

Doenças relacionadas com a actina

Distrofia muscular

A distrofia muscular é uma doença degenerativa do músculo esquelético. É herdada de forma recessiva 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 heterozigotas assintomáticas e podem não ter história familiar.

Existem duas formas de distrofia muscular, Duchenne e Becker, e ambas são causadas por defeitos no gene da distrofina. Esses defeitos consistem em deleções que removem 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, há um terceiro domínio tubular composto por 24 repetições em tandem.

No retículo cortical muscular, a distrofina participa da ligação dos filamentos de actina à membrana plasmática por meio de um complexo glicoproteico. 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. Conseqüentemente, a membrana plasmática é danificada pelo estresse de repetidas contrações musculares.

Referências

Devlin, T.M. 2000. Biochemistry. Editorial Reverté, Barcelona.
Gunst, S.J., e Zhang, W. 2008. Dinâmica do citoesqueleto de actina no músculo liso: um novo paradigma para a regulação da contração do músculo liso. Am J Physiol Cell Physiol, 295: C576-C587.
Lodish, H., Berk, A., Zipurski, S.L., Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Cellular and molecular biology. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, México, São Paulo.
Nelson, D. L., Cox, M. M. 2008. Lehninger - Princípios de bioquímica. W.H. Freeman, Nova York.
Pfaendtner, J., De La Cruz, E. M., Voth, G. 2010. Remodelação do filamento de actina por fator de despolimerização de actina / cofilina. PNAS, 107: 7299-7304.
Pollard, T.D., Borisy, G.G. 2003. Cellular Motility Driven by Assembly and Disassembly of Actin Filaments. Cell, 112: 453-465.