MICROFILAMENTE: CARACTERISTICI, STRUCTURĂ, FUNCȚII, PATOLOGIE - BIOLOGIE - 2025

De microfilamente sau actina filamente, sunt una dintre cele trei componente principale ale citoscheletului celulelor eucariote (microfilamente, microtubuli și filamentele intermediare) și sunt compuse din filamente mici ale unei proteine numite actin (actina polimeri).

În eucariote, genele care codifică microfilamentele de actină sunt foarte conservate în toate organismele, motiv pentru care sunt adesea folosite ca markeri moleculari pentru studii de diferite tipuri.

Fotografie a filamentelor de actină ale unei celule colorate (Sursa: Howard Vindin prin Wikimedia Commons)

Microfilamentele sunt distribuite în întregul citosol, dar sunt deosebit de abundente în regiunea care stă la baza membranei plasmatice, unde formează o rețea complexă și se asociază cu alte proteine ​​speciale pentru a forma citoscheletul.

Rețelele de microfilamente din citoplasma celulelor mamifere sunt codificate de două din cele șase gene descrise pentru actină, care sunt implicate în dinamica microfilamentelor și sunt chiar foarte importante în timpul diferențierii celulelor stem.

Mulți autori sunt de acord că microfilamentele sunt cele mai diverse, versatile și importante proteine ​​din citoscheletul majorității celulelor eucariote și este important să ne amintim că acestea nu se găsesc în microorganismele procariote.

În acest tip de celule, pe de altă parte, există filamente omoloage microfilamentelor, dar care sunt alcătuite dintr-o altă proteină: proteina MreB.

În prezent, se crede că gena care codifică această proteină este o posibilă genă ancestrală pentru actină în eucariote. Cu toate acestea, omologia secvenței aminoacizilor care alcătuiesc proteina MreB este de numai 15% în ceea ce privește secvența de actină.

Deoarece sunt o parte fundamentală a citoscheletului, orice defect fenotipic atât în ​​microtubuli, cât și în filamente intermediare și microfilamente de actină (citoschelet) poate provoca diferite patologii celulare și sistemice.

Caracteristici și structură

Microfilamentele sunt formate din monomeri de proteine ​​din familia actinei, care sunt proteine ​​contractile extrem de abundente în celulele eucariote, deoarece participă și la contracția musculară.

Aceste filamente au un diametru între 5 și 7 nm, motiv pentru care sunt cunoscute și sub denumirea de filamente subțiri și sunt compuse din două forme de actină: forma globulară (G actină) și forma filamentoasă (F actină).

Proteinele care participă la citoschelet sunt cunoscute sub numele de actine γ și β, în timp ce cele care participă la contracție sunt de obicei actine α.

Proporția actinei globulare și a actinei filamentoase din citosol depinde de nevoile celulare, deoarece microfilamentele sunt structuri extrem de variabile și versatile, care se dezvoltă și se scurtează constant prin polimerizare și depolimerizare.

G actina este o proteină globulară mică, formată din aproape 400 de aminoacizi și cu o greutate moleculară de aproximativ 43 kDa.

Monomerii G-actinei care alcătuiesc microfilamentele sunt aranjați sub forma unei corde elicoidale, deoarece fiecare suferă o răsucire atunci când este asociat cu următoarea.

G actina se asociază cu o moleculă de Ca2 + și alta cu ATP, care îi stabilizează forma globulară; în timp ce F-actina este obținută după hidroliza fosfatului terminal al moleculei ATP în G-actină, care contribuie la polimerizarea.

Organizare

Filamentele de actină pot fi organizate în „pachete” sau „rețele” care au funcții diferite în interiorul celulelor. Pachetele formează structuri paralele legate de punți transversale destul de rigide.

Pe de altă parte, rețelele sunt structuri mai slabe, precum ochiurile tridimensionale cu proprietățile gelurilor semi-solide.

Există multe proteine ​​care se asociază cu filamente de actină sau microfilamente și sunt cunoscute sub numele de ABP (proteine ​​care leagă actina), care au situri specifice pentru aceasta.

Multe dintre aceste proteine ​​permit microfilamentelor să interacționeze cu celelalte două componente ale citoscheletului: microtubuli și filamente intermediare, precum și cu celelalte componente de pe fața interioară a membranei plasmatice.

Alte proteine ​​cu care microfilamentele interacționează includ lamele nucleare și spectrină (în globulele roșii).

Cum se formează filamentele de actină?

Deoarece monomerii globulari de actină se leagă întotdeauna în același mod, orientați în aceeași direcție, microfilamentele au o polaritate definită, cu două capete: unul „mai mult” și unul „mai puțin”.

Polaritatea acestor filamente este foarte importantă, deoarece acestea cresc considerabil mai repede la capătul lor pozitiv, unde se adaugă noii monomeri cu G-actină.

Reprezentare grafică a formării microfilamentelor de actină (Sursa: lucrare derivată: Retama (discuție) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström prin Wikimedia Commons)

Primul lucru care are loc în timpul polimerizării filamentelor de actină este un proces cunoscut sub numele de „nucleare”, care constă în asocierea a trei monomeri ai proteinei.

La acest trimer se adaugă noi monomeri la ambele capete, astfel încât filamentul să crească. Monomerii G-actinei sunt capabili să hidrolizeze ATP cu fiecare legătură, ceea ce are implicații asupra vitezei de polimerizare, deoarece părțile actină-ATP se disociează cu dificultate mai mare decât părțile actină-ADP.

ATP nu este necesar pentru polimerizare și rolul specific al hidrolizei sale nu a fost încă elucidat.

Unii autori consideră că, întrucât evenimentele de polimerizare cu actină sunt reversibile rapid, ATP-ul asociat cu aceste procese poate reprezenta până la 40% din cifra de afaceri totală a acestei molecule energetice.

Regulament

Atât polimerizarea filamentelor de actină, cât și depolimerizarea lor sunt procese extrem de reglementate de o serie de proteine ​​specifice, care sunt responsabile de remodelarea filamentelor.

Exemple de proteine ​​care reglează depolimerizarea sunt cofilina factorului de depolimerizare a actinei. O altă proteină, profilina, are o funcție opusă, deoarece stimulează asocierea monomerilor (prin stimularea schimbului de ADP pentru ATP).

Caracteristici

Microfilamentele interacționează cu filamentele de miozină care sunt asociate cu proteinele transmembranare care au un domeniu în citosol și altul în exteriorul celulei, participând astfel la procesele de mobilitate celulară.

Aceste microfilamente asociate cu membrana plasmatică mediază diferite răspunsuri celulare la diferite clase de stimuli. De exemplu, aderența celulară în țesuturile epiteliale este determinată de proteine ​​transmembranare cunoscute sub numele de cadherine, care interacționează cu microfilamentele pentru a recruta factori de răspuns.

Filamentele de actină interacționează cu filamentele intermediare pentru a determina stimulii extracelulari să fie transferați pe site-uri cheie precum ribozomi și cromozomi din nucleu.

Reprezentarea funcției motorii intracelulare a microfilamentelor de actină (Sursa: Boumphreyfr prin Wikimedia Commons)

O funcție clasică și bine studiată a microfilamentelor este capacitatea lor de a forma „punți”, „șine” sau „autostrăzi” pentru mișcarea proteinei motorii miozină I, care este capabilă să încarce veziculele de transport de la organele la membrană plasmă pe căile secretorii.

Microfilamentele interacționează de asemenea cu miozina II pentru a stabili inelul contractil care se formează în timpul citokineziei, tocmai în ultima etapă a diviziunii celulare în care citosolul este separat de celulele stem și fiice.

În general, microfilamentele F-actinei modulează distribuția unor organule, cum ar fi complexul Golgi, reticulul endoplasmatic și mitocondrii. Mai mult, aceștia participă și la poziționarea spațială a ARNm-urilor, astfel încât acestea să fie citite de ribozomi.

Întregul set celular de microfilamente, în special cele care sunt strâns legate de membrana plasmatică, participă la formarea membranelor ondulante ale celulelor care au o mișcare activă constantă.

De asemenea, sunt implicați în formarea microvilli și alte denivelări comune pe suprafața multor celule.

Exemplu de funcții în ficat

Microfilamentele participă la procesul de secreție a bilei în hepatocite (celule hepatice) și, de asemenea, în mișcări peristaltice (contracție coordonată) a canaliculi hepatici.

Ele contribuie la diferențierea domeniilor membranei plasmatice datorită asocierii lor cu diferite elemente citosolice și controlului pe care îl exercită asupra topografiei acestor elemente intracelulare.

Patologii conexe

Există puține boli asociate cu defecte primare în structură sau cu proteine ​​și enzime reglatoare în sinteza microfilamentelor, în ciuda faptului că acestea sunt implicate direct într-un număr mare de funcții.

Rata scăzută de boli și malformații în structura primară a microfilamentelor se datorează faptului că, în general, există multiple gene care codifică atât actina cât și proteinele reglatoare ale acesteia, fenomen cunoscut sub numele de „redundanță genetică”.

Una dintre cele mai studiate patologii este vitrifierea ovocitelor de pe citoscheletul lor, unde se observă o întrerupere în rețeaua de microfilamente corticale, precum și o depolimerizare și dezorganizare a microtubulelor fusului mitotic.

În termeni generali, această vitrificare provoacă o dispersie cromozomială, deoarece duce la o dereglare a compactării tuturor cromatinei.

Celulele care au o mai mare organizare și proporție de microfilamente în citoscheletul lor sunt celulele mușchiului striat, prin urmare, cele mai multe patologii sunt asociate cu o defecțiune a aparatului contractil.

Microfilamente defecte sau atipice au fost, de asemenea, asociate cu boala oaselor cunoscută sub numele de boala Paget.

Referințe

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., & Vicente-Manzanares, M. (2017). Dinamica de adeziune coordonată de microfilamente conduce la migrarea unei singure celule și formează țesuturile întregi. F1000Cautare, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Proteine ​​de legare la actină: reglarea microfilamentelor cito-scheletice. Recenzii fiziologice, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, E. (2018). Bistabilitate în sincronizarea microfilamentelor acționate. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., & Vacanti, JP (Eds.). (2011). Principiile ingineriei țesuturilor. Presă academică.
5. Robbins, J. (2017). Boli ale citoscheletului: Desminopatii. În miopatiile cardioskeletale la copii și tineri adulți (pp. 173-192). Presă academică.