Actina

L’actina è una proteina globulare che ha la caratteristica unica di polimerizzare in filamenti.  I monomeri sono proteine ​​costituite da una singola catena peptidica ripiegata in due lobi, tra i quali si trova una profonda fessura occupata da una singola molecola di ADP o ATP. La polimerizzazione controllata dei filamenti (F-actina) dai monomeri di actina (G-actina), regolata da numerose proteine ​​leganti l’actina, crea le basi per il citoscheletro ed è essenziale per molti processi cellulari come l’adesione cellulare, la motilità cellulare e il traffico intracellulare.

L’actina è il componente principale del sistema dei microfilamenti in tutte le cellule eucariote e ha un ruolo centrale nelle loro funzioni che vanno dalla contrazione muscolare, allo strisciamento cellulare, alla citochinesi, all’organizzazione citoplasmatica al trasporto intracellulare.

Identificata per la prima volta come uno dei principali componenti e partner della miosina nel muscolo è presente anche in tutte le cellule non muscolari, dove si colloca, insieme ai microtubuli e ai filamenti intermedi, come uno dei principali polimeri del citoscheletro cellulare.

Nei mammiferi, è rappresentata da sei isoforme quasi identiche che sono codificate da geni diversi e sono espresse in modo differenziale nei tessuti e negli organi in tutto il corpo. A livello globale, queste sei isoforme mediano quasi ogni forma di movimento cellulare e sono alla base di processi chiave come l’embriogenesi, l’integrità dei tessuti, la divisione cellulare e la contrattilità di tutti i tipi di cellule muscolari e non muscolari.

Struttura dell’actina

Le strutture tridimensionali sia delle singole molecole che può presentarsi nella forma α e β, che dei filamenti sono state determinate nel 1990 da Kenneth Holmes, Wolfgang Kabsch. Le singole molecole sono proteine ​​globulari costituite da 375 amminoacidi (43 kD).

Ogni monomero ha siti di legame che mediano interazioni testa-coda con altri due monomeri di actina, quindi i monomeri polimerizzano per formare filamenti. Ogni monomero è ruotato di 166° nei filamenti, che quindi hanno l’aspetto di un’elica a doppio filamento.

Poiché tutti i monomeri sono orientati nella stessa direzione, i filamenti hanno una polarità distinta e le loro estremità chiamate estremità + e – sono distinguibili l’una dall’altra. Questa polarità dei filamenti è importante sia per il loro assemblaggio sia per stabilire una direzione univoca del movimento della miosina rispetto all’actina.

Sebbene i monomeri si assemblino spontaneamente in polimeri, l’assemblaggio e lo smontaggio dell’actina sono strettamente regolati nello spazio e nel tempo nelle cellule da un’ampia gamma di proteine ​​leganti l’actina con proprietà biochimiche complementari

Polimerizzazione e depolimerizzazione

L’assemblaggio dei filamenti  dipende dalla forza ionica della soluzione. Nelle soluzioni a bassa forza ionica, i filamenti  depolimerizzano in monomeri che polimerizzano spontaneamente se la forza ionica viene aumentata a livelli fisiologici.

Il primo passaggio nella polimerizzazione corrispondente alla nucleazione comporta la formazione di un aggregato costituito da tre monomeri. I filamenti di actina sono quindi in grado di crescere mediante l’aggiunta reversibile di monomeri a entrambe le estremità.

Tuttavia l’estremità positiva si allunga da cinque a dieci volte più velocemente rispetto a quella negativa. I monomeri  legano anche l’ATP, che viene idrolizzato in ADP dopo l’assemblaggio del filamento. Sebbene l’ATP non sia richiesto per la polimerizzazione, i monomeri  a cui è legato l’ATP polimerizzano più facilmente di quelli a cui è legato l’ADP. Il legame e l’idrolisi dell’ATP svolgono un ruolo chiave nella regolazione dell’assemblaggio e del comportamento dinamico dei filamenti di actina.

Poiché la polimerizzazione è reversibile, i filamenti possono depolimerizzare mediante la dissociazione delle subunità di actina, consentendo ai filamenti di actina di rompersi quando è necessario. Pertanto, esiste un equilibrio tra monomeri di actina e filamenti, che dipende dalla concentrazione di monomeri liberi.

La velocità con cui i monomeri sono incorporati nei filamenti è proporzionale alla loro concentrazione, quindi esiste una concentrazione critica di monomeri di actina alla quale la velocità della loro polimerizzazione in filamenti è uguale alla velocità di dissociazione. A questa concentrazione critica, monomeri e filamenti sono in apparente equilibrio.

Poiché le due estremità di un filamento di actina crescono a velocità diverse l’ATP-actina si dissocia meno facilmente dell’ADP-actina e ciò determina una differenza nella concentrazione critica di monomeri necessaria per la polimerizzazione alle due estremità. Questa differenza può determinare il fenomeno noto come treadmilling, che illustra il comportamento dinamico dei filamenti di actina.

Treadmilling

Il treadmilling è un fenomeno osservato all’interno dei filamenti proteici del citoscheletro di molte cellule. Si verifica quando un’estremità di un filamento cresce in lunghezza mentre l’altra estremità si restringe, con conseguente sezione del filamento apparentemente in movimento attraverso uno strato o il citosol .

Il treadmilling è fondamentale per diverse funzioni nelle cellule eucariote, come la migrazione cellulare, l’endocitosi e l’esocitosi. Il treadmilling avviene continuamente, anche nelle cellule a riposo, ed è responsabile fino al 50% del consumo energetico nella maggior parte delle cellule.

Questo  fenomeno dipende principalmente da tre fattori: la velocità di idrolisi dell’ATP all’interno della F-actina, la polarità nella velocità di polimerizzazione e depolimerizzazione sia alle estremità positiva che negativa e la concentrazione citosolica di G-actine libere.

Contrazione muscolare e ATP

La contrazione muscolare coinvolge l’interazione dei filamenti proteici miosina e actina.  Per far sì che le cellule conservino energia quando non è necessaria l’attività contrattile, l’attività ATPasi della miosina e la capacità di legare l’actina sono disattivate. Nel muscolo rilassato, le teste della miosina si trovano vicino allo scheletro del filamento spesso, lontano dai filamenti sottili, riducendo al minimo la loro interazione con l’actina e il loro turnover di ATP.

Quando è richiesta l’attività contrattile delle cellule muscolari o non muscolari, l’attività della miosina è attivata o potenziata dalla fosforilazione della catena leggera regolatrice o dal legame dello ione calcio alla  catena leggera essenziale.

Nello stato inibito i filamenti di miosina si disassemblano in monomeri o piccoli oligomeri in cui la coda si piega in tre segmenti e le teste si piegano all’indietro e interagiscono tra loro e con la coda piegata. L’attività delle teste è altamente inibita attraverso queste interazioni intramolecolari in cui una testa è impedita a legarsi all’actina attraverso la sua interazione con l’altra testa libera che, a sua volta, ha la sua attività ATPasi inibita dal legame con la testa bloccata.

Quando la miosina è polimerizzata in filamenti spessi, come nel muscolo, le code non sono piegate ma rimangono estese, come richiesto per la formazione del filamento ma le teste sulla superficie del filamento subiscono interazioni testa-testa simili che, insieme alle interazioni con altre teste e con lo scheletro del filamento, inibiscono l’attività della testa

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