Atlas de histología vegetal y animal

Los filamentos de actina constituyen uno de los componentes del citoesqueleto. En las células animales suelen ser más abundantes cerca de la membrana plasmática (Figuras 1 y 2), pero su distribución y organización intracelular depende mucho del tipo celular. Los filamentos de actina realizan infinidad de funciones. Sin estos filamentos una célula no podría dividirse, moverse, realizar endocitosis, ni fagocitosis, ni sus orgánulos se comunicarían entre sí. En las células animales, además, es un armazón de soporte para mantener o cambiar la forma celular.

1. Estructura

Los filamentos de actina se forman por la polimerización de una proteína globular denominada actina (Figura 3). Hay dos variantes: alfa y beta actina. La beta actina aparece en la mayoría de las células animales, mientras que la alfa actina abunda en el músculo. La actina es una proteína citosólica muy abundante, llegando a representar hasta el 10 % de las proteínas citosólicas totales. Una parte (F-actina) se encuentra formando parte de los filamentos de actina y el resto son proteínas no polimerizadas (G-actina).

Los filamentos de actina miden unos 7 nm de diámetro. Es el valor más pequeño dentro de los filamentos del citoesqueleto, por ello también se denominan microfilamentos. Poseen un extremo denominado más y otro denominado menos, es decir, son filamentos polarizados. En el extremo más predomina la polimerización, adición de nuevas moléculas de actina, respecto a la despolimerización, mientras que en el extremo menos predomina la despolimerización. El mecanismo de crecimiento y acortamiento de la longitud de los filamentos de actina es por polimerización y despolimerización, respectivamente. En la célula se crean y se destruyen filamentos de actina continuamente. Es el componente del citoesqueleto más dinámico.

Las condiciones y la concentración de las moléculas de actina libres (G-actina) impiden que se asocien espontáneamente para formar filamentos. Por ello la nucleación y formación de nuevos filamentos es posible gracias a la presencia de proteínas nucleadores. Las proteínas Arp2/3 actúan como moldes para la formación de un nuevo filamento, mientras que las forminas estabilizan uniones espontáneas de proteínas de actina, favoreciendo la formación y elongación del filamento. Esto es tremendamente útil para la célula porque forma nuevos filamentos sólo allí donde se necesitan mediante la ubicación precisa de estas proteínas nucleadoras.

2. Organización

Una de las grandes ventajas de los filamentos de actina es su versatilidad, es decir, la facilidad con que se crean y se destruyen, así como por su capacidad de asociarse y formar estructuras tridimensionales. Esto se debe a un ejército de proteínas denominadas proteínas accesorias, de las cuales existen más de 100 tipos diferentes (Figura 4). Regulan la velocidad de creación y destrucción de filamentos, la velocidad de polimerización, la longitud de los filamentos de actina, así como su ensamblado para formar estructuras tridimensionales. De hecho, prácticamente no existen ni filamentos, ni proteínas de actina, "desnudos" en el citosol, sino siempre unidos a alguna proteína accesoria.

Las proteínas accesorias se pueden clasificar según su acción: a) Afectan a la polimerización. Algunas proteínas, como la profilina, se unen a las proteínas de actina libres y favorecen su unión a filamentos preexistentes, mientras otras, como la timosina, inhiben su unión, evitando la polimerización espontánea. b) Afectan a la organización tridimensional, como las fimbrina y la α-actinina, que permiten la formación de haces de filamentos de actina mediante el establecimiento de puentes cruzados entre filamentos, mientras otras, como la filamina, permiten la formación de estructuras reticulares. c) La cofilina, la severina o la gelsolina, provocan la rotura y remodelación de los filamentos de actina; d) Median en la interacción de los filamentos de actina con otras proteínas como la tropomiosina. e) Las proteínas de anclaje son intermediarias que permiten la unión de los filamentos de actina a estructuras celulares como los complejos de unión, a la membrana plasmática u otras membranas del interior celular. Algunas de estas proteínas pueden realizar más de una función.

Existen factores adicionales que condicionan la acción de estas proteínas accesorias, como la concentración de calcio, proteínas como las Rho-GTPasas, lípidos o la mayor o menor expresión génica. También hay drogas que afectan a la polimerización de los filamentos de actina. Por ejemplo, las citocalasinas impiden la polimerización y las faloidinas impiden la despolimerización.

3. Miosinas

Gran parte de las funciones que realizan los filamentos de actina se deben a su asociación con unas proteínas motoras denominadas miosinas. Se llaman motoras porque generan fuerzas de tracción con gasto de ATP y se mueven por el filamento de actina hacia el extremo más. Estas fuerzas pueden arrastrar estructuras celulares a lo largo del filamento de actina, o desplazar unos filamentos de actina sobre otros. Si la miosina está anclada, lo que se mueve es el filamento de actina. Las miosinas forman en realidad una familia de proteínas muy diversa con más de 40 miembros en mamíferos.

4. Funciones

Forma celular

Bajo la membrana plasmática hay una capa de filamentos de actina de unos 100 nm de espesor (Figura 5) tramados entre sí por proteínas accesorias, y unidos a proteínas y lípidos de la membrana plasmática. También hay miosina que genera fuerzas entre filamentos de actina y cambia la disposición de la membrana. Esta capa permite a la célula resistir y contrarrestar fuerzas mecánicas, o generarlas, así como condicionar la forma de las células. Las células animales no poseen pared celular y, por tanto, la forma celular depende en gran medida de los filamentos de actina de la zona cortical de la célula.

En muchas células animales las forma celular también depende de cómo sean sus contactos adhesivos con la matriz extracelular o con otra células (Figura 6). Las integrinas median la adhesión de las células a la matriz extracelular. En su lado citosólico, estas moléculas están conectadas con los filamentos de actina de manera que se establece una continuidad estructural entre el citoesqueleto y el medio externo. Hay complejos de unión como las uniones estrechas y las uniones adherentes, en las que las proteínas de adhesión claudinas y ocludinas en las primeras, y en las cadherinas en las segundas, a través de proteínas interpuestas, están conectadas con los filamentos de actina.

Movimiento celular

Las células no nadan sino que se desplazan arrastrándose por el medio que las rodea, y ello se hace por un mecanismo para reptar, como ocurre en las células embrionarias durante el desarrollo, en el desplazamiento de las amebas, en la invasión de los linfocitos de los tejidos infectados o en los conos de crecimiento de los axones cuando buscan sus dianas. Se sabe que para el desplazamiento celular se necesitan una serie de pasos: extensión de porciones citoplasmáticas hacia la dirección del movimiento, adhesión de éstas al sustrato y arrastre del resto de la célula mediante tracción hacia esos puntos de anclaje. Las extensiones citoplasmáticas reciben diferentes nombres según su forma y organización: lamelipodios, filopodios y podosomas. Todas ellas dependen de los filamentos de actina (Figura 7). De hecho es la polimerización de los filamentos de actina lo que empuja a la membrana plasmática y da forma a estas expansiones.

Los lamilopodios son extensiones más o menos aplanadas producidas por la polimerización de filamentos de actina que se organizan en un entramado ramificado, en vez de formar haces. Los lamelipodios parecen ser un mecanismo para el desplazamiento celular, pero también participan en la macropinocitosis y fagocitosis. Los filopodios pueden surgir de los propios lamelipodios o de forma independiente. Los típicos tienen unas pocas micras de grosor y no más de 10 micras de longitud. Están formados por unas pocas docenas de filamentos de actina formando un haz. Los podosomas son un tipo de expansión celular que hace contacto con la matriz extracelular mediante integrinas localizadas en su superficie, y también cuentan con metaloproteinasas para degradar la matriz. Contienen un esqueleto central de filamentos de actina ramificado, rodeados por otros filamentos de actina no ramificados. Actúan a modo de mecanosensores que tantean el medio que rodea a las células y están implicados en el desplazamiento celular.

Cuando estas expansiones contactan con algún lugar del medio extracelular, matriz extracelular o la superficie de otra célula, se unen a él gracias a proteínas de adhesión como las integrinas y caderinas. Una vez anclada, la célula arrastra sus componentes intracelulares hacia el lugar de adhesión. Este arrastre está mediado por las denominadas fibras de estrés, formadas por filamentos de actina y por miosina (Figura 8).

Organización interna

Los filamentos de actina que se encuentran próximos a la membrana plasmática, en la denominada corteza celular, participan en procesos de formación de vesículas, macropinocitosis y fagocitosis (Figura 9).

Los orgánulos han de moverse por el interior de la célula. Los filamentos de actina participan en estos movimientos con ayuda de la proteína motora miosina (Figura 10). La participación de los filamentos de actina es relevante en las células de las plantas, donde se encargan de la mayor parte del movimiento intracelular. El movimiento de los cloroplastos se puede observar bajo el microscopio, fenómeno conocido como ciclosis.

Contracción muscular

En las células musculares muchas moléculas de miosina II se asocian para formar los filamentos gruesos del músculo, los cuales tienen una polaridad como una flecha de doble cabeza (Figura 11). En el músculo estriado cada una de estas cabezas arrastra a filamentos de actina (filamentos delgados) hacia el punto intermedio entre ellas, lo que se traduce en una contracción celular.

Citocinesis

El estrangulamiento final del citoplasma durante el proceso de división de las células animales se produce gracias a la formación de un anillo de filamentos actina, que, ayudado por la miosina II, va estrechando su diámetro progresivamente hasta la separación completa de los dos citoplasmas de las células hijas (Figura 12).

Microvellosidades

Las microvellosidades son expansiones filiformes estables que permiten a la célula aumentar enormemente la superficie de su membrana plasmática. Aparecen en muchos tipos celulares como las células epiteliales del tubo digestivo, las del tubo contorneado proximal del riñón, y otras muchas. Cada microvellosidad tiene de 1 a 2 µm de longitud y 0,1 µm de diámetro, y contiene en su interior varias docenas de filamentos de actina orientados paralelos al eje longitudinal (Figura 13). En la base de las microvellosidades aparece un entramado llamado red terminal, formado también por filamentos de actina, al cual se conectan los que forman las microvellosidades.

• Bibliografía ↷

  • Bibliografía

    Pollard TD. 2019. Cell motility and cytokinesis: from mysteries to molecular mechanisms in five decades. Annual review of cell and developmental biology. 35:1-28.

    Svitkina TM. 2018. Ultrastructure of the actin cytoskeleton. Current opinion in cell biology. 54:1-8.

    Rottner K, Faix J, Bogdan S, Linder S, Kerkhoff E. 2017. Actin assembly mechanisms at a glance. Journal of cell science. 130: 3427-3435.