La actina es una familia de proteínas globulares que forman los microfilamentos, uno de los tres componentes fundamentales del citoesqueleto de las células de los organismos eucariotas. Puede encontrarse como monómero en forma libre, denominada actina G (globular), o como parte de polímeros lineales denominados microfilamentos o actina F, que son esenciales para funciones celulares tan importantes como la movilidad y la contracción de la célula durante la división celular. De la importancia capital de la actina dan cuenta dos hechos: en el contenido proteico total de una célula, representa siempre un elevado porcentaje y que su secuencia está muy conservada, es decir, que ha cambiado muy poco a lo largo de la evolución. Por ambas razones se puede decir que su estructura ha sido optimizada. Sobre esta se pueden destacar dos rasgos peculiares: es una enzima que hidroliza ATP, la «moneda universal de la energía» de los procesos biológicos, haciéndolo muy lentamente. Pero al mismo tiempo necesita de esa molécula para mantener su integridad estructural. Adquiere su forma eficaz en un proceso de plegamiento casi dedicado. Además es la que establece más interacciones con otras proteínas de cuantas se conocen, lo que le permite desempeñar las más variadas funciones que alcanzan a casi todos los aspectos de la vida celular. La miosina es un ejemplo de proteína que une actina. Otro ejemplo es la vilina, que puede entrelazar la actina en haces o bien cortar los filamentos de actina, dependiendo de la concentración de catión calcio en su entorno.
Formando microfilamentos en un proceso dinámico proporciona un andamiaje que dota a la célula de una forma con posibilidad de remodelarse rápidamente en respuesta a su entorno o a señales del organismo, por ejemplo, aumentando la superficie celular para la absorción o proporcionando soporte a la adhesión de las células para formar tejidos. Sobre este andamiaje se pueden anclar otras enzimas, orgánulos como el cilio, dirigir la deformación de la membrana celular externa que permite la ingestión celular o la citocinesis. También puede producir movimiento, bien por ella misma o ayudada de motores moleculares. De ese modo, contribuye a procesos como el transporte intracelular de vesículas y orgánulos y la contracción muscular, o la migración celular, importante en el desarrollo embrionario, reparación de heridas o invasividad del cáncer. El origen evolutivo de esta proteína se puede rastrear en las células procariotas, donde existen equivalentes. Por último, es importante en el control de la expresión génica.
Un buen número de enfermedades tienen como base alteraciones genéticas en alelos de los genes que gobiernan la producción de la actina o de sus proteínas asociadas, siendo también esencial en el proceso de infección de algunos microorganismos patógenos. Las mutaciones en los distintos genes de actina presentes en humanos ocasionan miopatías, variaciones en el tamaño y la función cardíaca y sordera. Los componentes del citoesqueleto también tienen relación con la patogenicidad de bacterias intracelulares y virus, especialmente en procesos relacionados con la evasión de la respuesta del sistema inmune.
Historia miniaturadeimagen|El premio Nobel Szent-Györgyi, codescubridor con Brúnó Straub de la actina. La actina fue observada experimentalmente por primera vez en 1887 por W.D. Halliburton, quien extrajo una proteína muscular que coagulaba preparaciones de miosina, denominándolo «fermento de la miosina». No obstante, Halliburton fue incapaz de efectuar la caracterización de sus observaciones, y por ello el descubrimiento se atribuye a Brúnó F. Straub, entonces un joven bioquímico que trabajaba en el laboratorio de Albert Szent-Györgyi en el Instituto de química médica de la Universidad de Szeged, en Hungría.
miniaturadeimagen|270px|Actina F; representación de la superficie de una repetición de 13 subunidades basada en el modelo de Ken Holmes del filamento de actina. En 1942, Straub desarrolló una nueva técnica para la extracción de proteínas musculares que le permitía aislar cantidades sustanciales de actina relativamente pura. Este método es el mismo que esencialmente se utiliza en los laboratorios actualmente. Szent-Györgyi había descrito previamente una forma más viscosa de miosina, producida por extracciones lentas en músculo, como «miosina activada» y puesto que la proteína de Straub producía el efecto activador, la denominó actina. La viscosidad disminuía si se añadía ATP a la mezcla de ambas proteínas, conocida como actomiosina. El trabajo de ambos no pudo ser publicado en los países occidentales debido al ambiente bélico de la Segunda Guerra Mundial, saliendo a la luz en 1945 cuando fue publicado como suplemento de Acta Physiologica Scandinavica.Szent-Gyorgyi, A. (1945) Studies on muscle. Acta Physiol Scandinav 9 (suplemento. 25) Straub continuó trabajando en la actina hasta 1950, publicando que podía unirse al ATP y que, durante la polimerización de la proteína para formar microfilamentos, se hidrolizaba a ADP + Pi, el cual permanecía unido al microfilamento. Straub sugirió que esta reacción desempeñaba un papel en la contracción muscular, pero esto solo es cierto en el caso del músculo liso y no fue verificado experimentalmente hasta 2001.
La secuencia de aminoácidos fue completada por Elzinga y colaboradores en 1973, y la estructura cristalográfica de la actina G fue determinada en 1990 por Kabsch y colaboradores, aunque se trataba de un cocristal en el que formaba un complejo con la desoxirribonucleasa I, siendo propuesto un modelo el mismo año para la actina F que se extendían hasta 8,4Å, por Holmes y sus colaboradores. Este procedimiento de cocristalización con diferentes proteínas fue empleado repetidamente durante los siguientes años, hasta que en 2001 se logró cristalizar la proteína aislada junto con ADP. Fue posible gracias al empleo de un conjugado de rodamina que impedía la polimerización bloqueando el aminoácido cys-374.
Aunque en 2008 no existía un modelo de alta resolución de la forma filamentosa, el equipo de Sawaya realizó una aproximación más exacta basándose en múltiples cristales de dímeros de actina que contactan en diferentes lugares. Ese modelo fue refinado por el propio autor y por Lorenz. Otros enfoques, como el uso de criomicroscopía electrónica o radiación sincrotrón han permitido recientemente aumentar el nivel de resolución y comprender con mayor profundidad la naturaleza de las interacciones y los cambios conformacionales implicados en la formación del filamento de actina.
En 2011 se publicó una interesante revisión de las estructuras de la actina G y la actina F hasta ese año.
En el año 2019 mediante crio-EM las reconstrucciones helicoidales de F-actina en diferentes estados de nucleótidos (ADP, ADP-Pi y análogos de ATP) proporcionaron información, con resolución de 3,6ángstroms (Å), sobre la F-actina y los cambios de conformación que conducen a la hidrólisis de ATP tras la polimerización. En el 2023 se produjeron reconstrucciones tridimensionales, utilizando una tubería de selección de partículas basada en redes neuronales entrenadas a medida, del extremo puntiagudo libre con resolución de 2,84Å, del extremo puntiagudo cubierto con Tmod a 3,26Å y del extremo con púas cubierto con CapZ a 2,79Å. Se determinó que las bases estructurales de los extremos son diferentes en su conformación: los puntiagudos están preparados para la adición de subunidades y los extremos con púas para la disociación de subunidades.
Estructura
La actina es una de las proteínas más abundantes entre los eucariotas y se encuentra presente en todo el citoplasma. De hecho, en las fibras musculares representa el 20% en peso de proteína celular total y, en otras células animales, oscila entre el 1 y el 5%. No obstante, no existe un único tipo de actina, sino que sus genes codificantes se encuentran definidos por una familia multigénica (familia que, en plantas, alberga más de 60 elementos, entre genes y pseudogenes y, en humanos, más de 30). Esto significa que la información genética de cada individuo posee instrucciones para generar variantes de la actina (denominadas isoformas) que poseerán funciones ligeramente distintas. De este modo, los organismos eucariotas expresan distintos genes que dan lugar a: la actinaα, que se encuentra en estructuras contráctiles; la actinaβ, en el borde en expansión de las células que emplean la proyección de estructuras celulares como método de movilidad; y la actinaγ, en los filamentos de las fibras de estrés. Además de las similitudes existentes entre las isoformas de un organismo, también existe una conservación evolutiva en cuanto a estructura y función entre organismos de incluso dominios distintos al eucariota: en bacterias se conoce el homólogo MreB, una proteína que es capaz de polimerizar en microfilamentos; y en arqueas existe un representante (Ta0583) aún más similar a las actinas de eucariotas.
La actina se presenta en la célula en dos formas: como monómeros globulares denominados actinaG y como polímeros filamentosos denominados actinaF (es decir, filamentos compuestos de multitud de monómeros de actinaG). La actina F puede denominarse también microfilamento. A cada hebra de actina se une una molécula de adenosín trifosfato (ATP) o de adenosín difosfato (ADP) a su vez asociada a un catión Mg2+. De las distintas combinaciones posibles entre las formas de actina y el nucleótido trifosfato, en la célula predominan la actinaG-ATP y la actinaF-ADP.
Actina G
En cuanto a su estructura molecular, la actina G posee una apariencia globular al microscopio electrónico de barrido; no obstante, mediante cristalografía de rayos X puede apreciarse que está compuesta de dos lóbulos separados por una hendidura; la estructura conforma el pliegue ATPasa, un centro de catálisis enzimática capaz de unir el ATP y Mg2+ e hidrolizar el primero a ADP más fosfato. Este pliegue es un motivo estructural conservado que también está presente en otras proteínas que interaccionan con nucleótidos trifosfato como la hexoquinasa (una enzima del metabolismo energético) o las proteínas Hsp70 (una familia de proteínas que contribuyen a que otras proteínas posean estructuras funcionales). La actina G solo es funcional cuando posee o bien ADP o bien ATP en su hendidura; no obstante, en la célula predomina el estado unido a ATP cuando la actina se encuentra libre.
miniaturadeimagen|300px|Modelo molecular de cintas de actina de músculo esquelético de conejo según Graceffa y Domínguez, 2003. Se destacan los cuatro subdominios, así como los extremos N y C terminal y el lugar de unión a ATP. La molécula está orientada según la convención que se adopta normalmente, quedando en la parte superior el extremo - (punta de flecha) y en la inferior el extremo + (barbado).
La actina cristalizada por Kabsch, que es la más utilizada como modelo en estudios estructurales, puesto que fue la primera en ser purificada, procede del músculo esquelético de conejo. Tiene unas dimensiones aproximadas de , una masa molecular de 41 785 Da y un punto isoeléctrico estimado en 4.8. Su carga neta a pH= 7 es de -7.
Estructura primaria
La secuencia de aminoácidos completa de este tipo de actina fue determinada por Elzinga y colaboradores en 1973, y afinada en trabajos posteriores por el mismo autor. Contiene 374 residuos de aminoácidos. Su extremo N-terminal es muy ácido. Comienza con un aspartato acetilado en su grupo amino, mientras que su C-terminal es básico, formado por una fenilalanina precedida por una cisteína de cierta importancia funcional. Ambos extremos se sitúan en una posición muy próxima dentro del subdominio I. En cuanto a aminoácidos anómalos, cabe destacar una Nτ-metilhistidina en posición 73.
Estructura terciaria-dominios