miniatura|250px| Cadea de tropomiosinas A,B,C,D. A tropomiosina é unha proteína formada por dúas cadeas en hélice alfa superenroladas que se encontra no citoesqueleto das células. Está asociada aos filamentos de actina das fibras musculares, onde regula a contracción muscular. Tamén se encontra en células non musculares, onde regula o citoesqueleto.
Citoesqueleto de actina e miosina Todos os organismos posúen estruturas que lles proporcionan integridade física ás súas células. Estas estruturas forman en conxunto o citoesqueleto, e un dos sistemas máis antigos está baseado en polímeros filamentosos da proteína actina. Un segundo polímero proteico é a tropomiosina, que forma parte integral dos filamentos de actina dos animais.
As tropomiosinas son unha gran familia de compoñentes integrais dos filamentos de actina que exercen unha función fundamental na regulación da función dos filamentos de actina tanto en células musculares coma non musculares. Estas proteínas consisten nun hetero- ou homodímero con forma de bastón que se sitúa sobre o suco da hélice alfa da maioría dos filamentos de actina. A interacción ocorre en toda a lonxitude do filamento de actina, e os dímeros están aliñados cabeza con cola.
As tropomiosinas categorízanse a miúdo en dous grupos: isoformas de tropomiosina muscular e de tropomiosina non muscular. As isoformas da tropomiosina muscular están implicadas na regulación das interaccións entre as proteínas actina e miosina no sarcómero do músculo, e xogan un papel central na regulación da contracción muscular. As isoformas de tropomiosina de células non musculares funcionan en todas as células (nas non musculares e tamén nas musculares) e están implicadas en diversas vías celulares que controlan e regulan o citoesqueleto da célula o outras funcións celulares importantes.
O sistema de filamentos de actina que está implicado na regulación destas vías celulares é máis complexo que os sistemas de filamentos de actina que regulan a contracción muscular. O sistema contráctil depende de catro isoformas de filamentos de actina e de cinco isoformas de tropomiosina, mentres que o sistema de filamentos de actina do citosqueleto utiliza dúas isoformas de filamentos de actina e unhas 40 isoformas de tropomiosina.
Funcións
Influencia sobre a unión das "proteínas que se unen á actina" cos filamentos de actina
O sistema de microfilamentos de actina é o sistema citoesquelético fundamental implicado no desenvolvemento e mantemento da morfoloxía da célula. Debido á capacidade deste sistema para responder rapidamente aos estímulos celulares e de sufrir reorganizacións estruturais crese que este sistema regula cambios estruturais específicos en diversas rexións celulares.
Nos humanos, só hai seis isoformas da actina, e estas isoformas son responsables de formar un conxunto de estruturas celulares complexas e únicas que interveñen en interaccións celulares. Pénsase que o funcionamento e a forma do citoesqueleto de actina están controladas en gran medida por proteínas que se unen á actina (ABP, actin-binding proteins) que están asociadas co polímero de actina. As ABP son un grupo de proteínas que se unen á actina. Aínda que a tropomiosina se inclúe ás veces entre as ABP, en realidade non é unha verdadeira ABP. O dímero de tropomiosina ten moi pouca afinidade polo filamento de actina e non forma enlaces de van der Waals coa actina. Só a formación dun polímero de tropomiosina envolto arredor do filamento de actina proporciona a estabilidade necesaria para a interacción tropomiosina-filamento de actina.
Moitos estudos indican que a unión das isoformas de tropomiosina ao filamento de actina pode influír na unión doutras ABPs, as cales en conxunto alteran a estrutura e danlle propiedades e funcións específicas aos filamentos de actina. Isto foi demostrado en células neuroepiteliais, nas que o incremento da expresión da tropomiosina 5NM1 aumenta o recrutamento da miosina IIB, unha proteína motora, na área do cono de crecemento da neurona. Porén, a sobreexpresión da tropomiosina Br3 ten o efecto oposto, xa que causa a diminución da actividade da miosina na mesma rexión.
Nun estudo pioneiro feito por Bernstein e Bamburg, observouse que a proteína que se une á actina chamada factor de despolimerización da actina (ADF)/cofilina, que, como indica o seu nome, é un factor que promove a despolimerización do filamento de actina, competía coa tropomiosina pola súa unión ao filamento de actina. A expresión da tropomiosina 5NM1 nas células neuronais eliminaba o ADF/cofilina da rexión do cono de crecemento, facendo que os filamentos de actina fosen máis estables. Porén, observouse que o incremento da expresión da tropomiosina Br3 recruta o ADF/cofilina nos filamentos de actina unidos á isoforma tropomiosina Br3 nos lamelipodios, o cal causa a desensamblaxe dos filamentos de actina. Este fenómeno, no que unha isoforma específica de tropomiosina dirixe interaccións específicas entre as proteínas que se unen á actina e os filamentos de actina, observouse en varios sistemas modelo e con varias proteínas de unión (revisado por Gunning et al., 2008). Estas interaccións, que están baixo a influencia de isoformas da tropomiosina, posibilitan que os filamentos de actina interveñan en diversas funcións celulares.
Función na contracción do músculo esquelético O músculo esquelético está composto de células grandes multinucleadas (fibras musculares). Cada fibra muscular está chea de conxuntos lonxitudinais de miofibrilas. As miofibrilas están compostas por estruturas de filamentos proteicos repetidos chamadas sarcómeros, que son as unidades funcionais básicas do músculo esquelético. O sarcómero é unha formación proteica moi estruturada, que consta de filamentos finos e grosos interdixitados, no que os filamentos finos están enganchados a unha estrutura proteica chamada liña Z. A interacción dinámica entre os filamentos finos e grosos orixina a contracción muscular.
As miosinas pertencen á familia das proteínas motoras, e as isoformas do músculo desta familia constitúen os filamentos grosos. O filamento fino está formado polas isoformas do músculo esquelético da proteína actina. Cada proteína miosina "rema" ao longo do filamento fino de actina, uníndose repetidamente aos sitios para a unión da miosina que hai por todo o filamento de actina, enganchándose e soltándose. Pódese dicir que o filamento groso se move ou esvara ao longo do filamento fino, causando a contracción muscular. Este proceso coñécese como modelo do esvaramento dos filamentos.
A unión das cabezas de miosina coa actina do músculo esquelético é un proceso moi regulado. O filamento fino está feito de actina, tropomiosina, e troponina. A contracción do músculo esquelético iníciase polo estímulo de impulsos nerviosos que á súa vez estimulan a liberación de Ca2+. A liberación de Ca2+ do retículo sarcoplásmico causa un incremento da concentración de Ca2+ no citosol. Os ións calcio únense despois á troponina, a cal está asociada coa tropomiosina. A unión provoca cambios na forma da troponina e isto causa que a isoforma da tropomiosina cambie a súa posición sobre o filamento de actina. Este cambio de posición expón os sitios de unión para a miosina situados no filamento de actina, que antes estaban tapados pola tropomiosina, o que permite que as cabezas da miosina dos filamentos grosos se unan aos filamentos finos.
Os estudos estruturais e bioquímicos suxiren que a posición da tropomiosina e a troponina nos filamentos finos regula as interaccións entre as cabezas de miosina dos filamentos grosos e os sitios de unión da actina dos filamentos finos. Os estudos de difracción de raios X e de microscopia crioelectrónica suxiren que a tropomiosina bloquea estericamente o acceso da miosina ao filamento de actina.
Aínda que este modelo está firmemente establecido, non está claro se é o movemento da tropomiosina o que causa directamente que a cabeza de miosina se engrene no filamento de actina. De feito, hai un modelo alternativo no que o movemento da tropomiosina no filamento funciona como un interruptor alostérico que é modulado pola activación da unión da miosina, pero non funciona soamente regulando a unión da miosina.
Regulación da contracción do músculo liso O músculo liso, a diferenza do músculo estriado, contráese sen control consciente. O músculo liso pode contraerse espontaneamente ou ritmicamente e ser inducido a contraerse por diversos axentes fisicoquímicos (hormonas, fármacos, neurotransmisores). O músculo liso encóntrase nas paredes de varios órganos e condutos do corpo como o esófago, estómago, intestinos, bronquios, uretra, vexiga urinaria, e vasos sanguíneos.
Aínda que os músculos lisos non presentan os seus filamentos finos e grosos de miofibrilas dispostos regularmente, como si o están nos músculos estriados, a súa contracción tamén se debe ao mesmo mecanismo de escorregamento de filamentos controlado por formación de pontes cruzadas coa miosina que interacciona cos filamentos de actina. Os filamentos finos do músculo liso están feitos de actina, tropomiosina, caldesmón, e calmodulina. Outra proteína asociada ao funcionamento destes filamentos é a calponina. Neste tipo de músculo, a proteína caldesmón e a calmodulina controlan a transición mediada pola tropomiosina entre os estados activo e non activo. A caldesmón únese á actina, tropomiosina, calmodulina, e miosina, pero a súa interacción coa actina é a máis importante. A unión do caldesmón está fortemente influenciada pola tropomiosina. A proteína caldesmón é un inhibidor da actividade ATPase da actinomiosina e da motilidade, e tanto a unión á actina coma a inhibición do caldesmón son moi potenciadas pola presenza de tropomiosina.
A contracción do músculo liso é iniciada pola liberación de Ca2+. O Ca2+ únese á calmodulina e actívaa, a cal despois se une á proteína caldesmón. Esta unión causa que o caldesmón se solte do filamento de actina ao que estaba unido, expoñendo os sitios de unión que ten a actina específicos para a miosina. As cabezas motoras da miosina son fosforiladas pola quinase da cadea lixeira da miosina, o que permite que a cabeza da miosina interaccione co filamento de actina e cause a contracción.
Papel no funcionamento do citoesqueleto O citoesqueleto é unha rede elaborada de filamentos necesarios para o correcto funcionamento de moitos procesos celulares, como a motilidade celular, división celular, tráfico intracelular, e mantemento da forma. O citoesqueleto está composto por tres sistemas de filamentos: microtúbulos, filamentos intermedios, e microfilamentos (estes últimos tamén chamados en conxunto citoesqueleto de actina). As interaccións dinámicas entre estes filamentos danlle ás células unha estrutura específica e diversas funcións.
Para controlar a dinámica dos filamentos de actina evolucionaron varios mecanismos reguladores, que empregan proteínas que se unen á actina. Crese que as tropomiosinas xogan un papel central neste sistema regulador, influíndo sobre as asociacións que establecen os filamentos de actina con outras proteínas que se unen á actina (ABPs). En conxunto, estas asociacións confírenlles aos filamentos propiedades específicas, que permiten que estas estruturas interveñan en diversos procesos celulares, e tamén que respondan rapidamente aos estímulos celulares.
Isoformas da tropomiosina e evolución
En claro contraste coa regra de "un xene, un polipéptido", hai moitos casos nos eucariotas nos que varias proteínas se orixinan a partir dun só xene. Estímase que os humanos producimos 5 veces máis proteínas (isoformas) que o número dos nosos xenes por medio de splicing alternativo. Un exemplo disto son as tropomiosinas. Desde un punto de vista evolutivo, as tropomiosinas dos eucariotas superiores manteñen os catro xenes que se produciron por un episodio de duplicación xenómica dual que tivo lugar na evolución temperá dos eucariotas.
Xenes e complexidade das isoformas