El citoesqueleto
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- establecer la forma celular
- proporcionar resistencia mecánica
- locomoción
- la separación de cromosomas en la mitosis y la meiosis
- transporte intracelular de orgánulos
- Los filamentos de actina (también llamados microfilamentos )
- Los filamentos intermedios y
- Los microtúbulos
Actina Filamentos
Los monómeros de la proteína actina polimerizan para formar fibras largas y delgadas. Estos son unos 8 nm de diámetro y, por ser el más delgado de los filamentos del citoesqueleto, también están llamadosmicrofilamentos . (En las fibras musculares esqueléticas son llamados filamentos "finas" .) Algunas funciones de los filamentos de actina:- formar una banda justo debajo de la membrana plasmática que
- proporciona resistencia mecánica a la célula
- enlaces proteínas transmembrana (por ejemplo, receptores de superficie celular) a las proteínas citoplasmáticas
- pellizcos que dividen las células animales aparte durante la citocinesis
- generar corriente citoplasmática en algunas células
- generar la locomoción en las células tales como las células blancas de la sangre y la ameba
- interactuar con la miosina ("gruesos") filamentos de fibras del músculo esquelético para proporcionar la fuerza de la contracción muscular
Intermedio Filamentos
Estas fibras citoplásmicas promedio de 10 nm de diámetro (y por lo tanto son "intermedia" de tamaño entre los filamentos de actina (8 nM) y los microtúbulos (25 nM) (así como de los filamentos gruesos de fibras de músculo esquelético ).
Hay varios tipos de filamentos intermedios, cada uno construido a partir de una o más proteínas característicos de la misma.
- queratinas se encuentran en las células epiteliales y también forman cabello y las uñas;
- nucleares laminas forman una malla que estabiliza la membrana interna de la envoltura nuclear ;
- neurofilamentos fortalecer los largos axones de las neuronas;
- vimentins proporcionan resistencia mecánica a las células del músculo (y otros).
En la foto (cortesía de María Osborn), una mancha fluorescente se ha utilizado para mostrar los filamentos intermedios de queratina en dos células epiteliales.Tenga en cuenta la disposición de basketlike de filamentos alrededor de cada núcleo.
Diferentes tipos de epitelios utilizan diferentes queratinas para construir sus filamentos intermedios. Se han encontrado más de 20 diferentes tipos de queratinas, aunque cada tipo de célula epitelial puede utilizar no más de 2 de ellos. Hasta el 85% del peso seco de las células epiteliales escamosas puede constar de queratinas.
Los microtúbulos
Los microtúbulos- son, cilindros huecos rectos cuya pared está formada por un anillo de 13 "protofilamentos";
- tener un diámetro de aproximadamente 25 nm;
- son variables en longitud, pero puede crecer 1.000 veces más largo que su anchura;
- se construyen por la asamblea de dímeros de tubulina alfa y beta tubulina ;
- se encuentran tanto en células animales y vegetales. En las células vegetales, los microtúbulos se crean en muchos sitios dispersos a través de la célula. En las células animales, los microtúbulos se originan en el centrosoma .
- El extremo unido se llama el extremo menos ; el otro extremo es el extremo más .
- crecer en el extremo más por la polimerización de los dímeros de tubulina (accionado por la hidrólisis de GTP ), y
- reducir por la liberación de los dímeros de tubulina (despolimerización) en el mismo extremo.
Motores de microtúbulos
Hay dos grandes grupos de motores de microtúbulos:- kinesins (la mayoría de ellos se mueven hacia el extremo más de los microtúbulos) y
- dyneins (que se mueven hacia el extremo menos).
- El rápido transporte de orgánulos, como vesículas y las mitocondrias, a lo largo de los axones de las neuronas tiene lugar a lo largo de los microtúbulos con su más extremos en punta hacia el final del axón. Los motores son kinesins.
- La migración de los cromosomas en la mitosis y la meiosis tiene lugar en los microtúbulos que forman las fibras del huso . Ambos kinesins y dyneins se utilizan como motores [ Enlace ].
- La vincristina , un medicamento que se encuentra en la vinca de Madagascar (una flor silvestre), se une a los dímeros de tubulina que impiden el ensamblaje de microtúbulos. Esto detiene las células en la metafase de la mitosis.
- Taxol® , un fármaco que se encuentra en la corteza del tejo del Pacífico, evita la despolimerización de los microtúbulos del huso de la fibra. Esto, a su vez, detiene el movimiento de cromosomas, y por lo tanto evita que la finalización de la mitosis.
Los cilios y flagelos
Los cilios y flagelos se construyen a partir de matrices de los microtúbulos. Ellos se discuten en una página separada. Enlace a ella .El citoesqueleto es una estructura dinámica de las células eucariotas que permite mantener o cambiar la forma celular reaccionando a estímulos externos o internos. Está formada por tres tipos de filamentos de proteínas de diferente composición, función y características:
- Filamentos de actina conocidos también como microfilamentos
- Microtúbulos
- Filamentos intermedios.
El citoesqueleto es una compleja red de filamentos característica de las células eucariotas imprescindible para el buen funcionamiento celular. Está formado por tres tipos de filamentos: los microtúbulos, los microfilamentos y los filamentos intermedios.
- Los microtúbulos están formados por la polimerización de un dímero formado por alfa y beta tubulina. Son filamentos rígidos y huecos de unos 25 nanómetros. Los microtúbulos son filamentos polarizados que crecen por un extremo y por el otro se degradan si no están estabilizados. Los dímeros de tubulina unidos a GTP son más estables que si están unidos a GDP. Sobre estos microtúbulos, y también sobre filamentos de actina, se pueden asociar las proteínas motoras, que gracias a repetidos ciclos de hidrólisis de ATP pueden ir moviéndose a lo largo de estos filamentos pudiendo transportar vesículas e incluso orgánulos. Existen varios tipos de estas proteínas motoras dependiendo del elemento que transporten, orgánulos o vesículas, y de la dirección que tomen. Por ejemplo, las kinesinas se dirigen hacia el extremo positivo (por donde crecen los microtúbulos) y las dineínas hacia el negativo (por donde se degradan). Es importante que exista un orden y una regulación en el movimiento de los distintos elementos intracelulares para el correcto desarrollo de funciones celulares como el tráfico vesicular, en el que las vesículas deben dirigirse desde el retículo endoplásmico al aparato de Golgi. Los microtúbulos son esenciales también para la estabilidad de distintos orgánulos como el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi y para la organización y distribución de cromosomas en la mitosis. También forman estructuras capaces de moverse como cilios y flagelos.
- Los microfilamentos o filamentos de actina forman una red cerca de la membrana plasmática. Son más flexibles que los microtúbulos y tienen un grosor de 5 a 9 nanómetros. Se forman por polimerización de la molécula actina. La orientación de estos filamentos está controlada por complejos que se forman en la membrana y pueden cambiar por señales externas. Estos complejos actúan como lugares de nucleación de filamentos de actina que también están polarizados. A la actina también se le unen gran número de proteínas que le dan la capacidad de poder realizar una gran variedad de movimientos superficiales como fagocitosis o citocinesis en los cuales es fundamental la densidad y orientación de filamentos así como el tipo de proteína asociada. En el caso particular del tejido muscular la asociación de actina y miosina (que es una kinesina) confiere la capacidad contráctil a este tipo de células.
- Los filamentos intermedios tienen un grosor de 8-10 nanómetros que es intermedio entre los microtúbulos y los filamentos de actina (de ahí su nombre). A diferencia de los microtúbulos y los filamentos de actina que están formados por proteínas globulares, los filamentos intermedios están formados por proteínas filamentosas polimerizadas. Varios filamentos intermedios se enrollan sobre sí mismos a modo de cuerdas. Existen varios tipos de monómeros, que varían en sus extremos amino y carboxilo terminal, que forman estos filamentos. Por ejemplo, la lámina nuclear es un tipo de filamento intermedio distinto al que hay en el citosol o a los que forman la queratina en las células epiteliales. Otra diferencia muy importante con respecto a los otros tipos de filamentos es que los filamentos intermedios no están polarizados. Los filamentos intermedios se distribuyen en la célula formando una red densa cerca del núcleo que se prolonga hasta la membrana, interaccionando con ella. La función principal de estos filamentos es la de soportar la tensión mecánica que sufre una célula así como participar en uniones celulares contribuyendo a la cohesión tisular.
CITOESQUELETO
Silvia Márquez – Lionel Valenzuela Pérez – Sergio D. Ifrán – Maria Elena Pinto
Introducción
El citoesqueleto es propio de las células eucarióticas. Es una estructura tridimensional dinámica que se extiende a través del citoplasma. Por lo tanto la idea de que el citoplasma de la célula es una masa amorfa y gelatinosa es equivocada.
Esta matriz fibrosa de proteínas se extiende por el citoplasma entre el núcleo y la cara interna de la membrana plasmática, ayudando a definir la forma de la célula e interviniendo en la locomoción y división celular. Es decir que el citoesqueleto no sólo da estabilidad a la célula como un esqueleto, sino que es también como el músculo interviene en el movimiento celular. Por lo tanto podríamos llamarlo también “citomusculatura”. Podemos agregar que el citoesqueleto condiciona el movimiento de las organelas del interior de la célula y tiene gran importancia metabólica, dando un andamiaje a los procesos moleculares que se realizan en el citoplasma.
El citoesqueleto es característico de las células eucariontes ya que ESTA AUSENTE EN LOS PROCARIONTES. Por lo que podría ser un factor esencial en la evolución de los eucariotas
De esta forma podemos enunciar las siguientes funciones del citoesqueleto:
Ø Estabilidad celular y forma celular
Ø Locomoción celular
Ø División celular
Ø Movimiento de los orgánulos internos
Ø Regulación metabólica
Sistemas de Filamentos
En los años 1950-1960, la microscopia electrónica consiguió sacar a luz tres sistemas distintos de filamentos del citoplasma. Estudios bioquímicos e inmunológicos posteriores identificaron el conjunto específico de proteínas que caracteriza a cada sistema de filamentos. Los tres sistemas primarios de fibras que componen el citoesqueleto son: microfilamentos, microtúbulos y filamentos intermedios.
Proteínas Accesorias
Estos sistemas primarios de filamentos (microfilamentos , filamentos intermedios y microtúbulos), están asociados a un conjunto de proteínas llamadasproteínas accesorias. Las proteínas accesorias cumplen distintas funciones y de acuerdo a estos roles se las clasifican en:
Ø Proteínas reguladoras: regulan los procesos de alargamiento (polimerización) y acortamiento (despolimerización) de los filamentos principales.
Ø Proteínas ligadoras: conectan los filamentos entre si y con distintas estructuras celulares
Ø Proteínas motoras: sirven para la motilidad, contracción y cambios de forma celulares. También trasladan macromoléculas y organoides de un punto a otro del citoplasma.
Microfilamentos
Son las fibras más delgadas de 3-6 nm (nanómetros=milmillonésimas de metro= 10-9), están formados por la proteína actina. La actina es una proteína con funciones contráctiles, es también la proteína celular más abundante. La asociación de estos microfilamentos de actina con la proteína miosina es la responsable de la contracción muscular. Los microfilamentos también pueden llevar a cabo los movimientos celulares, incluyendo desplazamiento, contracción y citiocinesis.
Fig. 6.1- Polimerización y despolimerización de los filamentos de actina. (a) actina G, (b) nucleación, (c) polimerización y despolimerización.
La actina es la proteína base de los microfilamentos. El monómero es conocido como actina G, o actina globular. En presencia de ATP, se polimeriza formando largas hélices dobles, denominadas actina F, o actina filamentosa. Para que se lleve a cabo esta polimerización el ATP debe convertirse en ADP, liberando la energía necesaria para el proceso. La actina, presenta polaridad, tiende a polimerizarse (alargarse) y despolimerizarse (acortarse) a gran velocidad por un extremo más (el extremo positivo), y a realizar los mismos procesos por el otro extremo, menos (extremo negativo), a menor velocidad.
Fig. 6.2 - Esquema de una célula en movimiento. (1) Filopodios (prolongaciones digitiformes); (2) Lamelipodios (láminas citoplasmáticas)
Fig. 6.3 - Distribución de los filamentos de actina en los filopodios
Distribución celular
1. Filamentos Transcelulares (atraviesan el citoplasma en todas las direcciones).
2. Filamentos Corticales (por debajo de la membrana plasmática)
En las células epiteliales , los filamentos transcelulares transportan organoides, asociados a la proteína motora miosina I.
En las células del tejido conectivo los filamentos de actina transcelulares se llaman fibras tensoras y están asociadas a la proteína motora miosina II.
Los filamentos de actina cumplen un rol principal en la motilidad celular , decisiva en el desarrollo embrionario. En las células musculares los filamentos de actina no se acortan ni se alargan.
La droga citocalasina B provoca la despolimerización de los filamentos de actina, debido a que se une a sus dos extremos y bloquea su crecimiento.
Microtúbulos
Los microtúbulos son tubos cilíndricos de 20-25 nm de diámetro. Están compuestos de subunidades de la proteína tubulina , estas subunidades se llaman alfa y beta. Los microtúbulos actúan como un andamio para determinar la forma celular, y proveen un conjunto de “pistas” para que se muevan las organelas y vesículas. Los microtúbulos también forman las fibras del huso para separar los cromosomas durante la mitosis y la meiosis. Cuando se disponen en forma geométrica dentro de cilios y flagelos, son usados para la locomoción (autopropulsión) o para mover líquido circundante o partículas (motilidad).
Fig. 6.4- Polimerización de la tubulina a partir de las tubulinas alfa y beta
Como mencionamos anteriormente la tubulina forma polímeros. La tubulina es una proteína globular, de la que existen dos polipéptidos distintos aunque similares, la alfa tubulina y la beta tubulina. La alfa y la beta tubulina se asocian y forman dímeros. En presencia de GTP, los dímeros de tubulina se unen y forman un tubo cuya parte central se mantiene vacía. Al igual que la actina F, los microtúbulos manifiestan polaridad, un extremo tiende a la polimerización o despolimerización a mayor velocidad (extremo +) y en el otro extremo ocurre lo mismo pero a menor velocidad (extremo).
Los microtúbulos se organizan a partir de centros organizadores especializados, que controlan su localización y orientación en cel citoplasma. El centro organizador principal en las células animales es el centrosoma, próximo al núcleo. El centrosoma esta formado por estructuras en forma de anillo que contiene otra tipo de tubulina, la gama tubulina. Estos anillos actuan como centros de nucleación (crecimiento) de microtúbulos. Los dímeros de tubulina se añaden al anillos de gama tubulina con una orientación específica, siempre el "extremo -" de cada microtúbulo queda dentro del centrosoma y el crecimiento se produce por el "extremo +" .
Fig. 6.5- Extremos + y - de un microtúbulo
Las proteínas asociadas a los microtúbulos reciben el nombre de proteínas MAP (proteínas asociadas a los microtúbulos).
Por su localización, podemos clasificarlos en:
1. Citoplasmáticos (célula en interfase)
2. Mitóticos (fibra del huso)
3. Ciliares (en el eje de los cilios)
4. Centriolares (en cuerpos basales y centríolos)
Los microtúbulos citoplasmáticos son necesarios como vías de transporte de macromoléculas y organoides (vesículas, mitocondrias, etc.), intervienen dos proteínas motoras quinesina y dineína. En la neurona existe otra proteína motora asociada a los microtúbulos, la dinamina.
También establecen la forma celular. En las neuronas se hallan en las dendritas y en el axón, donde son esenciales para el crecimiento de éste último, que depende del alargamiento de sus microtúbulos. Este alargamiento es dependiente de la proteína motora dinamina, que provoca el deslizamiento de los microtúbulos, unos sobre otros.
En las neuronas se ha descubierto una MAP reguladora, denominada tau, que estabiliza los microtúbulos. En la enfermedad de Alzheimer, caracterizada por el deterioro neuronal progresivo, esta alterado el funcionamiento normal de esta proteína y por lo tanto se ve incrementada la inestabilidad de los microtúbulos imposibilitando el transporte axónico.
Los microtúbulos mitóticos movilizan los cromosomas durante la mitosis y la meiosis.
Los microtúbulos de cilias y flagelos crecen a partir de un cuerpo basal o cinetosoma de estructura idéntica a la de un centrosoma que actua como centro de nucleación de dímeros de alfa-beta tubulina. El cuerpo basal se encuentra por debajo de la membrana plasmática.
Existen diversas drogas que afectan a los microtúbulos, por ejemplo, la colchicina que se une a las tubulinas e impide su polimerización, lo que en definitiva produce la despolimerización de los microtúbulos. También pueden hacerse desaparecer los microtúbulos mitóticos mediante el uso de las drogas vinblastina y vincristina, que actúan de forma semejante a la colchicina, pero en forma selectiva, sobre los microtúbulos del huso mitótico. Por lo tanto estas drogas bloquean la división celular. Otra droga que produce los mismos efectos es el taxol, que impide la despolimerización de los microtúbulos, lo que induce su crecimiento descontrolado volviéndose imposible la división celular.
Filamentos intermedios
Los filamentos intermedios tienen 10 nm de diámetro y proveen fuerza de tensión (resistencia mecánica) a la célula. Según el tipo celular varían sus proteínas constitutivas. Podemos decir que existen seis tipos de filamentos intermedios:
1) Neurofilamentos (en la mayoría de las neuronas).
2) Filamentos de desmina, en el músculo.
3) Filamentos gliales, en las células del mismo nombre , que sirven de soporte en el cerebro, médula espinal y sistema nervioso periférico.
4) Filamentos de vimentina en células del tejido conjuntivo y en los vasos sanguíneos.
5) Queratinas epiteliales, (o filamentos de queratina o también llamados tonofilamentos), en células epiteliales.
6) Laminofilamentos, forman la lámina nuclear, una delgada malla de filamentos intermedios sobre la superficie interna de la envoltura nuclear. Son los únicos que no se encuentran en el citoplasma.
A diferencia de los microfilamentos y microtúbulos, los filamentos intermedios al agruparse pierden polaridad, por lo tanto no presentan extremo + y extremo - (ver Fig. 6.6).
Fig. 6.6- Estructura de los filamentos intermedios
Distribución celular
Los filamentos intermedios forman redes que conectan la membrana plasmática con la envoltura nuclear, formando una red continua a su alrededor. Una red similar se encuentra en la cara interna de la envoltura (lámina nuclear).
Fig. 6.7- Distribución de los componentes del citoesqueleto en la célula. 1- Filamentos intermedios unidos a desmosomas, 2- Microtúbulos partiendo del centrosoma, 3- Microfilamentos en el polo apical de la célula-(actina en microvellosidades).
Ejemplos de la función y estructura del citoesqueleto en células epiteliales
Motilidad y movimiento celular
La motilidad y movimiento celular se logra por medio de cilias y flagelos.
Las cilias son apéndices delgados, que surgen de la superficie de distintos tipos celulares. Los cilios de mayor longitud se llaman flagelos. Las estructuras ciliares se encuentran en epitelios especializados en eucariontes. Por ejemplo, las cilias barren los fluidos sobre células estacionarias en el epitelio de la tráquea y tubos del oviducto femenino (trompas de Falopio).
Los flagelos, son importantes para el movimiento celular. Son más largos que las cilias pero sus estructuras internas de microtúbulos son similares. Los flagelos procarióticos y eucarióticos poseen estructuras muy diferentes.
Fig. 6.8 - (a) Corte transversal de un centrosoma o cuerpo basal con su estructura típica, "9+0". Nueve tripletes periféricos y ninguno en el centro. Cada triplete esta formado por tres microtúbulos. (b) Esquema de un centrosoma o cuerpo basal, recordemos que posee idéntica estructura.
Fig. 6.9 - Distribución de los microtúbulos en cilios y cuerpos basales.
Ambos, flagelos y cilias tienen una disposición de túbulos de “9+2”. Esta disposición se refiere a los 9 pares fusionados de microtúbulos periféricos y de 2 microtúbulos no fusionados en el centro. Brazos de dineína sirven como motores moleculares (proteína accesoria motora). Si los brazos de dineína son defectuosos ( a causa de una mutación en los genes de la dineína), las cilias y los flagelos son inmóviles, lo que provoca problemas en el tracto respiratorio (bronquitis crónicas), e infertilidad en la mujer y el varón (flagelos de los espermatozoides inmóviles y cilias de las trompas uterinas inmóviles).
Fig. 6.10(a) - Esquema de un cilio (corte transversal)
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La célula en movimiento puede tomar también un aspecto poligonal por modificaciones en los filamentos de actina corticales, formándose láminas citoplasmáticas, llamadas lamelipodios con prolongaciones denominadas filopodios. Lamelipodios y filopodios alteran períodos de crecimiento y acortamiento, base de la motilidad celular.
Los axones crecen en su extremo distal por una especialización, llamada cono de crecimiento que responde a estímulos físicos y químicos.
Movimiento de organelos internos
Anteriormente hemos mencionado que el citoesqueleto actúa como un andamiaje sobre el cual, con la ayuda de las proteínas accesorias (como por ejemplo las proteínas motoras) es posible mover organelas, cromosomas, provocar flujos citoplasmáticos y lograr la división celular (citocinesis).
Para tener una visión mas precisa de estos y otros fenómenos celulares veremos como actúan las proteínas accesorias motoras.
Las proteínas accesorias motoras, son motores proteicos que ligan dos moléculas y que utilizando ATP , provocan el desplazamiento de una molécula con respecto a la otra. Estas proteínas tienen un extremo motor que unen al citoesqueleto (microtúbulos y actina) y por el extremo ligante pueden unirse a diferentes tipos de estructuras moleculares, como por ejemplo organelas, vesículas u otras proteínas del citoesqueleto.
Ejemplos de proteínas motoras:
Ø Miosina que se une a actina
Ø Quinesina o Kinesina que se une a microtúbulos
Ø Dineína que se une a microtúbulos
Cuando se conectan a otros microtúbulos, las proteínas motoras pueden causar movimiento si los extremos están fijos (cilias y flagelos) o extender la longitud de los paquetes de fibras si los extremos están libres.
Fig. 6.11 - Movimiento de proteínas motoras sobre los microtúbulos
Fig. 6.12 - Disposición de los microtúbulos en el axón de una neurona. Observe los distintos tipos de transporte, uno anterógrado del cuerpo celular a la terminal sináptica y un transporte retrógrado, de la terminal al cuerpo celular. Los microtúbulos junto con las proteínas motoras transportan los distintos materiales, por ejemplo vesículas con neurotransmisores. (De Kinesin and Dynein Superfamily Proteins and the Mechanism of Organelle Transport. Nobutaka Hirokawa Science.279:519-526)
Fig. 6.13 - Microtúbulos asociados a proteínas motoras. (a) Los extremos fijos de los microtúbulos permiten a los motores proteicos mover las fibras. (b) Los extremos libres de los microtúbulos permiten a los motores proteicos extender la longitud de las fibras.
Fig. 6.14 - Asociaciones de las miosinas I y II con los filamentos de actina. (a) Los filamentos de actina transcelulares (que atraviesan toda la célula), sirven como vías de transporte para organoides en el citoplasma. Para esto necesitan de la proteína motora miosina, que consume ATP para provocar el movimiento. (b) En los filamentos de actina que actuán como fibras tensoras, se localizan numerosas unidades de miosina II. Estos filamentos de actina se unen a estructuras localizadas en la membrana plasmática, llamadas contanto focales. De esta forma se generan leves movimientos pero continuos
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