Biología celular

Citoesqueleto

Los filamentos intermedios son componentes del citoesqueleto, formados por agrupaciones de proteínas fibrosas. Su nombre deriva de su diámetro, de 10 nm, menor que el de los microtúbulos, de 25 nm, pero mayor que el de losmicrofilamentos, de 7 nm. Son únicos en las células animales.

Estructura

Se componen de proteínas en alfa-hélice, que se agrupan de forma jerárquica para dar lugar a los filamentos intermedios:

• Dos proteínas se asocian de forma paralela, es decir, con los extremos amínico y carboxílico hacia el mismo lado.
  • Dos dímeros se asocian de forma antiparalela para dar un tetrámero
    • Los tetrámeros se asocian cabeza con cola para dar largas fibras llamadas protofilamentos, que, además, se asocian lateralmente para dar:
      • El filamento intermedio, se asemeja a una cuerda formada por las hebras de tetrámeros unidos cabeza con cola.

La unidad funcional que se considera precursor, por su elevada estabilidad en el citosol, es el tetrámero.

Tipos de proteínas de los filamentos intermedios

1. I. Queratina Ácida
2. II. Queratina Básica
3. III. Vimentina, Desmina , Periferina
4. IV. Neurofilamentos
5. V. Laminares (Membrana Nuclear)
6. VI. Nestina
7. VII. Desminas. cel. musculares y fibroblastos

Función

Su función principal es darle rigidez a la célula. La función depende de la composición y la localización de los filamentos. Las laminas nucleares además de darle rigidez al núcleo participan en la regulación de transcripción. Otros miembros, las queratinas, participan en algunas uniones celulares (desmosomas y hemidesmosomas).

Además:

• Apoyo estructural
• Fijación al núcleo
• Suministran una conexión adaptable
• Proporcionan un marco estructural
• No dan movimiento

Su función no se observa claramente in vitro ya que es dar origen a tejidos y órganos.^{[cita requerida]} Son esenciales para el anclaje de células a otras células o a la matriz extracelular. In vitro no se requieren proteínas para su función pero in vivo sí. Algunas funciones de las proteínas asociadas in vivo a los filamentos intermedios son:

• Unir los filamentos intermedios con otras estructuras celulares como la membrana plasmática
• Hacer redes entre filamentos intermedios
• Formar haces

Irregularidades en la expresión genética de las proteínas de los filamentos intermedios causan fragilidad y distrofias celulares (como es el caso de ciertas cardiomiopatías).

Estabilidad

Los filamentos intermedios, a diferencia de la actina F o los microtúbulos, son muy estables. Para su dinámica se requiere la fosforilación y defosforilación de sus componentes por medio de Quinasas y fosfatasas, respectivamente.

Relación con otros elementos del citoesqueleto

Existen proteínas asociadas a filamentos intermedios que establecen enlaces cruzados con microtúbulos y actina. También son buenos inhibidores de las miosinas.

Son componentes del citoesqueleto que ejercen una gran resistencia a las tensiones mecánicas y su principal misión es permitir a las células soportar tensiones mecánicas cuando son estiradas. Se denominan intermedios porque su diámetro es de aproximadamente 10 a 12 nm, que se encuentra entre los de los filamentos de actina (7 a 8 nm) y los microtúbulos (25 nm). Se encuentran presentes en las células animales, aunque no en todas. En las células vegetales no tienen tanto sentido puesto que su papel lo lleva a cabo la pared celular. Forman una red que contacta con el núcleo y se extiende hasta la periferia celular. Normalmente están anclados a los complejos de unión que se establecen entre células vecinas, como los desmosomas, hemidesmosomas, las uniones focales y la matriz extracelular a través de proteínas de unión. También se han encontrado filamentos intermedios en el núcleo donde forman la lámina nuclear ^☆, un entramado que da forma y aporta cohesión a la envuelta nuclear. Abundan los filamentos intermedios en las células que están sometidas a tensiones mecánicas. Por ejemplo en los axones de las células nerviosas, en las musculares y en las epiteliales.

Esquema de la disposición de los filamentos intermedios en una célula animal en cultivo. 

En humanos hay 70 genes que codifican para los monómeros, que al polimerizar forman los filamentos intermedios. Estos monómeros o subunidades están formados por una cabeza globular en el extremo amino, una cola globular en el extremo carboxilo y un dominio central alargado o región central con unos 310 a 350 aminoácidos. La región central se organiza en una hélice alfa que permite a un monómero unirse a otro para formar dímeros. Dos de estos dímeros pueden asociarse entre sí mediante enlaces eléctricos para formar tetrámeros y los tetrámeros se asocian entre sí formando octámeros. Cuatro octámeros forman la unidad fundamental de ensamblaje y varias unidades fundamentales se asocian por sus extremos para formar los filamentos intermedios a modo de cuerda. Las zonas centrales de los monómeros son muy parecidas entre los distintos tipos de filamentos intermedios, en tamaño y secuencia de animoácidos, por lo que todos tienen un diámetro y forma parecidos. Las cabezas o zonas globulares son las regiones de la proteína encargadas de interaccionar con otros componentes celulares. En los distintos tipos de filamentos intermedios estas cabezas son variables en forma y secuencia de aminoácidos.

Esquema del ensamblaje de los filamentos intermedios a partir de monómeros. 

Los filamentos intermedios son flexibles y resistentes, dos propiedades óptimas para soportar las tensiones mecánicas. Se ha estimado que pueden estirarse entre un 250 y un 350 % de su longitud inicial cuando se someten a fuerzas de tensión. Cuando esto ocurre disminuyen su diámetro, por lo que se estima que los monómeros pueden deslizarse unos sobre otros. Esto contrasta los microtúbulos y los filamentos de actina, los cuales son relativamente rígidos. Además de en esta función de resistencia parece que intervienen en otros procesos celulares. Se les postula como lugar de anclaje de numerosas moléculas de señalización. Además, interaccionan directamente con orgánulos como las mitocondrias, el aparato de Golgi y los lisosomas, por lo que pueden afectar a su funcionamiento.

Aunque los filamentos intermedios son más estables en el tiempo que los microtúbulos o los filamentos de actina, también pueden desorganizarse y volver a polimerizar bajo ciertas condiciones celulares como durante el desplazamiento celular, división celular o cuando se responde a cambios en la dirección de las fuerzas tensoras que soportan las células.

Hay tres grandes familias de filamentos intermedios: a) filamentos de queratina en las células epiteliales, la b) vimentina y otros filamentos relacionados con la vimentina, que aparecen en las células del conjuntivo, células musculares y nerviosas, y c) losneurofilamentos, que se encuentran en las células nerviosas. La familia de filamentos intermedios con más diversidad en sus monómeros es la de las queratinas. Así, se han encontrado monómeros diferentes en epitelios diferentes, también aparecen queratinas especiales en el pelo, las plumas y las uñas. En cada caso los filamentos de queratina son el resultado de una mezclas de distintos tipos de monómeros de queratinas.

Los filamentos de queratina en las células epiteliales^☆ suelen estar anclados a los desomosomas y a los hemidesmosomas. La importancia de esto queda patente en una enfermedad llamada epidermolisis bullosa simple, en la cual existen mutaciones que modifican la formación de los filamentos de queratina. El resultado es una piel muy vulnerable al daño mecánico, es decir, hace falta muy poca presión para separar las células y producir descamación. Ésta es sólo una de las más de 75 enfermedades humanas asociadas a defectos en los filamentos intermedios entre las que se encuentran miopatías, esclerosis lateral amiotrófica, Parkinson, cataratas, etcétera.

Los filopodios (en algunos textos denominados microespículas) son proyecciones citoplasmáticas delgadas similares a lamelipodios que se extienden desde el extremo directriz de células en migración.¹ Contienen filamentos de actina entrecruzados en haces mediante proteínas de unión a actina, como por ejemplo la fimbrina.² Los Filopodios forman adhesiones locales con el sustrato, afirmándolo a la superficie celular.³ Algunas células migran por superfices extendiendo filopodios por su extremo directriz. Los filopodios se anclan al sustrato avanzando dirigidas por su ruta de migración, y seguidamente las fibras de estrés retraen la parte posterior de la célula para propulsarla hacia adelante.

La activación de la familia Rho de GTPasas relacionadas con la proteína Ras, en particular cdc42 y sus intermediarios corriente abajo producen el ensamblaje de fibras de actina.⁴ Los factores de crecimiento se unen a receptores de tirosín-quinasas, lo que produce la polimerización de los filamentos de actina, los cuales, cuando se entrecruzan, constituyen los elementos del citoesqueleto que soportan los filopodios. La actividad de Rho también produce la activación del grupo ezrina-moesina-radixina, lo cual estimula la unión de los filamentos de actina a la membrana filopodial.⁴

En la cicatrización de las heridas de vertebrados, los factores de crecimiento estimulan la formación de filopodios en los fibroblastos en los que controla su división, esencial para la cicatrización.⁵ En lasneuronas en desarrollo, los filopodios se extienden a partir del cono de crecimiento en su extremo directriz. En las neuronas carentes de filopodios, la eliminación de los filamentos de actina hace que la extensión del cono de crecimiento continúe normalmente, pero la dirección del crecimiento se distorsiona y es altamente irregular.