Biología celular citoesqueleto

CITOESQUELETO

Es un armazón formado por proteínas fibrosas que se expanden por todo el citosol.
Las proteínas fibrosas son proteínas de estructura terciaria con forma de glomérulos, muchos de los cuales forman fibras, que por cierto no son lisas.
El citoesqueleto consta de una compleja red de filamentos proteicos que se extienden por el citosol (citomusculatura).
El citoesqueleto es responsable de: establecer, modificar y mantener la forma de las células. También es responsable de los movimientos celulares, los cuales son coordinados, controlados y direccionados:

• Contracción, extensión.
• Formación de pseudópodos (filopodios)
• Desplazamiento intracelular de organelos, vesículas, macromoléculas.
• Desplazamientos celulares.
• Endocitosis, exocitosis.
• Movimientos de cilios y flagelos.

Estas actividades dependen de solo 3 tipos principales de proteínas filamentosas:

• Filamentos de actina (MF)                7 nm.
• Microtúbulos (MT)                         25 nm
• Filamentos intermedios (FI)        8-10 nm

MF y MT están formados por subunidades de proteínas globulares, pero pueden formar una gran variedad de estructuras, dependiendo de las proteínas asociadas que contengan, como: troponina, tropomiosina, filamina, gelsalina, dineina.
A estos 3 elementos básicos del citoesqueleto se asocia un gran número de proteínas accesorias o  asociadas, con 3 tipos de funciones:

• Proteínas reguladoras: controlan los procesos de alargamiento y acortamiento de las proteínas filamentosas principales, y como estas son polímeros integrados por numerosas unidades monoméricas dispuestas linealmente, los procesos anteriormente descritos dependen de estas propiedades moleculares.
• Proteínas motoras: trasladan macromoléculas, organoides y vesículas de un punto a otro dentro del citoplasma. Permite que los filamentos contiguos y paralelos entre sí se deslicen  en direcciones opuestas. Esta es la base de la motilidad, contracción y cambios de forma de la célula.
• Proteínas ligadoras: unen microtúbulos entre sí, o a la membrana plasmática, a las proteínas integrales.

9.1. MICROFILAMENTOS (MF) O FILAMENTOS DE ACTINA Y LA CORTEZA CELULAR.

Son más flexibles que los MT; suelen asociarse en haces (raramente se les ve aislados).
Son polímeros construidos por la suma lineal de monómeros globulares (actina G). Tienen una configuración helicoidal típica. Los monómeros se encuentran libres en el citosol. Cada monómero es un polipéptido de 375 aminoácidos unido a un ADP o ATP.
La polimerización de un filamento de actina (actina F) se inicia de un núcleo de 3 monómeros de actina G. Se agregan sucesivamente nuevos monómeros de actina G-ATP a los extremos (+) y (-). La hidrólisis de ATP en ADP+P permite la despolimerización, pero los extremos están protegidos por un “capuchón” (alto costo en ATP). Luego, si el filamento alcanza la longitud deseada, se protege además con proteínas reguladoras para estabilizarlas.
La actina es la proteína más abundante en muchas células eucarióticas (constituye el 5% del total de proteínas). Se distribuye por toda la célula, pero bajo la membrana hay una densa red de filamentos de actina, lo que constituye la corteza celular. Esto la capacita para cambiar su forma. La actina también se asocia a muchas otras proteínas, principalmente a la miosina, para formar estructuras que generan fuerzas de contracción. También forma haces de fibras, lo que proporciona sostén mecánico.
Al parecer, la polimerización depende de una proteína reguladora: la profilina.
En el proceso de despolimerización participan varias proteínas reguladoras:

• La timosina: inhibe la polimerización del trímero inicial.
• El ADF (factor despolimerización actina): se une al MF y la despolimeriza progresivamente.

Sobre la base de su distribución en las células, los MF se clasifican en:

• MF transcelulares: distribuidos aleatoriamente en todo el citoplasma.
• MF corticales: ubicados en la circunferencia de la membrana.

Ambas localizaciones contribuyen, entre otras funciones, al establecimiento de la forma celular. Según si las células son epiteliales o conectivas, las funciones de ambos tipos de filamentos varían. En las células epiteliales prevalecen los MF corticales; en las conectivas, prevalecen los MF transcelulares. En ambos tipos celulares los MF corticales son los responsables de la morfología periférica.

CELULAS EPITELIALES
En las células epiteliales, los filamentos de actina corticales se disponen en diferentes direcciones, a modo de una malla en la cara citosólica de la membrana plasmática; se unen entre sí y a la membrana plasmática mediante la proteína ligadora fodrina. Esta se conecta a ciertas proteínas integrales; una de ellas es la contratransportadora de Na+ y K+, por intermedio de otra proteína ligadora: la anquirina.
La fodrina es similar a la espectrina en el eritrocito.
Una franja de fibras de actina de la malla cortical de las células epiteliales participa en la formación del desmosoma en cinturón o cinturón adhesivo. Estos filamentos de actina se conectan, además, con proteínas de la membrana plasmática llamadas coadherinas, por medio de proteínas ligadoras: catenina, placoglobina, a-actinina y vinculina. En algunos epitelios, el cinturón adhesivo tiene funciones morfogenéticas durante el desarrollo embrionario.
Entre los filamentos de actina se colocan numerosas unidades de la proteína motora miosina I, la que permite el deslizamiento entre las fibras. La cabeza de esta proteína motora es la responsable de las propiedades mecánicas: en ella existe una ATPasa dependiente de Ca+; la cola se inserta en un filamento de actina, mientras que la cabeza establece uniones intermitentes con un filamento vecino, lo que produce un deslizamiento en dirección al extremo (+).

FILAMENTOS DE ACTINA TRANSCELULARES.
En las células epiteliales sirven para transportar organoides.
En las células conectivas, los filamentos de actina transcelulares se llaman fibras tensoras. Son manojos más gruesos. Las fibras se unen por la proteína ligadora a-actinina. Cada filamento se liga a la membrana plasmática mediante una estructura llamada contacto focal.
Cumplen un papel importante en la migración celular, fenómeno común durante el desarrollo embrionario: formación de tejidos y órganos, y ordenamiento y ordenación espacial de las diversas estructuras. En organismos adultos, participan en la defensa y reparación tisular. Los filamentos de actina cumplen un papel protagonista en los lamelipodios y filopodios en el extremo de la célula que se desplazará.

9.2. FILAMENTOS INTERMEDIOS (FI).

Son fibras fuertes, muy estables. Son proteínas fibrosas que cumplen un rol estructural. Varían ampliamente en tamaño de un tipo celular a otro y en las diferentes especies. Son muy abundantes y más desarrolladas en regiones sometidas a tensión mecánica.
Existen varios tipos de filamentos intermedios:

• Laminofilamentos: delgada malla sobre la cara interna de la envoltura nuclear. No son citosólicos. Tienen 3 clases de monómeros y sus dominios fibrosos son más largos que los de los FI citosólicos, por eso su ensamblaje genera una malla aplanada no tridimensional.
• Filamentos de queratina: o tonofilamentos; se encuentran en células epiteliales, en la epidermis, mucosas y glándulas. Importante en la unión de hemidesmosomas y desmosomas, que cumple una función mecánica. La filagrina, proteína accesoria ligadora, une las fibras de queratina donde se cruzan. Están formados por monómeros de citoqueratina, clase I y II.
• Filamentos de vimentina: presentan aspecto ondulado; son muy comunes en células embrionarias. En organismos adultos se encuentra en fibroblastos, células endoteliales, células sanguíneas.
• Neurofilamentos: principal elemento estructural de las dendritas, el axón y el cuerpo neuronal. En el axón forma un enrejado tridimensional, de modo que el axoplasma es muy estructurado y gel resistente.
• Filamentos gliales: en el citosol de los astrocitos y algunas células de Shwann.
• Filamentos de desmina: presentes en todas las células musculares lisas y estriadas; ligan a las miofibrillas por sus lados. En las fibras lisas se asocian con los filamentos de actina.

9.3. MICROTÚBULOS.

Se encuentran presentes en casi todas las células eucarióticas. Estructuras cilíndricas y huecas, que presentan un aspecto tubular notablemente rectilíneo y uniforme.
Según su localización se dividen en:

• MT citoplasmáticos.
• MT mitóticos.
• MT ciliares.
• MT centriolares.

En los a) y b), las proteínas accesorias se llaman MAPs (microtubule-associated-proteins). Los microtúbulos c) y d) nacen del centrosoma o centro organizador de los MT.
Químicamente son polímeros compuestos por heterodímeros: una subunidad a tubulina  y la otra b  tubulina (proteínas globulares). Ambas subunidades son muy afines entre sí, lo que facilita la combinación. Cada microtúbulo tiene 13 protofilamentos, que se ubican en forma desfasada. Los heterodímeros le confieren polaridad de los MT.
Intervienen en el citoesqueleto con propiedad estructural. Participa también en el desplazamiento de los cromosomas. Es el principal componente de los cilios y flagelos, los que participan en el desplazamiento. Tienen la propiedad de polimerizarse y despolimerizarse, agregando o eliminando subunidades de tubulina, por lo que se caracterizan por ser estructuras dinámicas. Funcionan como carriles a través de los cuales los organelos se desplazan dentro de la célula, con la ayuda de proteínas que requieren ATP, ejemplo: cinesina.

A) MICROTÚBULOS CITOPLASMÁTICOS.
Se forman (polimerizan, ensamblan) a partir del centrosoma, donde se produce la nucleación de las primeras moléculas de tubulina en medio de una red fibrilar de la matriz centrosómica, en presencia de una proteína reguladora: g-globulina. Esta servirá de molde para nuclear las 13 primeras tubulinas y bloquea el crecimiento y acortamiento en ese extremo.
En las neuronas hay otra proteína motora ligada a los MT, se llama dinamina.
Los microtúbulos citoplasmáticos contribuyen a establecer la forma celular, y mediante proteínas accesorias mantienen el sistema endomembranoso en sus posiciones adecuadas, lo que determina la polaridad de la célula.
El alargamiento del axón de una neurona depende del alargamiento de sus microtúbulos.
En el cuerpo neuronal y en el axón se ha identificado una MAP reguladora: tam, que inhibe la despolimerización de las tubulinas en el extremo del MT. Actúa también como ligadora y establece puentes entre los MT contiguos, lo que confiere mayor estabilidad. El mal de Alzheimer consiste en un deterioro neuronal progresivo debido precisamente a la inestabilidad de los MTs; la proteína accesoria tam contiene un número determinado de grupos fosfatos; pero algunas quinasas sobreactivas y fosfatasas hipoactivas producen un aumento de los fosfatos en la tam.

B) MICROTÚBULOS MITÓTICOS.
Llamados también fibras del uso. Permiten una correcta disposición de los cromosomas metafásicos en el plano ecuatorial y su posterior desplazamiento anafásico (colchicina, calcenid, vinblastina, vincristina).

C) MICROTÚBULOS CILIARES.
Permiten el movimiento a cilios y flagelos.
Los cilios tienen un importante función en el árbol respiratorio: arrastran fluidos y partículas. En las trompas de Falopio se relacionan con el espermatozoide, ovocito, cigoto.
Tienen 2 proteínas accesorias:

• Ligadoras: nexina, vaina interna, proteínas radiales.
• Motoras: dineína ciliar.

El movimiento ciliar se produce de la siguiente manera: las colas fibrilares están insertas en el MTA del doblete, las cabezas globulares –con sus respectivas ATPasas- establecen uniones intermitentes con el MTB vecino y lo recorren hacia el extremo menor se dobla el doblete, produciendo el movimiento flagelado.  Durante el movimiento ciliar o flagelar no todos los dobletes operan a la vez; se cree que operan las de un lado, y el movimiento de retorno lo hacen las del lado opuesto.
El síndrome de Kartagener o del ciclo inmóvil se produce por una mutación en los genes que codifican a la dineina ciliar u otras proteínas accesorias. Otras enfermedades relacionadas con el movimiento ciliar son la bronquitis crónica y la esterilidad tanto en el hombre como en la mujer.