lunes, 7 de noviembre de 2016

El Citoesqueleto


El CITOESQUELETO un entramado tridimensional que forma una compleja red de filamentos internos, compuesta por varios tipos de proteínas que se encuentra el interior de celular, tanto en procariotas, como en eucariotas.  Esta matriz fibrosa se extiende todo el interior celular hasta la cara interna de la membrana plasmática, no es una estructura permanente, sino que se desmantela y se reconstruye sin cesar.


( izq ) visualización de diferentes fibras del citoesqueleto por medio de inmunofluorescencia; ( centro ) representación de las fibras de actina en una matriz filamentosa; ( der ) microfotografía coloreada de las diferentes fibras del citoesqueleto

Función del Citoesqueleto

El citoesqueleto mantiene la estructura y la forma de la célula.  Actúa como armazón para la organización de la célula y la fijación de las organelas y otros microcuerpos. También es el encargado de permitir el movimiento celular y colabora en la división de la célula ( tanto del citoplasma como del material genético ).  También desempeña un importante papel en el transporte intracelular mediando procesos de endocitosis y exocitosis, participa en los procesos de modulación de receptores de superficie (define la conformación y función de los receptores), crea compartimientos (favorece la organización funcional); y participa en los procesos de interacción intercelular.

El Citoesqueleto en las células eucariotas, consta de tres tipos de fibras: microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos, mientras que en las procariotas está constituido principalmente por las proteínas estructurales FtsZ, MreB, Crescentina y ParM.

El citoesqueleto procariota

Visualización de las proteínas FtsZ en un grupo de bacterias mediante inmunofluorescencia

Hasta hace relativamente poco tiempo se creía que el citoesqueleto era un componente exclusivo de eucariotas, hace unos 20 años se encontraron un grupo de proteínas homólogas ( semejantes ) a la tubulina, actina y miosina en células procariotas. Las relaciones evolutivas entre ambos dominios son aún están en discusión por lo que no se puede hacer una afirmación concluyente para  afirmar analogías a partir de las secuencias de aminoácidos de los tipos de proteínas, sin embargo la similitud en las estructuras tridimensionales, las funciones son un tipo de prueba de que el citoesqueleto eucariota y procariota son realmente homólogos,

Proteínas FtsZ ( filamenting temperature-sensitive mutant Z )

Erfei Bi y Joseph Lutkenhaus

La FtsZ fue la primera proteína del citoesqueleto procariota en ser identificada, en 1991 por Bi y Lutkenhaus. Al igual que la tubulina ( propia de eucariotas ), la proteína FtsZ forma filamentos los cuales no se agrupan en microtúbulos ( como en el caso de la tubulina). Durante la división celular, la FtsZ es la primera proteína que se desplaza al lugar de la división y es esencial para organizar a las proteínas que sintetizan la nueva pared celular en las células que se dividen.

Izq, microfotografia de los filamentos de FtsZ; der, localización de anillos concéntricos de la proteína FtsZ durante la fase de crecimiento exponencial en una población de una cepa silvestre de bacterias.

Existen otras proteínas en procariotas semejantes a la actina,  y están involucradas en el mantenimiento de la forma celular. Estas proteínas forman una red debajo de la membrana celular que guía a las proteínas que participan en la biosíntesis de la pared celular. Las mismas se describen a continuación

Proteínas MreB y Mbl

La MreB es una proteína presente en las bacterias que ha sido identificada como un homólogo de la actina, justificado por las similitudes en la estructura terciaria.  La proteína MreB está involucrada en la replicación del genoma de bacteriófagos y últimamente se ha descubierto una asociación con la proteína de membrana RodZ, para la determinación de la forma de la célula bacteriana.
Secuencia que muestra la actividad de la proteína MreB durante una fase de esporulación bacteriana

Al estudiar la actividad de estas dos proteínas, se descubrió que éstas parecían se disponen en una estructura en forma de hélice, la cual recorría la estructura bacteriana inmediatamente por debajo de la membrana plasmática, en un plano transversal al eje mayor ( en el caso de la proteína MreB ). Dicha estructura daba entre una vuelta y una vuelta y cuarto a la periferia celular. Por otro lado el número de bandas visibles parecía pasar de una a dos o incluso más en los momentos previos a la división celular, sugiriendo un proceso acoplado al ciclo celular. En  cuanto a la proteína Mbl, también aparecía en forma de estructuras filamentosas y helicoidales, pero situadas a lo largo de la bacteria, en lugar de transversalmente. Esto le da a la estructura una forma de 8. Esto significa que ambas proteínas controlan la forma de las bacterias.

Esquema que muestra la disposición de las proteínas Mlb y MreB en el interior de una célula bacteriana

Proteínas ParM

Proteína ParM marcada con fluorescencia y expresada “ in situ “ en Escherichia coli

Esta proteína se ha encontrado en algunos plásmidos, los cuales codifican un sistema de particionado que envuelve una proteína similar a la actina. Los filamentos de ParM pueden particionar los plásmidos de ADN durante la división celular en un mecanismo análogo al utilizado por los microtúbulos durante mitosis de los eucariotas.

Esquema que muestra como los filamentos de ParM particionan los plásmidos de ADN durante la división bacteriana.

Proteína Crescentina

La bacteria Caulobacter crescentus contiene una tercera proteína, crescentina, que está relacionada con los filamentos intermedios de las células eucarióticas. La crescentina también participa en el mantenimiento de la forma celular, pero el mecanismo actualmente es poco claro.

Microfotografías en las cuales se muestra mediante fluorescencia in situ en Caulobacter crescentus la disposición de los filamentos de Crescentina

El citoesqueleto eucariota

microfotografías que muestran por medio de Fluorescencia in situ la ubicación y disposición de los elementos del citoesqueleto en una célula eucariota

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, están asociados a un conjunto de proteínas llamadas proteínas accesorias. Las proteínas accesorias cumplen distintas funciones y de acuerdo a estos roles se las clasifican en:

  • Proteínas reguladoras: regulan los procesos de alargamiento (polimerización) y acortamiento (despolimerización) de los filamentos principales.
  • Proteínas ligadoras: conectan los filamentos entre si y con distintas estructuras celulares
  • Proteínas motoras: sirven para la motilidad, contracción y cambios de forma celulares. También trasladan macromoléculas y organelas de un punto a otro del citoplasma.

Microtúbulos

Los microtúbulos son estructuras cilíndricas entre unos 20-25 nm de diámetro. Están compuestos de subunidades de la proteína tubulina ( subunidades alfa y beta ).  Los microtúbulos se originan en los centros organizadores de microtúbulos adoptando una organización radial en las células durante la interfase.   Los microtúbulos son estructuras altamente dinámicas, estabilizadas por un grupo de proteínas denominadas proteínas asociadas a microtúbulos (MAPs). 

microfotografías que muestran: detalle de un microtúbulo ( arriba ) y la disposición de los mismos en el interior celular ( abajo )

Funciones de los Microtúbulos

Los microtúbulos actúan como un andamio para determinar la forma celular, y permiten el movimiento de 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).  

Microfotografías que muestran la disposición de los microtúbulos del huso en una célula de equinodermo durante ta embiorgénesis ( izq ); en el centro se puede apreciar un corte transversal de varios cilios y a la derecha el corte transversal de un falgelo, en ambas se muestra la disposición de los microtúbulos en la estructura 9 + 2.

Microfilamentos

Los microfilamentos son fibras de 3 a 7 nm de diámetro. Están compuestos predominantemente de una proteína contráctil llamada actina. Estas fibras se sitúan en la periferia de la célula y se sintetizan desde puntos específicos de la membrana celular.    Los monómeros de forma globular (G-actina) se polimerizan en un proceso dependiente de ATP, para formar el polímero de F-actina, que consta de dos filamentos centrales enrollados helicoidalmente en la estructura del microfilamento. Los microfilamentos son estructuras altamente dinámicas, cuya polimerización está regulada por proteínas de una familia conocida como "proteínas de unión a actina" (ABPs)

( der ) modelo tridimensional de la Actina G; ( izq ) microfotografía de las fibras de actina y y su representacion en fornma de la fibra de Actina F

Funciones de los microfilamentos

Son los responsables de la forma y del desplazamiento celular. La asociación de los microfilamentos con la proteína miosina es la responsable por la contracción muscular, en ésta los filamentos de actina asociados a proteínas "miosinas", provocan la contracción del músculo en un proceso mediado por calcio.  Los microfilamentos también pueden llevar a cabo movimientos celulares, incluyendo desplazamiento, contracción y citocinesis. En conjunción con los microtúbulos le dan a la célula la estructura y el movimiento.   Los filamentos de actina poseen gran importancia en todos los procesos de desplazamiento y adhesión celular (emisión de pseudópodos p. ej.). También juegan un rol importante en la división celular, pues forman el anillo de contracción que permite el estrangulamiento celular durante la citocinesis.

( izq ) representación de la interacción de los filamentos de actina y miosina en la fibra muscular, ( centro ) corte de una fibra muscular en donde se aprecian en naranja las fibras de F-actina, ( der ) la microfotografía muestra la dsiposición de fibras de actina por inmunofluorescencia durante la citocinesis

Distribución celular
  1. Filamentos Transcelulares (atraviesan el citoplasma en todas las direcciones).
  2. Filamentos Corticales (por debajo de la membrana plasmática)

Filamentos Intermedios

distribución celular de distintos tipos de filamentos intermedios, mostrados in situ por inmunofluorescencia.

Los filamentos intermedios son estructuras del citoesqueleto de alrededor de 10 nm de diámetro, formados por un conjunto de proteínas específicas para cada tipo celular. Se componen de proteínas en configuración alfa-hélice, que se agrupan de forma jerárquica para dar lugar a las fibras.  

Esquema de la Vimentina,  subunidades que la componen ( arriba ) y forma extendida ( abajo )

Hay seis tipos diferentes de filamentos intermedios:


Filamentos intermedios Tipo I y II ( Queratina ácida y básica ):  Éstos se encuentran en las células epiteliales y forman la estructura los pelos, las escamas, las plumas y las uñas. Son específicas para los diferentes tipos de células epiteliales.  Esta propiedad ha sido utilizada en la detección del origen celular de algunos tipos de cáncer, sobre todo cuando las células malignas han hecho metástasis, por lo que su aplicación es una fuerte herramienta de diagnóstico.   En los epitelios, los filamentos intermedios de tipo I y II participan en la formación de uniones intercelulares del tipo desmosoma, y en las uniones de las células a la matriz extracelular, formando uniones de tipo hemidesmosoma.  Se conocen más de 30 tipos diferentes de Queratinas, pero se sabe que cada tipo de célula epitelial puede tener sólo dos de ellas.

Microfotografías que muestran diferentes tipos de queratinas en color rojo (izq y centro)

Filamentos intermedios Tipo III. Se encuentran en varios tipos celulares, incluyendo:  Vimentina en fibroblastos, células endoteliales y leucocitos; desmina en músculo; factor glial fibrilar ácido en astrocitos y otras células gliales, y periferina en las fibras nerviosas periféricas.

En las microfotografías se pueden apreciar los distintos tipos de Filamentos intermedios tipo III: ( 1 ) Vimentina,  ( 2 ) Desmina,  ( 3 ) Factor glial fibrilar ácido  y ( 4 ) Periferina ( en amarillo )


Filamentos intermedios Tipo IV: Neurofilamentos H (pesados), M (medianos) y L (ligeros). H, M y L se refieren al peso molecular de las proteínas que forman los NF. Otro filamento intermedio tipo IV es la " internexina"  y algunos filamentos encontrados en el cristalino (filensina y faquinina). Estos neurofilamentos se encuentran habitualmente entrecruzados por medio de la proteína Plectina.  Las proteínas que forman los neurofilamentos agregan su diámetro al  propio del axón y por lo tanto influyen sobre su funcionamiento (axones  mas grandes o gruesos conducen más rápido ).  Además de los neurofilamentos este grupo comprende otras proteínas: α- internexina, nestina, sincoilina, sinemina y desmuslina, estas dos últimas localizadas en el tejido muscular

Imágenes de ME por medio de de criofractura: (A) Neurofilamentos axónicos; (B) filamentos de células gliales; (C) ME convencional, corte transversal del axón

Filamentos intermedios Tipo V:  son las láminas nucleares que forman un soporte filamentoso a la  capa interna de la envoltura nuclear ( la lámina nuclear ). Las láminas son indispensables para la re­estructuración de la  envoltura nuclear después de la división celular.  Además se ha demostrado que las láminas pueden fijarse directamente a la cromatina y asociarse con un variado número y tipo de proteínas nucleares, incluyendo reguladores específicos de la trascripción. Estudios recientes han demostrado la importancia que tienen las láminas sobre la expresión genética, lo cual se realiza a través de varios mecanismos:

  1. determinando la organización de la cromatina;
  2. regulando la transcripción de genes específicos;
  3. participando en la transmisión de las señales que regulan los procesos anteriores.

En las microfotografías se muestran diversas células que muestran las láminas nucleares por medio de inmunofluorescencia,  y se pueden observar las laminas A y C en Fibroblastos humanos, las ilustraciones de la derecha muestran las láminas de un paciente con Progeria ( HGPS ).

Se conocen en el humano dos tipos distintos de familias de láminas: las láminas tipo A, las cuales se originan del mismo gene que se empalma de varias formas ( Lámina A, Lámina C y Lámina Adel 10), las láminas tipo B incluyen dos proteínas que se originan de dos genes distintos ( Lámina  B1 y Lámina  B2 )


Filamentos intermedios Tipo VI: El lente del cristalino contiene un tipo de  filamentos intermedios formados por dos proteínas, la CP49 ( faquinina ) y la CP115/CP95 ( filensina ). Estas proteínas son bastante divergentes evolutivamente y constituyen un tipo homólogo.

Funciones de los Filamentos intermedios

Las funciones que se conocen para estas estructuras del citoesqueleto son las siguientes

  • Proveer a la célula de una red firme de soporte que la proteja contra   los esfuerzos mecánicos a que está sometida continuamente.
  • Mantenimiento de la forma celular.
  • Distribución y posicionamiento de las organelas.
  • Migración celular. Es especialmente importante mencionar la participación de los Filamentos Intermedios a base de vimentina en la migración transcelular de los linfocitos.
  • Crecimiento radial de los axones.
  • Moldeo y transporte de las moléculas de señalamiento.
  • Una misión importante de los filamentos intermedios es la disociación de la red citoplásmica y nuclear de FI durante la mitosis. 


Para leer más

Citoesqueleto

Descubrimiento del citoesqueleto bacteriano

PROFESOR JANO es Víctor M. Vitoria

Cellular Visions: The Inner Life of a C ( Excelente video en inglés )

Microtubule Models

Exploring structure and function of FtsZ, a prokaryotic cell division protein and tubulin-homologue

The Cytoskeleton

¿Existe un citosqueleto en procariotas?

008 ANAT3231 Lecture 11 Cell Cytoskeleton – Microfilaments

Chapter 10 Cytoskeleton System

Citoesqueleto Vegetal

Gene Structure and cDNA Sequence Identify the Beaded Filament Protein CP49 as a Highly Divergent Type I Intermediate Filament Protein