Citoesqueleto: Neurofilamentos y Microfilamentos

Citoesqueleto: Funciones Principales

• Proporciona soporte estructural dinámico a la célula, determina su forma, y resiste fuerzas deformantes.
• Establece las posiciones de los orgánulos dentro de la célula, siendo especialmente evidente en células epiteliales polarizadas.
• Dirige el movimiento de materiales y orgánulos dentro de las células como una red de rieles.
• Permite la motilidad celular como aparato generador de fuerza.
• Es un componente esencial en la maquinaria de división celular.

Clases de Filamentos del Citoesqueleto

• Hay tres clases principales de filamentos en el citoesqueleto: filamentos intermedios, microtúbulos y filamentos de actina.

Características Comunes de los Filamentos

• Son estructuras poliméricas proteicas unidas por interacciones no covalentes.
• Las subunidades se ensamblan y desensamblan espontáneamente en solución acuosa.
• Son dinámicas, adaptables y resistentes.

Elementos del Citoesqueleto

• Proteínas Principales:
  • Tubulina (Microtúbulos).
  • Actina (Microfilamentos).
  • Proteínas fibrosas (Filamentos intermedios).
• Proteínas Accesorias:
  • Reguladoras: Controlan la longitud de los componentes.
  • Ligadoras: Unen distintos componentes.
  • Motoras: Se mueven a través de los microtúbulos y microfilamentos.

Microtúbulos en Células Epiteliales y Nerviosas

• Funcionan principalmente como soporte y en el transporte de orgánulos. Los microtúbulos en células en división forman el huso mitótico para separar los cromosomas.

Filamentos Intermedios

• Proporcionan soporte estructural a las células epiteliales y nerviosas.

Microfilamentos

• Sostienen las microvellosidades de las células epiteliales. Son esenciales en la maquinaria móvil para la elongación de las células nerviosas y en la división celular (citocinesis).

Septinas

• Consideradas el cuarto componente del citoesqueleto. Son proteínas con una región conservada de unión a GTP y forman complejos heteroméricos con un alto grado de orden estructural en filamentos, anillos y horquillas en forma de reloj de arena.
• Se encuentran en levaduras hasta animales superiores, pero no en plantas. No presentan polaridad, similar a los filamentos intermedios.

Citoesqueleto Bacteriano

• Las bacterias poseen filamentos proteicos análogos a los del citoesqueleto eucariota.
• FtsZ: Proteína homóloga a la tubulina que se une a GTP, utiliza la energía de la desfosforilación a GDP para polimerizar y formar un anillo ecuatorial de filamentos. Invagina la membrana, separa las células hijas, y sintetiza la pared celular del septo de separación.

Proteínas Homólogas a la Actina

• MreB y MBI forman filamentos en espiral que sirven como carriles para la incorporación de peptidoglucanos. ParM es otra proteína homóloga presente en plásmidos.

Crescentina

• Es homóloga a los filamentos intermedios.

Microtúbulos (MTs)

• Son filamentos tubulares huecos formados por heterodímeros de αβ-tubulina.
• Los heterodímeros de tubulina interactúan longitudinalmente formando cadenas lineales llamadas protofilamentos. A su vez, establecen interacciones laterales para formar los MTs
• In vivo, la mayoría de los MTs consisten en trece protofilamentos y tienen polaridad intrínseca. Los monómeros de α-tubulina se orientan hacia el extremo (-) (de crecimiento lento), mientras que los de β-tubulina se orientan hacia el extremo (+) (de crecimiento rápido).

Dímeros de Tubulina y GTP

• Los dímeros de tubulina libres están unidos a dos moléculas de GTP. Al incorporarse a los microtúbulos, se hidroliza uno de los GTPs a GDP.

Velocidad de Unión de Dímeros

• Si la velocidad de unión de nuevos dímeros GTP-GTP es mayor que la hidrólisis de GTP, existe una "caperuza de GTP" en el extremo (+), promoviendo el crecimiento longitudinal del microtúbulo.
• Si la velocidad de polimerización es menor que la de hidrólisis de GTP, el extremo (+) tiene dímeros de tubulina-GTP-GDP, impidiendo la polimerización y causando despolimerización.

Conversión de Dímeros

• Los dímeros de tubulina-GTP-GDP liberados se convierten rápidamente en dímeros GTP-GTP para volver a unirse.

Modificación de la Polimerización-Despolimerización

• Puede afectar significativamente la organización y función celular. Colchicina y Paclitaxel son ejemplos clásicos.

Funciones de los Microtúbulos

• Son componentes estructurales y generadores del movimiento de cilios y flagelos.
• Dirigen el transporte de orgánulos y vesículas en el citoplasma.
• Constituyen el huso mitótico.
• Ayudan a determinar la forma y polaridad celular, así como la ubicación del retículo endoplasmático, complejo de Golgi y mitocondrias.
• Intervienen en la organización del citoesqueleto junto con otros filamentos.

Proteínas de Unión a Microtúbulos (MAPs)

• Proteínas asociadas a los microtúbulos que controlan su crecimiento y organización.
• Interactúan con el extremo (+) regulando el crecimiento. La katanina rompe los microtúbulos.
• Permiten que los microtúbulos interactúen con otros elementos celulares como orgánulos y otros componentes del citoesqueleto.

MAP Clásicas

• Tienen un dominio que se une a la parte lateral de un microtúbulo y otro que se proyecta como filamento desde la superficie del microtúbulo.

Incremento de Estabilidad por MAP

• Las MAP incrementan la estabilidad de los microtúbulos y promueven su ensamble. La unión de las MAP a los microtúbulos depende de su nivel de fosforilación. La hiperfosforilación de la MAP tau está relacionada con el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer.

Microtúbulos en Neuronas con Alzheimer

• Las neuronas de personas con Alzheimer presentan marañas neurofibrilares por la agregación de la proteina tau hiperfosforilada, lo que impide la unión con los microtúbulos e interrumpe el transporte axonal.

Microtúbulos como Soportes Estructurales

• La distribución de los microtúbulos en una célula influye en su forma.

Propiedades Dinámicas de los Microtúbulos

• Aunque tienen una morfología similar, varían en estabilidad. La unión de MAP estabiliza los microtúbulos.
• Los microtúbulos del huso mitótico y del citoesqueleto son lábiles y sensibles a la despolimerización, mientras que los de las neuronas maduras son menos lábiles y los de los centriolos, cilios y flagelos son los más estables.

Desensamble de Microtúbulos

• Se pueden someter las células vivas a tratamientos químicos que desarman los microtúbulos sin afectar otras estructuras celulares. El desensamble se puede inducir con frío, presión hidrostática, aumento de calcio y productos químicos como la colchicina.

Labilidad y Polimerización

• La labilidad de los microtúbulos del citoesqueleto surge de su naturaleza como polímeros con enlaces no covalentes. Su despolimerización y repolimerización se ajustan a las necesidades de la célula.

Ensamble de Microtúbulos In Vitro

• Richard Weisenberg logró el ensamble exitoso de microtúbulos in vitro en 1972.
• Se logró la polimerización de tubulina en homogenados de cerebro adicionando Mg2+, GTP y EGTA (que inhibe la polimerización al unirse al Ca2+), manteniendo una temperatura de 37 °C.
• Los microtúbulos pueden desensamblarse y ensamblarse repetidamente con cambios de temperatura.

Protofilamentos y Ensamble

• Los MTs ensamblados in vitro carecen de un molde apropiado y contienen cantidades anormales de protofilamentos. El ensamble in vitro se favorece añadiendo fragmentos de MAP o microtúbulos.

Dímeros de Tubulina y GTP

• El ensamble de microtúbulos requiere que el dimero de tubulina esté acoplado a GTP. El ensamble demanda la unión de GTP a la subunidad β-tubulina.
• La β-tubulina, además de ser estructural, es una GTPasa. La hidrólisis de GTP ocurre poco después de la incorporación del dímero al microtúbulo, y el GDP resultante permanece unido al polímero.
• En el desensamble, cuando un dímero se libera, el GDP se sustituye por un nuevo GTP, "recargando" el dímero para la polimerización.

Inestabilidad Dinámica de los MTs

• Timothy Mitchison y Marc Kirschner propusieron en 1984 que los MTs presentan un fenómeno denominado inestabilidad dinámica, que es inherente al microtúbulo, particularmente en su extremo (+).

Mitosis y Citoesqueleto

• La inestabilidad dinámica permite a las células reaccionar rápidamente a condiciones cambiantes. Un ejemplo notable es la remodelación del citoesqueleto durante la mitosis para formar el huso mitótico.

Estabilidad en Cilios y Flagelos

• A diferencia de los MTs del huso mitótico o del citoesqueleto, los microtúbulos que constituyen los cilios y flagelos carecen de actividad dinámica y son muy estables.

Transporte Intracelular

• Partículas, sustancias y orgánulos son transportados por el citoplasma a través de microtúbulos a una velocidad de micrómetros por segundo. Agentes inhibidores de la polimerización de MTs, como la colchicina, interfieren con este transporte.
• El transporte axónico es el transporte celular más estudiado.

Transporte Axónico en Motoneuronas

• El axón puede extenderse desde la médula espinal hasta la punta de los dedos. Los aminoácidos marcados se incorporan a proteínas que se mueven hacia el axón para llegar a la terminal axónica.

Velocidad del Transporte Axónico

• El transporte axónico rápido alcanza velocidades de 5 μm por segundo. Una vesícula sináptica transportada por proteínas motoras puede viajar 40 cm en un día.

Proteínas Motoras Asociadas al Citoesqueleto Microtubular

• Convierten la energía química (ATP) en energía mecánica para el movimiento celular. Transportan vesículas, mitocondrias, lisosomas, cromosomas y filamentos del citoesqueleto.

Familias de Proteínas Motoras

• Hay tres grandes familias: cinesinas, dineínas y miosinas.
• Cinesinas y dineínas se mueven a lo largo de microtúbulos, mientras que las miosinas lo hacen a lo largo de microfilamentos.
• Ninguna proteína motora utiliza los filamentos intermedios como rieles.

Mecanismo de las Proteínas Motoras

• Las proteínas motoras se mueven por pasos en una dirección a lo largo del microtúbulo.
• Experimentan cambios de conformación (ciclo mecánico) que se coordinan con un ciclo químico (o catalítico), el cual proporciona la energía necesaria.
• El ciclo químico incluye la unión de ATP al dominio catalítico, la hidrólisis de ATP, la liberación de productos (ADP y Pi), y la unión de una nueva molécula de ATP.
• La unión e hidrólisis de ATP genera un pulso de energía que mueve la proteína motora una distancia precisa.

Repetición de Ciclos

• Los ciclos mecánico y químico se repiten continuamente. El aporte de energía es crucial, deteniéndose el proceso al cesar el aporte energético.

Cinesinas

• En 1985, se aisló una proteína motora del citoplasma de los axones del calamar gigante que usaba a los microtúbulos como rieles, llamada cinesina, presente en células eucariotas.

Clasificación y Estructura de las Cinesinas

• Se clasifican en 14 familias (cinesina-1 a la 14). Cada molécula es un tetrámero con dos cadenas pesadas y dos ligeras.

Estructura Tridimensional de las Cinesinas

• Muestra un par de cabezas globulares que se unen a un microtúbulo y actúan como "máquinas" que hidrolizan ATP. Cada cabeza globular tiene una región delgada llamada cuello que termina en una estructura en forma de abanico que se une a la vesícula u orgánulo.
• La región motora de las cinesinas tiene secuencias similares de aminoácidos, lo que sugiere un origen evolutivo común.

Cadenas y Fuerzas

• Las cadenas pesadas están entrelazadas formando un rizo helicoidal, y las cadenas ligeras se asocian en el extremo del cuello. Las cabezas generan fuerza para unirse al microtúbulo, mientras que la cola se une al cargamento a transportar.

Masa Molecular

• Con una masa molecular de aproximadamente 380 kDa, la cinesina es más pequeña que otras proteínas motoras como la miosina (520 kDa) y la dineína (más de 1,000 kDa).

Movimiento de las Moléculas de Cinesina

• Se mueven a lo largo de microtúbulos hacia el extremo (+) y transporta cartamento en dirección anterógrada.

Pasos y Mecanismo de Movimiento

• El movimiento ocurre en pasos de 8 nm, que es la longitud de un dímero de tubulina en un protofilamento, y requiere hidrólisis de una molécula de ATP.

Movimiento "Mano Sobre Mano"

• El movimiento de las moléculas es progresivo, tendiendo a avanzar sin desprenderse, manteniendo siempre una de las cabezas unida al microtúbulo.

Coordinación y Conformación

• Las dos cabezas de la molécula de cinesina funcionan de forma coordinada.
• Cuando una cabeza se une al microtúbulo, los cambios conformacionales resultantes en la región del cuello hacen que la otra cabeza se mueva hacia adelante hasta el siguiente sitio de unión.

Cinesinas Solubles

• Las cinesinas solubles libres adoptan una conformación plegada autoinhibida que necesita interactuar con el cargamento y un microtúbulo para activarse.

Dineína Citoplásmica

• La dineína fue descubierta en 1963 asociada al movimiento de cilios y flagelos, identificándose en el tejido cerebral de mamíferos hasta 1983.

Estructura de la Dineína

• Es una proteína enorme formada por dos cadenas pesadas idénticas y varias cadenas intermedias y ligeras, con una masa molecular de aproximadamente 1,000 kDa.

Cadena Pesada de la Dineína

• Consiste en una cabeza globular grande con dos proyecciones alargadas. Las cabezas son la maquinaria de generación de fuerza, siendo 10 veces más grande que la de la cinesina.

Tallos de la Dineína

• Cada tallo contiene el sitio de unión con el microtúbulo. El pedúnculo está asociado a las cadenas intermedias y ligeras.

Centros Organizadores de Microtúbulos (MTOC)

• La función depende de la localización y orientación, subrayando la importancia de comprender por qué un microtúbulo se ensambla en un sitio y no en otro
• El ensamble de microtúbulos a partir de dímeros alfa-beta de tubulina ocurre inicialmente con una fase lenta de nucleación, seguida de una fase rápida de elongación.

Nucleación en Células

• La nucleación de los microtúbulos es rápida, ocurriendo en estructuras especializadas llamadas centros organizadores de microtúbulos.

Centrosoma

• El MTOC mejor estudiado.

Centrosomas en Células Animales

• Los microtúbulos del citoesqueleto inician el proceso de nucleación en el centrosoma, una estructura con dos centriolos en forma de barril rodeados por material pericentriolar electrodenso.

Estructura de los Centriolos

• Son estructuras cilíndricas de 0.2 μm de diámetro, suelen medir el doble de largo y contienen nueve fibrillas espaciadas uniformemente, designados túbulos A, B y C. El túbulo A es completo, con los centriolos situados en ángulo recto entre sí.

Función del Centrosoma

• Es el principal sitio de inicio de los microtúbulos en las células animales y permanece en general en el centro de la red microtubular.

Cuerpos Basales (MTOC)

• Los centrosomas no son los únicos MTOC.

Generación de Microtúbulos en Cilios y Flagelos

• Se generan a partir de una estructura llamada cuerpo basal que se encuentra en la base del cilio o flagelo.

Cuerpos Basales y Centriolos

• Tienen una estructura idéntica y son interconvertibles. El cuerpo basal origina el flagelo de un espermatozoide proviene de un centriolo que parte del huso meiótico.

Cueros Basales y División

• El cuerpo basal del espermatozoide se convierte en centríolo en la primera división mitótica del óvulo fertilizado.

Células Vegetales

• Carencen de centrosomas y centriolos.

Nucleación del Microtúbulo

• Todos los MTOC tienen funciones similares controlando el número de microtúbulos, su polaridad. número de protofilamentos y el momento y la localización de su ensamble.

Tubulina Gamma

• Proteína constituyente proteínico de los MTOC, descubierta en 1985.

Tubulinas Alfa y Beta

• Constituyen cerca del 2.5% de la proteina celular no neural- La gamma tubulina representa el 0.005%.

Microinyección y Tubulina

• La microinyección de anticuerpos contra y-tubulina en una célula viva bloquea el reensamble de microtúbulos después de su despolimerización.

Modelo de Tubulina

• El modelo de tubulina alfa del heterodímero puede unirse con un anillo de subunidades gamma que determina la polaridad de los microtúbulos y su extremo menos para la ganancia o perdida de subunidades de tubulina.

Estructura de Cilios y Flagelos

• Los cilios y flagelos son estructuras que permiten el movimiento de una célula aislada a través de un líquido, o desplazar el líquido extracelular sobre la superficie de la célula.

Similitudes

• Los cilios son cortos y numerosos. Los flagelos son largos y escasos con la misma estructura pero diferente tipo de movimiento.

Axonema

• Toda la proyección ciliar o flagelar está cubierta por una membrana que se continúa

Exploración del papel de los neurofilamentos y microfilamentos en la estructura y función celular. Se discuten sus contribuciones a la motilidad intracelular, la polaridad de los filamentos de actina y las diferencias entre los filamentos intermedios en células neuronales y no neuronales. También se aborda la composición del citoesqueleto axonal durante el desarrollo.