El Citoesqueleto y las Uniones Celulares

Tema 3: El Citoesqueleto y las Uniones Celulares

• El citoesqueleto y las uniones celulares son componentes esenciales de la estructura y función de las células.

Introducción

• En 1970, investigadores observaron un retículo de finas trabéculas en cortes de microscopía electrónica, llamándolo retículo microtrabecular, ahora conocido como citoesqueleto.
• El citoesqueleto es un sistema de fibras citoplasmáticas hechas de monómeros de proteínas unidas no covalentemente.
• Se organiza en estructuras tipo entramado que regulan los movimientos de orgánulos, flujos internos y movimientos celulares.
• Es crucial para la funcionalidad celular, crecimiento y diferenciación.
• El citoesqueleto mantiene anclados los orgánulos celulares.
• Forma el soporte mecánico que mantiene el volumen citoplasmático, importante en células animales.
• Conecta distintas regiones celulares y actúa como vía de transporte.
• No es estático, responde a cambios fisiológicos con cambios de forma.

Microtúbulos

• Irradian desde el centro organizador de microtúbulos (MT) o centrosoma.
• Tienen un tamaño de entre 22-25 nm de calibre.
• Son estructuras huecas similares a tubos.
• Las células contienen poblaciones de microtúbulos estables e inestables.
• Los microtúbulos estables forman cilios, flagelos y centriolos.
• Los microtúbulos inestables actúan en el huso mitótico, cambios de forma celular y movilidad de orgánulos.
• En sección transversal, un microtúbulo es un anillo formado por 13 subunidades circulares.
• Tridimensionalmente, las subunidades son elipsoides que forman 13 protofilamentos, que constituyen la pared del microtúbulo.
• Cada subunidad es una proteína globular llamada tubulina, que se organiza en heterodímeros de tubulina α y β.
• Las tubulinas son muy similares en todas las especies animales, y junto a las histonas, son de los componentes celulares que menos han evolucionado.
• Además de las tubulinas, los microtúbulos contienen proteínas asociadas (MAP).
• Las proteínas asociadas MAP (microtubule associated proteins) regulan la estabilidad, unen elementos y controlan el ensamblaje.
• Las motoras mueven orgánulos a lo largo de los filamentos o deslizan filamentos sobre otros.
• Quinesinas y dineínas son proteínas motoras que guían el transporte rápido de macromoléculas y orgánulos.
• Las quinesinas y dineínas se desplazan sobre la superficie microtubular transportando vesículas, como vesículas sinápticas a lo largo del axón.
• Se encuentran en un proceso continúo de ensamblado y desensamblado, lo que les permite responder a cambios que requiera la célula.
• El microtúbulo es una estructura polarizada, con un extremo (+) y otro (-) según su capacidad de crecimiento.
• Los extremos (-) se localizan cerca de los centros organizadores de microtúbulos, y los extremos (+) se dirigen hacia la periferia celular.
• Los microtúbulos se ensamblan por polimerización de heterodímeros de αβ-tubulina.
• El ensamblaje comprende tres pasos: formación de protofilamentos, asociación de protofilamentos para formar la pared, y agregación de unidades a los extremos.
• Los dímeros de αβ-tubulina se asocian longitudinalmente para formar protofilamentos cortos.
• Estos se asocian lateralmente en hojas curvas más estables.
• Las hojas se envuelven para formar un microtúbulo con 13 protofilamentos.
• El microtúbulo crece por el agregado de subunidades a los extremos de los protofilamentos.
• Los dímeros de tubulina libres tienen GTP unido; si tras la incorporación, el GTP de la β-tubulina se hidroliza a GDP.
• Sólo los microtúbulos con extremos (+) asociados a GTP-tubulina son estables y pueden servir como cebadores para la polimerización.
• Los microtúbulos con GDP tubulina se despolimerizan con rapidez y pueden desaparecer en un minuto.
• Con concentraciones altas de GTP-tubulina no polimerizada, la velocidad de agregado de tubulina es más rápida que la velocidad de hidrólisis del GTP.
• Con concentraciones bajas de GTP-tubulina no polimerizada, disminuye la velocidad de agregado de tubulina, la velocidad de hidrólisis del GTP excede la de agregado, y se forma un casquete de GDP inestable.
• Los dos extremos polimerizan a distinto ritmo, con velocidad 2-3 veces mayor en el extremo (+).
• La velocidad de polimerización en el extremo (+) es 2-3 veces mayor que en el extremo (-).
• La concentración crítica (Cc) es la concentración de tubulina dimérica en equilibrio con los microtúbulos.
• Los microtúbulos tienden a polimerizarse si la concentración de dímeros es mayor que la concentración crítica, y a despolimerizarse si es menor.
• La vida media de la tubulina es de 20 horas.
• Las asociaciones estables de microtúbulos forman cilios, flagelos y centriolos.
• Las funciones de las asociaciones estables incluyen movilidad (celular o del medio), mantenimiento de la forma celular y transporte celular (axónico).
• También participan en la formación del huso mitótico, encargado del reparto de cromosomas durante la mitosis.
• Los cilios y flagelos son delgadas prolongaciones celulares.
• Comparten la misma estructura, pero los cilios son muchos y cortos, mientras que los flagelos son pocos y más largos.
• Su función es desplazar células libres o movilizar fluidos sobre la superficie celular (epitelio respiratorio).
• Su estructura tiene 2 partes, el Cuerpo Basal por debajo de la membrana y el Axonema que es el esqueleto interno.
• Los centriolos son dos cilindros situados en el interior del centrosoma, exclusivos de células animales, dispuestos perpendicularmente en la célula en interfase.
• Centriolos + material pericentriolar forman el centrosoma.
• Están formados por 9 tripletes de microtúbulos inclinados hacia el eje central, conectados por una proteína llamada nexina.
• Intervienen en la formación del huso mitótico pero no son indispensables.
• Las células que van a entrar en mitosis originan nuevos centriolos por duplicación de los ya preexistentes.
• El centrosoma funciona como centro de organización de los microtúbulos.
• Contiene dos centriolos orientados perpendicularmente inmersos en material pericentriolar (PCM).
• Empotrados en el centrosoma pero sin contacto, se encuentran los extremos (-) de los microtúbulos.
• El extremo (-) de los microtúbulos están sujetos por un anillo de gamma tubulina (γTuRc) quedando los extremos (+) libres.
• Del material pericentriolar surgen los microtúbulos (el extremo (-) queda empotrado), que se distribuyen por el citoplasma de las células.

Transporte Vesicular sobre Microtúbulos

• Los receptores vesiculares deciden la dirección.

MAP

• Microtubule Associated Proteins.
• Proteínas asociadas a los microtúbulos.
• Proteínas que interactúan de manera específica con los microtúbulos y regulan su estabilidad.
• MAP de ensamblaje o estabilizadoras: responsables de los enlaces cruzados entre los microtúbulos citosólicos.
• Neutralizan las cargas de repulsión entre las subunidades de tubulina que forman un microtubúlo.
• MAP2 sólo se encuentra en dendritas, y TAU en axones y dendritas.
• MAP desestibilizadoras: Katanina y Op18 (estarmina): desensamblaje o union a dímeros de forma que no pueden polimerizare.
• MAP de ensamblaje recubren la pared externa de un microtúbulo.

Microfilamentos

• Dispersos por todo el citoplasma, especialmente concentrados justo debajo de la membrana plasmática.
• Tienen un tamaño de entre 5-9 nm de calibre.
• Son estructuras similares a dos hebras enrolladas entre sí.

Filamentos Intermedios

• Se extienden por todo el citoplasma y se anclan a la membrana proporcionando resistencia mecánica a las células.
• Tienen 10 nm de diámetro.
• Son estructuras de una cuerda.

Estructura y Composición

• Son los más delgados, midiendo 7-9 nm.
• Están conformados por polímeros de la proteína actina.
• Constituyen una doble hélice.
• Son estructuras polares con un extremo (+) y otro (-).
• Los monómeros de actina-G se ensamblan para formar largos polímeros helicoidales de actina F.
• Polimerizan y despolimerizan a gran velocidad.
• La actina existe como monómero globular (actina G-ATP) y como polímero fibroso (actina F-ADP).
• La polimerización conlleva la hidrólisis del ATP.
• La actina G está constituida por dos lóbulos separados por una profunda hendidura, donde se sitúa el pliegue ATPasa.
• La actina G se desnaturaliza rápidamente en ausencia de un nucleótido unido (ATP o ADP).

Polimerización

• El extremo negativo (-) es donde se encuentra la subunidad terminal de actina que lleva la hendidura de unión al ATP expuesta.
• El extremo positivo (+) es donde la hendidura de unión al ATP hace contacto con la subunidad de actina vecina, no estando expuesta.
• El ensamblaje de la actina G en actina F va acompañado de la hidrólisis del ATP en ADP.
• Las células deben mantener la concentración iónica constante en el citosol para evitar provocar la nucleación.
• Intervienen proteínas fijadoras de actina, que favorecen o inhiben su polimerización.
• Proteínas que favorecen la polimerización: profilina.
• Proteínas que inhiben la polimerización: timosina.
• Proteínas que interfieren: gelsolina y cofilina.

Proteínas estabilizadoras

• Un filamento de actina recubierto por ambos extremos es estable.
• CapZ: se une a los extremos (+) e impide la unión o pérdida de subunidades de actina por el extremo.
• Tropomodulina: recubre los extremos (-).
• Hay uniones intercelulares estabilizadas por proteínas en el citoesqueleto invariables.

Ensamblaje de Filamentos de Actina

• Filamina crea uniones.
• Fimbrina crea redes.
• α-actinina son proteínas contráctiles unidas a los filamentos de Actina.

Asociaciones Estables de Microfilamentos

• No poseen movimiento intrínseco.
• Son extensiones de la membrana plasmática.
• Aumentan la superficie celular (microvellosidades) o detectan movimientos externos (esterocilios).
• Su tamaño es de 1/10 a 1/20 del tamaño de un cilio.
• Normalmente hay muchas en cada célula.

Tipos de Proteínas que se asocian con Actina

• Controlan su polimerización, y su ensamblaje en estructuras definidas.
• Profilina: nucleating protein.
• Gelsolina: severing protein.
• Filamina: cross-linking protein (in cell cortex).
• Distrofina: protein Links plasma membrane.
• Espectrina.
• CapZ tropomodulina: capping (end-blocking) protein.
• Timosina: monomer-sequestering protein.
• Fimbrina: bundling protein (in filopodia).
• Miosina: motor protein.
• Tropomiosina: side-binding protein.
• Las Filas de Estereocilios están en células epiteliales del oido interno y grupo de esterocilios.
• El epitelio nasal en CILIOS, compuestos por tubulina y no por actina.

Filamentos intermedios

• Tipos de Filamentos intermedios
  • Citosplásmico
    • Keratins - en epitelio
    • Vimentin and vimentin related - en tejido connectivo
    • Neurofilamentos - en nervios
  • Nuclear
    • Nuclear lamins - en células animales
• Estructura: α-hélice. Se agrupan jerárquicamente en dímero, tetrámero, protofilamentos y protofibrillas. Asociacion lateral de 4 protofibrillas = Filamentos intermedios.
• No necesitan moléculas energéticas (GTP, ATP) para regular su ensamblaje y desensamblaje.
• Abundan en el citoplasma de células sometidas a fuertes presiones.
• Tipos de Células =
  • Células epiteliales (queratinas)
  • Neuronas (neurofilamentos)
  • Células musculares (desmina)
• Dán rigidez a la célula y repartir las tensiones que pudieran romper la célula. Soporte a membrana nuclear.
• Plectinas: Forman uniones cruzadas entre haces de Filamentos Intermedios confiriéndoles resistencia y los conecta con otras proteínas citoesqueléticas.
• Funcionamiento del citoesqueleto = Dar rigidez a la célula, soporte tensiones y tipos dependiendo de la célula.
• Algunos están en todas como la lámina.
• Patologías asociadas a la disfunción de los filamentos intermedios incluyen la Esclerosis lateral amiotrófica, epidermolisis bullosa y laminopatías.

Uniones Celulares

• Hay diferentes tipos funcionales de Uniones Celulares Uniones oclusoras
  • Uniones adherentes y desmosomas
  • Uniones focales
  • Hemidesmosomas
  • Uniones Comunicaciónes
• Están mantenidas unidas a las células para formar tejidos como Claudina, ocludina o Integrinas.
• Cadherinas = Forma enlaces con otras cadherinas de células contiguas.
• Las uniones inter celulares son Tipos de Interacciones Intercelulares
• Uniones estrechas
• Uniones adherentes
• Desmosomas
• Uniones GAP
• Hemidesmosomas
• Uniones focales

Uniones Celulares Estables

• La unión estrecha se ve la Zonula occludens
• Forman asociaciones muy fuertes entre células adyacentes, obliteran el espacio intercelular.
• Diseñadas para restringir el movimiento de material entre las células que unen.
• Forman redes de hebras alrededor de la célula que rodea todo el perímetro celular.

Las Uniones Adherentes

• Forman las Zónula Adherens
• Son uniones de anclaje que mantienen fuertemente unidas las células epiteliales de manera estable.
• Se sitúan próximas y basales a las uniones estrechas.
• También forman una estructura a modo de cinturón.

Desmosomas

• Forman la Mácula Adherens
• Son las uniones célula-célula más fuertes. Pueden localizarse por debajo de las uniones adherentes.
• Las células se unen por medio de proteínas transmembrana desmogleínas, que se relacionan con los filamentos intermedios del citoesqueleto a través de proteínas que forman placas.

Uniones Comunicaciónes

• Forman la uniónes GAP
• Estructuras que permiten la conexión directa entre citoplasmas de células adyacentes.
• La estructura está formada por proteínas transmembranales llamadas conexinas formadas por 6 unidades que forman un poro por donde pueden pasar moléculas pequeñas de una célula por lo que acoplan las respuestas eléctricas y la actividad metabólica de las células que comunican.