Biocel 2º Parte PDF - Citoesqueleto

TEMA 14: CITOESQUELETO 1. COMPONENTES Y FUNCIONES FILAMENTOS Filamentos de actina: forman redes móviles (Big Hero 6) (polimerización y despolimerización mediada por proteínas accesorias) ➔ Determinan la forma de la célula y su contorno (forman el córtex bajo la pared celular)...

TEMA 14: CITOESQUELETO 1. COMPONENTES Y FUNCIONES FILAMENTOS Filamentos de actina: forman redes móviles (Big Hero 6) (polimerización y despolimerización mediada por proteínas accesorias) ➔ Determinan la forma de la célula y su contorno (forman el córtex bajo la pared celular) ➔ Motilidad de la célula (extensión de pseudópodos) ➔ División celular (anillo contráctil) ➔ Uniones celulares Filamentos intermedios: función más fija ➔ Resistencia mecánica ➔ Conformación de tejidos a través de las uniones celulares ➔ Formación de la lámina nuclear (las láminas pueden considerarse filamentos intermedios especiales) Microtúbulos: ➔ Determinan la posición de orgánulos ➔ Dirigen el transporte intracelular ➔ Conforman el huso mitótico durante la mitosis PROTEÍNAS ASOCIADAS Célula del epitelio digestivo Recordatorio uniones celulares: Uniones adherentes (cel-cel): filamentos de actina Desmosomas (cel-cel): filamentos intermedios Adhesiones focales (cel-matriz): filamentos de actina Hemidesmosomas (cel-matriz): filamentos intermedios 2. PROPIEDADES DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO 1. Auto ensamblables 2. Tienen polaridad (actina y microtúbulos, filamentos intermedios NO) 3. Los componentes del citoesqueleto pueden formar estructuras estables o dinámicas Los filamentos del citoesqueleto están formados por la polimerización de subunidades, que pueden ser de actina (en fil. actina), tubulina (en microtúbulos) o lámina (ej. de filamentos intermedios). Las interacciones hidrofóbicas y los enlaces no covalentes múltiples mantienen unidas las subunidades de los filamentos del citoesqueleto. El sitio y los tipos de contacto entre las subunidades varían entre los distintos filamentos. (de esta manera pueden ser flexibles) Las proteínas accesorias y motoras regulan la función de los filamentos del citoesqueleto. Su longitud, el número y la estabilidad también depende de cientos de proteínas accesorias que determinan la distribución espacial (prots de anclaje) y dinámica de los filamentos (proteínas implicadas en su estabilización o poli y despolimerización, o proteínas motoras). 105  14.1. FILAMENTOS DE ACTINA-MICROFILAMENTOS 1. CARACTERÍSTICAS → Polímeros helicoidales de la proteína actina → Estructuras flexibles de haces paralelos 8 nm Ø, redes o geles tridimensionales → Distribuidos por toda la célula, con prevalencia bajo la membrana → Pueden formar: Proyecciones estables de la superficie celular, como microvellosidades (estables). Proyecciones dinámicas como pseudópodos (fagocitar) o lamelipodios (macropinocitar). 2. ESTRUCTURA Dos formas: Actina-G (forma globular): polipéptido de 375 aa Actina-F (forma filamentosa) Unida a ATP o ADP: condicionan su polimerización Extremo + y extremo - : es lo que determina la polaridad α-, β-, γ- actinas Cuantas más actinas-G haya (a partir de 3), más interacciones electrostáticas habrá y más estable será el complejo, por lo que más fácil será que más actinas-G se unan. Filamentos de actina en la división celular En un fibroblasto (célula estándar) , en condiciones normales los filamentos de actina rodean la membrana Cuando se inicia la división celular los filamentos de actina se desmoronan, para finalmente formar el anillo contráctil 3. POLIMERIZACIÓN (in vitro, sin proteínas accesorias) 106 Fase de nucleación: Los contactos son débiles por haber pocas subunidades, el filamento es inestable (lleva un tiempo hasta que consiguen unirse 3) Fase de elongación: Los contactos múltiples estabilizan el filamento. El número de subunidades que se añaden por segundo (Kon) será proporcional a la concentración de subunidades libres (C) , pero las subunidades abandonarán el polímero a una velocidad constante (Koff) que no depende de C. (básicamente la velocidad de asociación depende de C y la de disociación es cte) A medida que el polímero crece, las subunidades se han incorporando y C cae hasta alcanzar un valor constante, denominado Concentración Crítica (Cc) en la que Koff =Kon: a ese valor la velocidad de adición de subunidades es igual a la velocidad de disociación→ fase de equilibrio (filamento no crece) Sin embargo, tenemos que tener en cuenta que los filamentos de actina tienen extremos distintos (extremo + y extremo -) que crecen a velocidades diferentes. La constante cinética de asociación de las subunidades de actina Kon es mucho mayor en el extremo + que en el -. Durante la fase de elongación, en filamentos en los que se ha marcado su polaridad, se observa que el extremo + crece hasta 10 veces más rápido que el menos. (es más fácil que se unan subunidades a él) En el estado de equilibrio, las subunidades presentan un ensamblaje neto en el extremo más y un desensamblaje neto en el extremo menos a la misma velocidad, por lo que la longitud del polímero no varía→ intercambio rotatorio El filamento se va renovando (crece por el extremo +, decrece por el -): así se va moviendo Cuando una subunidad de actina se une al filamento, sufre un cambio conformacional de actina-G a actina-F 107 Las subunidades de actina pueden estar unidas a ATP (T) o ADP (D): En disolución suelen estar unidas a ATP: en el citosol van a estar así, pues hay mucho ATP, lo que va a provocar una nucleación espontánea La forma ATP tiene más tendencia por la forma globular (actina-G): están en el extremo + La forma ADP tiene más tendencia por la forma filamentosa (Actina-F): están en el extremo -. Cuando el ATP se hidroliza a ADP la Actina tiene más probabilidad de disociarse El intercambio rotatorio requiere de un constante consumo de ATP La célula aprovecha la energía de la polimerización del filamento para desplazar carga asociada, por ejemplo, orientando los extremos más hacia el frente de avance celular. 4. PROTEÍNAS ASOCIADAS La polimerización de actina in vivo depende de : [actina G]→50-200 µM pH [sales] (favorecen las interacciones electroestáticas) [ATP] Muy regulado por proteínas accesorias: gracias a ellas se puede polimerizar mucho más rápido. 1. Forminas Facilitan la nucleación inicial (forma molde sobre el cual las subunidades se pueden añadir) y polimeriza (muy rápido). Permanece asociado en el extremo (+), creciente. Nuclean el crecimiento de los filamentos rectos, sin ramificaciones Nuclean la polimerización de actina capturando dos monómeros El dímero de formina permanece asociado Los dominios de “bigote” se asocian con la profilina y aumentan la velocidad de crecimiento del filamento (atrapan con más afinidad a la actina). Estos dominios pueden estar anclados a la membrana. 2. Timosina Se une a las subunidades de actina y previene el ensamblaje reteniéndolas (tapa sus zonas de unión): no hay crecimiento del extremo (+) del filamento 3. Profilina Se une a las subunidades de actina y facilita la adición de la subunidad al filamento: rápido crecimiento del extremo (+) del filamento. Ayuda a la polimerización pero no a la nucleación inicial 108 Regulación de su actividad: Unión a fosfoinositoles → polimerización localizada de actina Fosforilación La profilina compite con la timosina por unirse a los monómeros de actina y promueve el ensamblaje La célula regula las concentraciones de timosina y de profilina 4. Complejo Arp2/3 Interviene en la nucleación y ramificación. Su estructura es bastante parecida a la de la actina y permite que se puedan unir los filamentos para formar las redes. Arp2 y Arp3 se unen entre sí y luego a otra proteína, formando una estructura estable que imita al extremo (+) a la que se unen los filamentos formando redes Existen además, proteínas que puedes estabilizar o despolarizar los filamentos de actina: 5. Cofilina Es un factor despolarizador de la actina. Tiene afinidad por los filamentos que contienen ADP y provoca en estos un cambio en la hélice. (le da como una vuelta extra, lo que provoca que se desestabilice y la despolarización) 6. Tropomiosina Rodea al filamento de actina y lo estabiliza. Muy importante en el músculo (sarcómero). 109  5. DISPOSICIÓN DE LA ACTINA EN LA CÉLULA En la célula podemos encontrar los filamentos de actina dispuestos de 4 maneras distintas: Formando haces contráctiles (filamentos largos y rectos). Fibras de Stress: Permiten la contracción y facilitan el movimiento. Los haces están polimerizados gracias a las forminas y estabilizados por la alfa-actinina. Esta última proteína se encarga de unir los filamentos entre ellos dejando espacios grandes para que se acople la miosina. Se disponen en forma antiparalela. Redes tipo gel: los haces están entretejidos. Contiene filamina y espectrina, que lo estabilizan. Redes dendríticas: redes ramificadas con uniones de Arp2/3. En las redes tipo gel los filamentos están entremezclados, mientras que en las redes dendríticas parten unos de otros Haces paralelos compactos (filamentos largos y rectos): Los haces se disponen de forma paralela, con el polo (+) siempre mirando hacia el lado de crecimiento y mucho más juntos que en las de stress. Esto es porque, además de contener también forminas para su polimerización, están unidos por fimbrina. Esta proteína los estabiliza y une pero dejando menos espacio ⇒ FILIPODIOS: distintas prolongaciones del citoesqueleto (polimerización filamentos de actina) que pueden adoptar distintas formas y moverse. Lamelipodios, pseudópodos, filopolios… 6. ASOCIACIÓN DE LOS FILAMENTOS DE ACTINA A LA MEMBRANA CÓRTEX CELULAR El córtex celular es una estructura que mantiene la estructura de la célula, similar a como lo hace la lámina nuclear en el núcleo. Se trata de una red de filamentos de actina y proteínas de unión asociadas como lo es la espectrina. Esta red se encuentra anclada a la membrana en su cara citosólica. Además de mantener la estructura de la célula, también está implicada en diversas acciones de la superficie celular, incluido el movimiento. 110  MICROVELLOSIDADES Las microvellosidades son unas estructuras que se encuentran en las superficies de absorción, como lo es el intestino, el riñón, o también los podemos encontrar en el oído. Se forman cuando se asocian filamentos de actina a una placa densa que se localiza en la superficie interna de la membrana plasmática. Para la formación de la microvellosidad, se necesitan además proteínas que se encarguen de agrupar esos filamentos de actina en un haz y que los estabilicen La vilina favorece la formación de haces de filamentos de actina e impide la nucleación de más actina en el extremo +, por lo que se podría decir que contribuye en controlar la longitud. La fimbrina media la fase de elongación. La miosina facilita el movimiento, que se puedan doblar. Estereocilio en células auditivas 7. LOS FILAMENTOS DE ACTINA Y LAS UNIONES CELULARES Los filamentos de actina participan en: UNIONES ADHERENTES: Cadherinas β-catenina α- catenina Vinculina ADHESIONES FOCALES: Integrinas Talina Vinculina α-actinina CURIOSIDAD: El citoplasma de las células está atestado de moléculas y orgánulos. Para poder moverse Listeria monocytogenes activa e incorpora Arp2/3 para la polimerización de actina en su cola → propulsión → estela de actina. ActA, proteína de la bacteria que activa Arp2/3. 111  8. MIOSINA (proteína motora asociada a los filamentos de actina) El citoesqueleto de actina forma estructuras contráctiles que entrelazan y deslizan los filamentos de actina unos contra otros mediante la acción de las proteínas motoras de la actina. Las proteínas motoras de la actina pertenecen a la superfamilia de la miosina (existen varios tipos de miosina, pero la más importante y la que se encuentra en el músculo es la miosina tipo 2). 2 cadenas pesadas: ○ Dominio globular de cabeza en N-Terminal (maquinaria generadora de fuerza) ○ Secuencia de aa larga con un dominio helicoidal superenrollado que favorece la dimerización de la cadena pesada. 2 cadenas ligeras que se unen a las pesadas cerca del dominio N-terminal en las cabezas. Las colas helicoidales superenrolladas (dímeros) se entrelazan con otras colas de otras miosinas formando unos filamentos gruesos bipolares que contienen cientos de cadenas de miosina, orientadas en dos direcciones opuestas desde el centro del filamento grueso. En el músculo, la asociación de actina y miosina (en blanco) da lugar al SARCÓMERO: ¿Cómo funciona la contracción?: Cuando el músculo está estirado, no existe solapamiento. Es cuando se contrae que empiezan a solaparse, y existe un grado óptimo de acortamiento en el que el músculo tiene la mayor fuerza. La miosina genera fuerzas acoplando la hidrólisis de ATP a cambios conformacionales y es el deslizamiento de la miosina tipo II por los filamentos de actina el que genera la contracción muscular. Es un ciclo: 1. La cabeza del dominio motor de la miosina está fuertemente unida a la actina. (CONFIGURACIÓN RIGOR, no hay ATP) 2. El ATP se une y facilita la disociación del dominio motor de la miosina y el filamento de actina, pero no se separan realmente. Se sueltan y se quedan cerca. 3. La cabeza motora de la miosina disocia el ATP en ADP + Pi. Esto provoca un cambio conformacional de la región bisagra y la cabeza de la miosina se mueve hacia el extremo (+) de la actina. 4. En este punto, existe una unión débil entre la cabeza de la miosina y la actina 5. Se libera el Pi y el ADP y la unión se vuelve más fuerte, volviendo a la configuración rigor. Esta pérdida es la fuerza motora y provoca que se vuelva a mover a lo largo del filamento. 112 (Hemos explicado cómo actúa una cabeza de miosina, en realidad hay 2 y actúan de forma independiente) Además, la miosina también interviene en la estrangulación de la célula con el anillo contráctil tras la división celular: Los filamentos bipolares de miosina II producen la contracción deslizando los filamentos de actina en direcciones opuestas. MIOSINAS NO CONVENCIONALES La miosina I (monómero) contiene un grupo de cabeza que actúa como motor impulsado por el ATP, similar a la miosina II, pero presenta una cola comparativamente pequeña y no forma dímeros ni filamentos. ➔ Aunque no puede producir contracción, la miosina I puede trasladarse a lo largo de los filamentos de actina hacia el extremo (+) portando diversas cargas como vesículas de membrana. La miosina V contiene dos cabezas y forma dímeros. Transporta otros filamentos ➔ Aunque no puede producir contracción, puede trasladarse a lo largo de los filamentos de actina hacia el extremo (+) portando diversas cargas como orgánulos y mercancía (como p ej. aquí, filamentos intermedios) 113  14.2. FILAMENTOS INTERMEDIOS 1. CARACTERÍSTICAS ➔ Son filamentos proteicos con Ø de 10 y 12 nm. De tamaño intermedio entre la actina (7nm) y los microtúbulos (25nm). ➔ Funciones: No implicados directamente en los movimientos celulares. Papel principal proporcionar fuerza mecánica a los tejidos (queratinas). Proporcionan un medio para la localización de procesos celulares (septinas). ➔ Familia heterogénea: diversas proteínas, que se expresan en distintos tipos celulares. >70 prots diferentes. ➔ Clasificadas en 6 grupos Tipos I y II → Queratinas, tipos distintos de prots. Expresadas en cel epiteliales. Tipo III → Filamentos de vimentina, también filamentos de desmina. Tipo IV → Neurofilamentos Tipo V → Láminas (lámina nuclear) 2. ESTRUCTURA Y ENSAMBLAJE ➔ Los monómeros de polipéptido que los forman tienen: Dominio central en α-hélice Dominio C terminal-cabeza Dominio N terminal-cola ➔ Las subunidades de los filamentos intermedios NO tienen lugares de unión para nucleótidos (ATP/ADP) ➔ No polaridad → tetrámeros formados por dímeros antiparalelos ➔ Polimerización: Se sabe poco Son muy estables En algunos procesos muestran dinamismo: división celular, migración o diferenciación. (Cada molécula primero se enrolla gracias al dominio helicoidal. Forman un dímero, donde aún hay un poco de polaridad, pero ya cuando se forman los tetrámeros, se pierde y forman estructuras tipo cuerdas). 3. QUERATINAS Existen hasta 54 queratinas distintas en el genoma humano, son la familia de filamentos intermedios más diversa. Cada filamento de queratina está compuesto por una queratina de Tipo I (ácida) y una de Tipo II (neutra/básica). Forman subunidades heterodiméricas. Las redes de queratina entrelazada se mantienen unidas por enlaces disulfuro se mantienen tras la muerte de las células, formando los recubrimientos resistentes en animales como piel, pelo uñas garras y escamas (estrato espinoso queratinocitos) En desmosomas o hemidesmosomas en epitelios (contacto entre unas células y otras) → resistencia mecánica. Unidas a placa de proteínas adaptadoras (queratina en azul). Los filamentos intermedios también participan en los desmosomas 114 4. NEUROFILAMENTOS (IV) En los axones de la neuronas de vertebrados. 3 tipos de proteínas de neurofilamentos, NF-L, NF-M y NF-H. Juntas se ensamblan para formar heteropolímeros. Crecimiento con el axón el longitud y después en ancho → velocidad del impulso (participando en la transmisión del impulso nervioso) Cuando el axón ha crecido en longitud los neurofilamentos lo engrosan (de esta manera transmite el impulso a mayor velocidad) Proporcionan resistencia y estabilidad a los largos axones. Ensamblaje anormal relacionado con ELA (Esclerosis Lateral Amiotrófica) ➔ A) Neurona: trozos de las cadenas polipeptídicas de neurofilamentos quedan sueltos interaccionando entre ellos ➔ B) Célula Glial (soporte para neuronas): Filamentos intermedios, pero no neurofilamentos 5. FILAMENTOS DE VIMENTINA (III) En fibroblastos, células de músculo liso o glóbulos blancos sanguíneos. Red desde la envoltura nuclear hasta la periferia Desmina (clasificada dentro de las vimentinas) , específica de las células musculares, conecta los discos Z del sarcómero Los filamentos de vimentina dan soporte a la forma de la célula 6. PROTEÍNAS ASOCIADAS A LOS FILAMENTOS INTERMEDIOS Muchas de ellas son frecuentes en las uniones celulares - Plaquinas: están asociados a los filamentos intermedios en las uniones célula-célula, es decir, en los desmosomas. - Plectinas: están asociadas a los filamentos intermedios en las uniones célula-matriz, es decir, en los hemidesmosomas Micrografíia electrónica de un fibroblasto en el que la plectina se ha localizado con un anticuerpo específico anti-plectina (amarillo). Se han coloreado artificialmente los puentes de plectina (verde) entre los filamentos intermedios (azul) y los microtúbulos (rojo). 115  14.3 MICROTÚBULOS 1.CARACTERÍSTICAS Cilindros huecos, formados por un polímero de la proteína tubulina 25 nm Ø. Más rígidos que los filamentos de actina, alargados y rectos. Polaridad (extremo más y menos) (pueden polimerizar bien aunque sean rígidos), son autoensamblables. Con frecuencia tienen un extremo unido a centrosoma (normalmente el -) y los extremos + mirando a la periferia (MTOC, centro organizador de microtúbulos) 2. ESTRUCTURA La subunidad está formada por un monómero/protómero alfa-tubulina y otro beta-tubulina que se unen formando un heterodímero alfa-beta El GTP de la beta-tubulina es el que participa en el proceso de polimerización y despolimerización. Ensamblaje: Se produce por contactos en longitud alfa-beta. También hay contactos laterales (alfa-alfa y beta-beta). En resumen, presentan contactos superiores, inferiores y laterales. El filamento es muy robusto a pesar de que las interacciones que presentan son NO COVALENTES El microtúbulo está formado por 13 protofilamentos (cadenas longitudinales unidas por contactos alfa-beta) 3. POLIMERIZACIÓN DE LOS MICROTÚBULOS La polimerización se produce por el extremo (+), el extremo (-) se mantiene en GDP tendiendo a despolimerizar. En el extremo (+) tendremos una caperuza que irá polimerizando (caperuza de tubulina GTP). Dependiendo de la concentración de GTP polimerizará y despolimerizará. ➔ Polimeriza a través de los contactos, formando una especie de hoja que posteriormente se cerrará como una cremallera formando el cilindro. (no se forman 13 protofilamentos y luego se unen por contactos laterales, si no que se forma todo el microtúbulo a la vez) Cuando los dímeros se unen se irán hidrolizando de GTP a GDP desde el extremo (+) al (-) (la hidrólisis del GTP cambia la conformación de la subunidad y debilita la afinidad de unión en el polímero) ➔ El extremo (+) polimeriza porque en esta región el GTP todavía no se ha hidrolizado a GDP ➔ Cuando la cantidad de GTP es baja, la hidrólisis alcanza al extremo (+) y ya no polimeriza, por lo que el microtúbulo tendrá más tendencia a disociarse En conjunto el microtúbulo crece por el extremo (+) y decrece por el (-) (a concentraciones adecuadas de GTP crece más veces de las que decrece) Los microtúbulos experimentan inestabilidad dinámica ➔ A determinadas concentraciones de tubulina libre CcT