Guía de Estudio de Biología Celular - Citoesqueleto PDF

Departamento de Química y Medio Ambiente Guía estudio Biología Celular Citoesqueleto Introducción El citoesqueleto es una red compleja de proteínas que se...

Departamento de Química y Medio Ambiente Guía estudio Biología Celular Citoesqueleto Introducción El citoesqueleto es una red compleja de proteínas que se extiende por todo el citoplasma de las células eucariotas. Esta estructura dinámica proporciona soporte mecánico, facilita el movimiento celular, organiza los componentes internos de la célula y participa en una variedad de funciones críticas, como la señalización celular y el transporte intracelular. Sus tres principales componentes —microtúbulos, filamentos intermedios y microfilamentos— son esenciales para la morfología celular, la distribución de los orgánulos y la capacidad de la célula para moverse y dividirse. 1. Microtúbulos Composición y Estructura Los microtúbulos están compuestos por dímeros de tubulina α y β, que se ensamblan en cadenas lineales llamadas protofilamentos. Trece protofilamentos se agrupan para formar un cilindro hueco que constituye el microtúbulo, el cual tiene un diámetro de aproximadamente 25 nm. Los microtúbulos tienen una polaridad intrínseca con un extremo positivo (+) y un extremo negativo (-). El extremo (+) es el lugar donde la polimerización ocurre más rápidamente, mientras que el extremo (-) está generalmente estabilizado y anclado a un centro organizador de microtúbulos (MTOC), como el centrosoma.  Departamento de Química y Medio Ambiente Este diseño estructural no solo proporciona rigidez y soporte a la célula, sino que también le permite realizar funciones dinámicas. Los microtúbulos son inestables por naturaleza, lo que significa que pueden crecer o acortarse de manera rápida en respuesta a señales celulares. Este fenómeno, conocido como inestabilidad dinámica, es crucial para procesos celulares como la migración y la división celular. Proteínas Asociadas a Microtúbulos (MAPs) Las MAPs (Microtubule-Associated Proteins) son un conjunto de proteínas que interaccionan con los microtúbulos para regular su ensamblaje, estabilidad y función. Estas proteínas se dividen en dos categorías principales:  MAPs estructurales: Estas proteínas estabilizan los microtúbulos y regulan su ensamblaje, evitando su despolimerización. Ejemplos de MAPs estructurales incluyen MAP2 y tau, que juegan un papel crucial en la estabilización de los microtúbulos en neuronas, ayudando a mantener la forma celular y la organización de los axones y dendritas.  MAPs motoras: Estas proteínas utilizan la energía derivada de la hidrólisis de ATP para "caminar" sobre los microtúbulos, moviendo cargas a lo largo de ellos. Las principales MAPs motoras son las quinesinas, que se mueven hacia el extremo positivo de los microtúbulos, y las dineínas, que se desplazan hacia el extremo negativo.  Departamento de Química y Medio Ambiente Función: Soporte Estructural y Organización Celular Los microtúbulos actúan como un esqueleto celular, proporcionando un marco rígido que define la forma de la célula. Este soporte es especialmente importante en células con formas especializadas, como las neuronas, donde los microtúbulos se extienden a lo largo de los axones para mantener su estructura y facilitar el transporte de señales eléctricas. Transporte Vesicular Los microtúbulos sirven como "carreteras" intracelulares para el transporte de vesículas, orgánulos y otras estructuras. Este transporte es dirigido por proteínas motoras como la quinesina y la dineína. La quinesina se mueve hacia el extremo positivo del microtúbulo, mientras que la dineína se desplaza hacia el extremo negativo. Este transporte bidireccional es esencial para la entrega eficiente de moléculas entre diferentes partes de la célula, como el movimiento de vesículas cargadas de neurotransmisores hacia el sinapsis en las neuronas. División Celular Los microtúbulos juegan un papel crucial durante la mitosis, donde forman el huso mitótico, una estructura responsable de la correcta segregación de los cromosomas. Los microtúbulos del huso se anclan a los cinetocoros, estructuras proteicas en los cromosomas, y los separan en células hijas durante la anafase. La inestabilidad dinámica es esencial en este proceso, ya que permite que los microtúbulos crezcan y se acorten para capturar y mover los cromosomas.  Departamento de Química y Medio Ambiente Dinamismo y Regulación Los microtúbulos experimentan crecimiento y acortamiento en ciclos controlados por la hidrólisis de GTP. Las proteínas asociadas a los microtúbulos (MAPs) regulan este comportamiento. Algunas MAPs, como MAP2 y tau, estabilizan los microtúbulos, mientras que otras, como las catastrofinas, promueven su despolimerización. La disfunción en estas proteínas está relacionada con enfermedades neurodegenerativas, como el Alzheimer, donde la acumulación anormal de proteínas tau interfiere con el transporte axonal. Cilios y Flagelos Los microtúbulos forman estructuras como los cilios y flagelos, que están involucrados en el movimiento celular. Los cilios suelen ser más cortos y numerosos, mientras que los flagelos son más largos y menos abundantes. Ambas estructuras están sostenidas por un núcleo de microtúbulos llamado axonema, organizado en un patrón de 9+2 (nueve pares de microtúbulos en la periferia y dos microtúbulos individuales en el centro). 2. Filamentos Intermedios Composición y Estructura Los filamentos intermedios son un grupo heterogéneo de proteínas fibrosas, que incluyen a la queratina, la vimentina, la desmina y las laminas nucleares. Con un diámetro intermedio de 8-12 nm, estos filamentos forman redes estables y duraderas dentro del citoplasma y el núcleo. A diferencia de los microtúbulos y los microfilamentos, los filamentos intermedios no tienen polaridad y no participan en procesos de motilidad intracelular activa. En cambio, proporcionan resistencia mecánica a las células y tejidos, permitiendo que soporten fuerzas físicas y tensiones. Polimerización de los Filamentos Intermedios A diferencia de los microtúbulos y microfilamentos, la polimerización de los filamentos intermedios es un proceso independiente de nucleótidos (como ATP o GTP), lo que significa que no requiere la energía de la hidrólisis de ATP o GTP para su ensamblaje. El proceso de polimerización de los filamentos intermedios se lleva a cabo en varios pasos:  Departamento de Química y Medio Ambiente 1. Monómeros: Los filamentos intermedios están compuestos por proteínas fibrosas que tienen una estructura alfa-hélice en la región central y dos extremos globulares. Estas proteínas varían según el tipo de célula y el tejido en el que se encuentren. 2. Dímeros: Dos monómeros de proteínas se ensamblan de forma paralela para formar un dímero, donde las regiones alfa-hélice de cada monómero se enrollan entre sí en una estructura conocida como hélice enrollada (coiled-coil). 3. Tetrámeros: Dos dímeros se alinean de manera antiparalela, es decir, con sus extremos N-terminales y C-terminales opuestos, formando un tetrámero. Este arreglo es fundamental, ya que le da a los filamentos intermedios su propiedad no polar. La antiparalelidad asegura que no haya un extremo específico de crecimiento como ocurre en los microtúbulos o microfilamentos. 4. Protofilamentos: Los tetrámeros se agrupan en unidades más largas llamadas protofilamentos. Ocho tetrámeros se ensamblan lateralmente para formar un protofilamento, creando una estructura inicial que luego se agrupa para formar el filamento intermedio maduro. 5. Filamento Intermedio Completo: Varios protofilamentos se asocian entre sí en una disposición lateral y longitudinal para formar el filamento intermedio completo, que tiene una estructura más robusta y estable. Este ensamblaje en capas contribuye a la resistencia mecánica y elasticidad que caracteriza a los filamentos intermedios.  Departamento de Química y Medio Ambiente Función Resistencia Mecánica Los filamentos intermedios refuerzan la integridad estructural de las células, especialmente en tejidos sometidos a estrés mecánico, como la epidermis. Por ejemplo, en las células epiteliales, los filamentos de queratina se organizan alrededor de los desmosomas, estructuras que conectan las células vecinas y distribuyen las fuerzas de tensión. Este armazón confiere flexibilidad y resistencia a la célula, protegiéndola de desgarros y deformaciones. Anclaje de Organelos Otra función importante de los filamentos intermedios es la estabilización de los orgánulos celulares, especialmente el núcleo. Las laminas nucleares forman una red densa en la cara interna de la envoltura nuclear, proporcionando soporte estructural al núcleo y regulando procesos como la replicación del ADN y la transcripción génica. Laminina: Un Ejemplo Clave La laminina es una proteína de la matriz extracelular que se asocia con los filamentos intermedios en la lámina basal, una estructura especializada que subyace a los epitelios. La laminina actúa como un anclaje entre las células y la matriz extracelular, facilitando la adhesión celular, la migración y la señalización celular durante el desarrollo y la reparación de tejidos. La alteración de la laminina puede tener graves consecuencias, como la aparición de enfermedades de la piel y defectos en el desarrollo embrionario. 3. Microfilamentos (Actina) Composición y Estructura Los microfilamentos, también conocidos como filamentos de actina, están compuestos principalmente por la proteína actina. Estos filamentos tienen un diámetro de aproximadamente 7 nm y se encuentran en todas las células eucariotas, formando una red densa justo debajo de la membrana plasmática. Existen dos formas principales de actina: 1. G-actina (globular): Es la forma monomérica de la actina. 2. F-actina (filamentosa): Es el polímero de actina, formado por la polimerización de múltiples subunidades de G-actina.  Departamento de Química y Medio Ambiente La polimerización de la G-actina en F-actina es un proceso dinámico y reversible, lo que permite a las células regular la longitud y el ensamblaje de los microfilamentos de manera precisa. Polaridad de los Microfilamentos Uno de los aspectos clave de los microfilamentos es su polaridad estructural. Esta polaridad surge debido a la orientación de las subunidades de actina durante su ensamblaje en el filamento. Cada molécula de G-actina tiene una orientación específica en el filamento, lo que da lugar a dos extremos distintos en el microfilamento:  Extremo (+): Es el extremo en el que la polimerización ocurre más rápidamente. En condiciones fisiológicas, la adición de nuevas subunidades de G-actina ocurre predominantemente en este extremo. Además, este extremo está más asociado a las regiones de crecimiento rápido de la célula, como los lamelipodios y filopodios que se extienden durante la migración celular.  Extremo (-): Es el extremo donde la polimerización es más lenta y donde predominan los eventos de despolimerización. Aunque la adición de subunidades también puede ocurrir en este extremo, es más frecuente la pérdida de subunidades de G-actina, lo que contribuye a la renovación constante de los microfilamentos. Esta polaridad es fundamental para las funciones dinámicas de los microfilamentos, ya que permite una constante remodelación del citoesqueleto de actina, esencial para procesos como el movimiento celular, la endocitosis y la citocinesis. Dinámica de Polimerización y Despolimerización El ensamblaje de los microfilamentos es un proceso altamente regulado que depende de la presencia de ATP. Las subunidades de G-actina se asocian al filamento en su forma unida a ATP, lo que promueve su incorporación en el extremo (+). Una vez que la G-actina se incorpora al filamento, el ATP se hidroliza a ADP, lo que reduce la estabilidad de la subunidad y facilita su eventual disociación en el extremo (-).  Departamento de Química y Medio Ambiente Formación de Redes y Haces de Microfilamentos Los microfilamentos de actina pueden organizarse en haces y redes dentro de la célula, según las necesidades estructurales y funcionales. Estas dos formas de organización permiten que la célula mantenga su forma, se mueva y realice procesos esenciales como la migración, contracción y división. Haces de Microfilamentos Los microfilamentos pueden formar haces contráctiles y haces no contráctiles. Los haces contráctiles, como los presentes en el anillo contráctil durante la citocinesis, están compuestos por filamentos organizados de manera antiparalela, lo que permite la interacción con la miosina para generar fuerzas de contracción. En contraste, los haces no contráctiles están formados por filamentos alineados de manera paralela y se encuentran en estructuras como las microvellosidades y filopodios, donde proporcionan rigidez y soporte estructural. Redes de Microfilamentos Además de los haces, los microfilamentos pueden organizarse en redes tridimensionales, donde los filamentos se cruzan en ángulos y forman una malla densa. Estas redes son clave en estructuras como los lamelipodios, que impulsan la célula durante la migración, y en el córtex celular, que proporciona estabilidad a la membrana plasmática. Las redes permiten que la célula resista tensiones externas y adapten su forma de manera flexible. Función Locomoción Celular Los microfilamentos son esenciales para la formación de lamelipodios y filopodios, estructuras celulares que impulsan el movimiento ameboide. Estas proyecciones de la membrana plasmática se generan mediante la polimerización rápida de la actina en el frente de la célula, permitiendo que la célula se extienda y se adhiera al sustrato. Este proceso es fundamental para la migración celular durante la cicatrización de heridas, el desarrollo embrionario y la respuesta inmunitaria.  Departamento de Química y Medio Ambiente Contracción Muscular Esquelética y el Sarcómero En las células musculares esqueléticas, los microfilamentos interactúan con filamentos de miosina para generar la contracción muscular. El sarcomero, la unidad contráctil básica de las células musculares, está compuesto por filamentos finos de actina y filamentos gruesos de miosina. Durante la contracción, los filamentos de miosina se deslizan sobre los de actina en un proceso dependiente de ATP, lo que acorta el sarcómero y produce la contracción muscular. 1. Estructura del Sarcómero: Cada sarcómero está delimitado por discos Z y contiene filamentos de actina anclados a estos discos. Los filamentos gruesos de miosina se intercalan con los de actina y se desplazan sobre ellos durante la contracción, en un proceso conocido como el modelo de deslizamiento de los filamentos. 2. Ciclo de Puentes Cruzados: La contracción muscular implica un ciclo de formación y ruptura de puentes cruzados entre las cabezas de miosina y los filamentos de actina. Este proceso depende de la presencia de Ca²⁺ liberado por el retículo sarcoplásmico, que se une a la troponina, desplazando la tropomiosina y exponiendo los sitios de unión de la actina para la miosina. Bibliografía: Introducción a la Biología Celular/ Albert, Hopkin, Johnson, Morgan, Raff, Robert y Walker