Biomol 1 PDF - Citoesqueleto y Microfilamentos

organización del citoesqueleto depende de la capacidad de las sistemas citoesqueléticos, en el capítulo siguiente se observa-- células para percibir señales –de factores solubles que bañan rá que los microfilamentos cooperan con los microtúbulos la célula, de célula...

organización del citoesqueleto depende de la capacidad de las sistemas citoesqueléticos, en el capítulo siguiente se observa-- células para percibir señales –de factores solubles que bañan rá que los microfilamentos cooperan con los microtúbulos la célula, de células adyacentes o de la matriz extracelular– e y los filamentos intermedios para el funcionamiento celular interpretarlas (fig. 17-3). Estas señales son detectadas por re- normal. ceptores de la superficie celular que activan vías de transduc- ción de señales, las cuales finalmente convergen en factores que regulan la organización citoesquelética. 17.1 Microfilamentos y estructuras La importancia del citoesqueleto para la función normal y la motilidad celular es evidente cuando un defecto de un de actina componente citoesquelético –o de la regulación citoesquelé-- tica– causa enfermedad. Por ejemplo, alrededor de 1 cada Los microfilamentos pueden ensamblarse en una amplia 500 personas tiene un defecto citoesquelético que afecta variedad de estructuras dentro de la célula (fig. 17-4a). Cada el aparato contráctil del corazón, lo que provoca diversas una de estas estructuras es crucial para determinadas funcio- miocardiopatías (enfermedades del músculo cardíaco). Se nes celulares. Por ejemplo, los microfilamentos pueden for- sabe que numerosos defectos de los componentes citoesque-- mar un haz compacto de filamentos que componen el centro léticos de los eritrocitos que sostienen la membrana plas-- de las microvellosidades digitiformes, pero también pueden mática de estas células provocan enfermedad. Las células hallarse en una red menos ordenada justo por debajo de la cancerosas metastásicas se separan de su tejido de origen y membrana plasmática, en una región de citoplasma conocida migran a nuevas localizaciones debido a la mala regulación como corteza celular, celular, donde proporcionan soporte y organi- del citoesqueleto. zación a las proteínas de membrana. En las células epiteliales, En este capítulo y el siguiente, se analizarán la estructura, la los microfilamentos forman una banda contráctil alrededor función y la regulación del citoesqueleto. Se estudiará cómo de la célula, el cinturón adherente, que confiere resistencia al dispone una célula su citoesqueleto para generar la forma y epitelio. En las células migratorias, se observa una red de mi- la polaridad celular a fin de proporcionar organización y mo- crofilamentos en la parte frontal de la célula en el borde con- tilidad a sus orgánulos, y ser el marco estructural de proce- ductor, o lamelipodio, a partir del cual pueden protruir haces sos como la natación y el arrastre de la célula. Se considerará de filamentos denominados filopodios. Muchas células tienen cómo las células ensamblan los tres sistemas de filamentos di- microfilamentos contráctiles conocidos como fibras de ten- ferentes y cómo regulan estas estructuras las vías de transduc- sión, que se unen al sustrato externo a medida que migran las ción de señales. En el capítulo 19, se analizará la regulación células (analizado en el capítulo 20). Células especializadas, del citoesqueleto durante el ciclo celular. En el capítulo 20 20,, se se como los macrófagos, utilizan microfilamentos contráctiles estudiará cómo participa el citoesqueleto en la organización para englobar e internalizar patógenos mediante fagocitosis. funcional de los tejidos. En este capítulo, el análisis se centra- Cursos breves, muy dinámicos, de ensamblado de filamentos rá en los microfilamentos y las estructuras basadas en actina. de actina pueden impulsar el movimiento de vesículas endo- Si bien inicialmente se considerarán por separado los tres cíticas desde la membrana plasmática. En una etapa tardía de la división celular en animales, después de que todos los orgánulos se han duplicado y segregado, se forma un anillo contráctil que se estrecha para generar dos células hijas en el Señales de factores solubles, otras células proceso denominado citocinesis. Por consiguiente, las células y la matriz extracelular utilizan filamentos de actina de muchas maneras: en papeles Membrana plasmática estructurales, como mecanismos contráctiles, aprovechando con receptores la polimerización y despolimerización de actina para realizar erio r trabajo, y para mover vesículas en el interior de una célula. A Ex t menudo, coexisten muchas disposiciones de microfilamentos s ol dentro de una sola célula, como se muestra en un filamento en Ci to migración (fig. 17-4b). Vías de transducción El componente básico de los microfilamentos es la act actina, ina, de señales una proteína que tiene la notable capacidad de ensamblarse de manera reversible en un filamento polarizado con extre-- mos funcionalmente distintos. Estos filamentos son moldea-- Citoesqueleto dos en diversas estructuras descritas en el párrafo previo por proteínas de unión a actina. El nombre mic microfi rofilamen to, que lamento, Organización y Forma, surgió de los filamentos muy delgados visualizados por mi-- movimiento movimiento y croscopia electrónica en preparados de cortes delgados de de orgánulos contracción celular células, hace referencia a la actina en su forma polarizada, con sus proteínas asociadas. En esta sección, se considerará FIGURA 17-3. Regulación de la función del citoesqueleto citoesqueleto por la proteína actina en sí misma y los filamentos en los que se señalización celular. Las células células utiliz utilizan an re recepto ptores res de de la supe super ficie ensambla. celular para percibir señales externas provenientes de la matriz ex- tracelular, de otras células o de factores solubles. Estas señales son transmitidas a través de la membrana plasmática y activan vías de La actina es antigua, abundante y está altamente señalización citosólicas específicas. Las señales –a menudo integradas conservada a partir de más de un receptor– conducen a la organización del citoes- queleto de manera que proporcione a las células su forma, y determi- La actina es una proteína intracelular abundante en las célu- ne la distribución y el movimiento de los orgánulos. En ausencia de las eucariontes. Por ejemplo, en las células musculares, la acti- señales externas, las células organizan, aun así, su estructura interna, na representa el 10% del peso de la proteína celular total; aun pero no de un modo polarizado. en células no musculares, la actina es el 1-5% de la proteína 17.1 Microfilamentos y estructuras de actina 755  (a) (b) Borde conductor Microvellosidades Corteza celular Cinturón adherente Filopodios Fibras de tensión Filopodios Lamelipodio/ Fibras de tensión borde conductor Fagocitosis Vesículas endocíticas Anillo contráctil en movimiento FIGURA 17-4. Ejemp Ejemplo loss de estruc estructuras turas basad basadas as en microfil microfilamentos. amentos. faloidina fluorescente, una sustancia que se une específicamente a la (a) En cada panel, los microfilamentos se representan en rojo. (b) Célula F-actina. Obsérvese cuántas organizaciones diferentes de microfilamen-- que se mueve hacia la parte superior de la página, teñida para actina con tos pueden existir en una célula. (P (Par arte te b: b: co con auto autoririzzaci ación ón de de J. Vi Victor Small). Small). celular. La concentración citosólica de actina en células no contráctiles; la corteza celular y el borde conductor de las musculares varía de 0,1 a 0,4 mM. En cambio, en estructuras células móviles están enriquecidos en b-actinas; y la g-actin actinaa como las microvellosidades, la concentración local de actina se localiza en fibras de tensión. puede alcanzar hasta 5 mM. Para comprender cuánta actina hay en las células, considere una célula hepática típica, que tiene 2 ´ 104 moléculas receptoras de insulina, pero alrededor Los monómeros de G-actina se ensamblan en de 5 ´ 108, o 500 millones, moléculas de actina. Como forman estructuras que se extienden por grandes partes del interior largos polímeros de F-actina helicoidales celular, las proteínas citoesqueléticas se encuentran entre las La actina existe como un monómero globular llamado proteínas más abundantes de una célula. G-actina y como un polímero filamentoso llamado F-actina, La actina es codificada por una familia de genes que da que es una cadena lineal de subunidades de actina. Cada mo- origen a algunas de las proteínas más conservadas dentro lécula de actina contiene un ion Mg2+ que forman un complejo de una especie y entre especies. Las secuencias proteicas de con ATP o ADP. De hecho, la actina es una ATPasa que hidro- las actinas de amebas y animales son idénticas en el 80% liza ATP a ADP y Pi. Más adelante, se analiza la importancia de sus posiciones aminoacídicas, pese a los aproximada-- de la interconversión entre las formas ATP y ADP de la actina. mente 500 millones de años de evolución. Los múltiples ge-- El análisis por cristalografía de rayos X revela que el monó- nes de actina hallados en los eucariontes modernos están mero de G-actina está separado en dos lóbulos por una hen- relacionados con un gen bacteriano, MreB MreB,, cuyo produ roducto cto didura profunda (fig. 17-5a). En la base de la hendidura, se forma filamentos que son importantes en la síntesis de la encuentra el pliegue de ATPasa, ATPasa, que es el sitio donde están pared celular bacteriana. Algunos eucariontes unicelulares, unidos el ATP y el Mg2+. El pliegue de ATPasa ATPasa tiene similitud como levaduras y amebas, tienen uno o dos genes de actina, estructural con la hendidura de unión a GTP de los interrup- mientras que los organismos multicelulares suelen contener tores moleculares GTPasa (véase fig. 15-7). El suelo de la hen- múltiples genes de actina. Por ejemplo, los seres humanos didura de la G-actina actúa como una bisagra que permite la tienen 6 genes de actina, mientras que Arabi dopsis tiene de Arabidopsis flexión de los lóbulos uno respecto del otro. Cuando se une 8 a 10, y el maíz, 21. Cada gen de actina funcional codifica ATP o ADP a la G-actina, el nucleótido afecta la conforma- una isoforma diferente de la proteína. En los vertebrados, ción de la molécula (de hecho, sin un nucleótido unido, la existen cuatro isoformas de actina en tipos específicos de G-actina se desnaturaliza con mucha rapidez). células musculares, y otras dos isoformas en las no mus-- La G-actina puede polimerizarse, en una reacción reversi- culares. Estas seis isoformas solo difieren en alrededor de ble, a F-actina. Los filamentos de F-actina que se forman in 25 de los 375 residuos de la proteína completa o muestran vitro son indistinguibles de los microfilamentos observados una identidad de alrededor del 93%. Tradicionalmente, las en las células, lo que indica que la F-actina es su componente isoformas de actina se han clasificado en tres grupos sobre principal. la base de su carga global: las a-actinas, las b-actinas y las Por los resultados de estudios de difracción de rayos X de -actinas g-a ctinas.. Las a-a -actinas ctinas se asocia asociann con dive diversas rsas estru estructuras cturas filamentos de actina y por la estructura de los monómeros 756 O 17 Organzacón y movment CAPÍTULO CAPÍTUL movmento o celular I: mcroflamentos mcroflamentos  (a) (b) (c) Extremo (–) Hendidura de unión a ATP * IV * II 36 nm * * * * * * Mg2+ * III I * 36 nm * * * * Extremo (+) FIGURA 17-5. Estruc Estructuras turas de la G -ac -actina tina monomérica y los filamen filamen- hacia el mismo extremo del filamento. El extremo de un filamento con tos de F-actina. (a) Estruc Estructu tura ra del monómero de actiactina na (m 5,5 ´ 5, (mide 5, 5,55´ una hendidura de unión expuesta es el extremo (–); el extremo opuesto 3,5 nm), que está dividido por una hendidura central en dos lóbulos de es el extremo (+). (c) En el microscopio electrónico, los filamentos de ac-- aproximadamente el mismo tamaño y cuatro subdominios numera-- tina teñidos negativamente se visualizan como hebras largas, flexibles dos de I a IV. El ATP (amarillo) se une a la parte inferior de la hendidura y retorcidas de subunidades arrosariadas. A raíz del giro, el filamento y entra en contacto con ambos lóbulos (la esfera verde representa Mg2+). aparece alternativamente más delgado (7 nm de diámetro) o más grue-- Los extremos N-terminal y C-terminal se encuentran en el subdominio I. so (9 nm de diámetro) (flechas). (Los microfilamentos observados en (b) Un filamento de actina aparece como dos hebras de subunidades. una célula por microscopia electrónica son filamentos de F-actina más Una unidad repetitiva consiste en 28 subunidades (14 en cada hebra, in-- cualquier proteína unida). (Par (Parte te a: a: datos datos de de C. E. E. Schut Schutt et al., 19 1993, Nat atu ure dicado por un * para una hebra) que cubren una distancia de 72 nm. La 365:8 :8110, PDB ID 2bt 2btff, co cortesí tesíaa de de M. M. Rozyck Roz ycki.i. Part Par te c: c: Rog Roger Craig, Craig, Universit Universityy hendidura de unión a ATP de cada subunidad de actina está orientada of Massachusetts, Medical School). de actina mostrada en la fi figu gura ra 17- 5a,, los 17-5a los cien científ tífic icos os han han de de- didura de unión a ATP de la subunidad de actina terminal terminado que las subunidades de un filamento de actina es-- entra en contacto con la subunidad vecina, mientras que en el tán dispuestas en una estructura helicoidal (fi fig. g. 17- 17-5b ). En 5b). extremo (–), la hendidura está expuesta a la solución circun- esta disposición, el filamento puede considerarse como dos dante (véase fig. 17-5b). hebras helicoidales enrolladas entre sí. Cada subunidad de la La hendidura de una subunidad de actina, y en consecuen- estructura entra en contacto con una subunidad por encima y cia la polaridad de un filamento, no es detectable sin la resolu- una por debajo de ella de su propia hebra, así como con dos ción atómica proporcionada por la cristalografía de rayos X. subunidades de la otra hebra. Las subunidades de una hebra Sin embargo, la polaridad de los filamentos de actina puede simple se enrollan alrededor de la parte posterior de la otra demostrarse mediante microscopia electrónica en experimen- hebra y se repiten después de 72 nm, o 14 subunidades de tos denominados de decoración, que aprovechan la capacidad actina. Como hay dos hebras, el filamento de actina parece de la proteína motora miosina (analizada en la sección 17.5)17.5) repetirse cada 36 nm (véase fi fig. g. 17- 17-5b 5b).). Cua Cuandndo o se obs obser erva va para unirse específicamente a filamentos de actina. En este F-actina por microscopia electrónica después de teñirla nega-- tipo de experimento, se mezcla un exceso de miosina S1, un tivamente con acetato de uranilo, aparece como una cuerda producto de la escisión proteolítica de la miosina que contiene retorcida cuyo diámetro varía de 7 a 9 nm (ffig 17-5cc). ig.. 17-5 el dominio de la cabeza de unión a actina (véase fig. 17-22), 17-22), con filamentos de actina en condiciones en las que tiene lugar la unión. La miosina se adhiere a los costados de un filamento La F-actina tiene polaridad estructural y funcional y se une con una ligera inclinación. Cuando todas las subu- Todas las subunidades de un filamento de actina están orien- nidades de actina están unidas a miosina, el filamento parece tadas de la misma manera. Una consecuencia de la orienta- como si estuviera decorado con puntas de flecha que apun- ción de estas subunidades es que el filamento, en su totalidad, tan, todas, hacia su extremo (–) (fig. 17-6). Por consiguien- muestra polaridad; es decir, un extremo del filamento difiere te, el extremo (–) suele denominarse el extremo puntiagudo del otro. Como se verá, un resultado de esta orientación de de un filamento de actina. El extremo (+) se conoce como el las subunidades es que se favorece un extremo, designado ex- extremo con púas. Dado que la miosina se une a filamentos tremo (+), para la adición de subunidades de actina, mien- de actina y no a microtúbulos ni filamentos intermedios, la tras que se favorece el otro extremo, designado extremo (–), decoración con puntas de flecha es un criterio que permite para la eliminación de subunidades. En el extremo (+), la hen- identificar definitivamente los filamentos de actina entre las 17.1 Microfilamentos y estructuras de actina 757