TEMA 3. EL CITOESQUELETO PDF

TEMA 3. EL CITOESQUELETO Características generales, funciones y componentes Filamentos de actina Microtúbulos Filamentos intermedios anti-tubulina – FITC células HeLa  El citoesqueleto está formado por una red de proteínas citosólicas esenciales en múltiples...

TEMA 3. EL CITOESQUELETO Características generales, funciones y componentes Filamentos de actina Microtúbulos Filamentos intermedios anti-tubulina – FITC células HeLa  El citoesqueleto está formado por una red de proteínas citosólicas esenciales en múltiples funciones celulares (organización intracelular, tráfico de orgánulos, división celular) Tinción de proteínas con azul de Coomassie Los componentes del citoesqueleto contribuyen a las Cambios en el CQ regulados por propiedades de viscosidad, resistencia, elasticidad, proteínas accesorias en respuesta contractilidad y remodelación del citoplasma a señales ¿Cómo se comportan en un viscosímetro? Alberts, MCB 4ª ed. Figure 16-17. Mechanical properties of actin, tubulin, and intermediate filament polymers. Networks composed of microtubules, actin filaments, or a type of intermediate filament called vimentin, all at equal concentration, were exposed to a shear force in a viscometer, and the resulting degree of stretch was measured. The results show that microtubule networks are easily deformed but that they rupture (indicated by red starburst) and begin to flow without limit when stretched beyond 150% of their original length. Actin filament networks are much more rigid, but they also rupture easily. Intermediate filament networks, by contrast, are not only easily deformed, but they withstand large stresses and strains without rupture; they are thereby well suited to maintain cell integrity. Remodelación del citoesqueleto (microtúbulos, filamentos de actina) durante la división celular La reorganización del citoesqueleto se produce mediante procesos de polimerización y despolimerización a partir de los monómeros proteicos Cambios rápidos en la reorganización del citoesqueleto Figure 16-4,6-7 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  En la polimerización, las subunidades (monómeros de actina, dímeros de tubulina) se unen mediante uniones no covalentes y forman filamentos que se asocian lateralmente originando estructuras muy dinámicas en sus extremos Figure 16-10a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) la pendiente depende de la [actina]libre veloc. unión veloc. hidrólisis dímeros ATP actina, ATP (Mg2+) La inestabilidad de los agregados produce una etapa limitante para el proceso de polimerización utilizada por la célula para iniciar la polimerización en lugares concretos - a partir de fragmentos de filamentos preexistentes - con la participación de proteínas reguladoras Figure 16-10b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) El citoesqueleto debe ser considerado como un sistema unitario en el que los distintos componentes se co-regulan FILAMENTOS DE ACTINA Interacción de actina con múltiples proteínas (Saccharomyces cerevisiae) Figure 16-18 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  Muchos procesos celulares dependen de cambios dinámicos del citoesqueleto de actina Contractilidad celular Crecimiento del cono axónico Migraciones celulares Linfocitos Th moviéndose entre el colágeno tras inflamación Invasión bacteriana Fagocitosis  Las subunidades de los filamentos de actina (monómeros, globulares), llamadas actina G, tienen dos extremos (polos) diferenciados Esta polaridad se mantiene al formar los filamentos, influyendo en las propiedades cinéticas de la polimerización actina G actina F Figure 16-12 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 13,5 monómeros Para estudiar la polimerización de la actina se emplean filamentos decorados de miosina el extremo más dinámico es el extremo más (+) (-) extremo puntiagudo Crecimiento de un filamento de actina decorado de miosina Obtención de fragmentos S1 de miosina extremo romo (+)  Los dos extremos del filamento de actina tienen diferentes tasas de polimerización y despolimerización El extremo (+) es más dinámico que el extremo (-) (tiene mayores tasas de asociación y disociación de las subunidades kon y koff) (-) (+) Las variaciones en la energía libre de estos procesos espontáneos de polimerización y despolimerización pueden ser utilizadas por la célula para realizar un trabajo mecánico que requiera energía (arrastrar una carga unida al filamento, empujar a la membrana celular en el frente de migración, etc.) En el estado estacionario, las subunidades se La concentración crítica (Cc) marca el nivel en el ensamblan en el extremo más y se desensamblan cual las moléculas de actina G están en equilibrio en el extremo menos a velocidades idénticas, por con los filamentos (actina F) y estos empiezan a lo que se mantiene la longitud del polímero polimerizar Cc = koff/kon 1 2 4 3 A concentraciones de subunidades libres Cada extremo tiene su cinética de polimerización comprendidas entre Cc (+) y Cc (-) Cada extremo tiene su Cc se produce un flujo neto de subunidades desde el (+) extremo más hacia el extremo menos recambio rotatorio en rango G-actina (-)  Las proteínas de unión a la actina (Actin Binding Proteins -ABP-) son proteínas accesorias que regulan la dinámica de la polimerización de los filamentos en el espacio y en el tiempo Nucleación de filamentos Panel 16-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Secuestro de monómeros Estabilización de filamentos proteínas caperuza o de encasquetamiento Formación de haces y redes de filamentos anclaje a membrana  Movilidad de queratinocitos en cultivo lamelipodio fil. actina frente de migración ABPs de entrecruzamiento de fil. de actina dominios de unión a la actina tipos de haces o redes α-actinina filamina fimbrina miosina Figure 16-47, 16-48, 16-49, 16-51 Molecular Biology of the Cell, 2008 La formación de distintos tipos de haces se acelera en algunos puntos por la participación de otras ABPs, como los complejos ARP2/3 en la nucleación de nuevos filamentos Pollard & Borisy, Cell 2003  Los complejos ARP (Actin-Related Proteins) nuclean la formación de filamentos de actina ramificados en el córtex celular ARP2/3 necesita ser activado por señales que promueven la nucleación y crecimiento de los filamentos de actina Figure 16-34 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  TEM La nucleación se produce en extremo (-) de nuevos filamentos, que crecen lateralmente sobre los preexistentes con una inclinación de 70º Contacto de ARP2/3 con 3 subunidades de actina (-) (-) Dinámica de la polimerización en el frente de avance del lamelipodio actina Arp2/3 cofilina actina Figure 16-88, 16-89, 16-90 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Mediante la hidrólisis de ATP durante el proceso de polimerización los filamentos ramificados de actina, estos empujan las membranas celulares Ej: movilidad de Listeria monocytogenes en células infectadas t Las forminas nuclean la formación de filamentos lineales de actina cerca de la membrana plasmática Se forman fibras de estrés contráctiles (de acto-miosina) que terminan en los contactos focales (-) (+) Figure 16-36, 16-37, 16-38 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) ¿Cómo saben las células dónde nuclear, ramificar, encasquetar, secuestrar … los monómeros de actina? Existen moléculas señalizadoras que inducen reorganizaciones globales del citoesqueleto de actina regulando la actividad de las ABPs en respuesta a señales externas - fosfolípidos de inositol (PIP2) (abundantes en lipid rafts) regulación mediante unión directa con ABPs (p.ej. forminas) - familia de proteínas G monoméricas de la familia Rho (Rac, Rho, Cdc-42) regulación indirecta a través de vías de señalización celular SEÑAL Ninguna + ácido lisofosfatídico + PDGF + GEF (LPA)  + ácido lisofosfatídico + PDGF + GEF (LPA) Figure 16-98b Molecular Biology of the Cell Figure 16-98a Molecular Biology of the Cell  Los enfermos con síndrome de Wiskott-Aldrich tienen plaquetas anormales por alteracions en proteínas WASp Figure 16-47. Platelet activation. (A) Platelet activation is a controlled sequence of actin filament severing, uncapping, elongation, recapping, and cross-linking that creates a dramatic shape change in the platelet. (B) Scanning electron micrograph of platelets prior to activation. (C) An activated platelet with its large spread lamellipodium. (D) An activated platelet at a later stage than the one shown in C, after myosin II-mediated contraction.  Asociaciones estables de filamentos de actina microvellosidades estereocilios A scanning electron micrograph of the stereocilia projecting from a hair cell in the inner ear of a bullfrog. villina  MICROTÚBULOS MTOC Marcaje inmunocitoquímico de beta-tubulina en células en cultivo MAPs = Microtubule Associated Proteins Aspecto de los microtúbulos en el citoplasma celular mediante fijación con glutaraldehído y MET (microscopía electrónica de transmisión) Los heterodímeros de tubulina se unen entre sí formando protofilamentos en los que se conserva la polaridad de los dímeros y forman la pared de los microtúbulos GTP (+) (-) Figure 16-11 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Los microtúbulos están en equilibrio dinámico con la reserva de tubulina soluble del citosol La concentración crítica (Cc) marca el nivel al cual los dímeros de alfa y beta tubulina están en equilibrio con los microtúbulos Los microtúbulos son estructuras efímeras con inestabilidad dinámica, una propiedad que permite reorganizar rápidamente el citoesqueleto celular y sus estructuras asociadas Fases de elongación (polimerización), seguidas de fases de catástrofe (despolimerización rápida )  En los extremos en crecimiento se producen cambios conformaciones en los dímeros de tubulina para un acoplamiento entre las propiedades bioquímicas y mecánicas Figure 16-16 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Los Centros Organizadores de los Microtúbulos (MTOCs) son lugares de nucleación para el crecimiento y orientación de los microtúbulos, y también de estabilización de sus extremos menos Curr Opin Cell Biol. 2017 Feb; 44: 93–101.  Los Centros Organizadores de los Microtúbulos (MTOCs) son lugares de nucleación para el crecimiento y orientación de los microtúbulos, y también de estabilización de sus extremos menos Figures 16-29, 16-30, 16-31 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Complejos en anillo de la γ-tubulina Figures 16-46 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2015)  En una misma célula existen microtúbulos con diferente grado de estabilidad La estabilización de los microtúbulos se produce mediante: - modificaciones postraduccionales (acetilación, destirosinación, etc) - unión de Proteínas Asociadas a los Microtúbulos (MAPs) (XMAP215) proteínas tracking de los extremos más (+TIP) Figure 16-44, 16-45 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  Algunas MAPs forman haces de microtúbulos en distintos compartimentos del citoplasma celular si sobreexpresamos tau tau si sobreexpresamos MAP2 MAP2 Figure 16-40, 16-41 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) MAPs: proteínas reguladoras de la polimerización y estabilización de los microtúbulos Panel 16-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  también posibilitan el deslizamiento entre MT Las MAPs motoras (motores moleculares) dirigen el transporte polarizado de vesículas y sustancias Figure 16-104 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) dispersión y agregación PRÁCTICAS DE LABORATORIO de los melanosomas en células epiteliales de peces La superfamilia de las QUINESINAS: - Proteínas motoras que se desplazan hacia el extremo “+” de los MTs - Generan fuerza acoplando la hidrólisis de ATP a cambios conformacionales - +  Las DINEÍNAS se desplazan hacia el extremo “-” de los MTs, mediante ciclos mecánico-químicos - dos grandes grupos: dineínas citoplasmáticas, dineínas axonemales - la unión a la “carga” puede ser directa o mediante complejos proteicos dineínas ciliares dineínas citoplasmáticas - + Figure 16-67 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Asociaciones estables de microtúbulos: cilios y flagelos Los cuerpos basales (estructura similar a centríolos) sirven de MTOCs para el crecimiento de cilios y flagelos Basal bodies. (A) Electron micrograph of a cross section through three basal bodies in the cortex of a protozoan. (B) Diagram of a basal body viewed from the side. Each basal body forms the lower portion of a ciliary axoneme and is composed of nine sets of triplet microtubules, each triplet containing one complete microtubule (the A microtubule) fused to two incomplete microtubules (the B and C microtubules). Other proteins (shown in red in B) form links that hold the cylindrical array of microtubules together. The arrangement of microtubules in a centriole is essentially the same.  Generación de fuerzas en el axonema durante el batido flagelar o ciliar Dineína ciliar mt A nexina Figure 16-80, 16-83 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  FILAMENTOS INTERMEDIOS estables (poco solubles), resistentes, elásticos exclusivos de células animales aprox. 70 genes - secuencia muy conservada en humanos - importante para el ensamblaje de FI 276 aas  Polimerización de los filamentos intermedios: enlaces laterales, desplazamiento escalonado y sobreenrollamiento anti-vimentina TEM Propiedades mecánicas parecidas a cuerdas (al estirarse alcanzan hasta 3 veces su longitud) Figure 16-19 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Características de la polimerización de los filamentos intermedios o Dinámica de la polimerización poco conocida o Desensamblaje (despolimerización) regulado por fosforilación de los monómeros o No se produce la unión de nucleósidos trifosfato o Son mecánica y estructuralmente estables, pero poseen plasticidad y cierta inestabilidad dinámica (con incorporación de subunidades en toda su longitud) Eriksson et al., 2009 NF-H GFAP queratina  Vimentina (linfocitos) Queratinas Neurofilamentos (señalización en apoptosis, migración celular, (epidermis) (neuronas) diferenciación, regulación de la transcripción, etc)  queratina NF-H GFAP Eriksson et al., 2009 Los anticuerpos que reconocen los diferentes filamentos intermedios son importantes herramientas para el diagnóstico celular diferencial  laminopatías Eriksson et al., 2009 Los diferentes componentes del citoesqueleto están conectados mediante plaquinas (p.ej. plectina) plaquinas Conexiones entre distintos filamentos Conexiones entre células y con la matriz extracelular Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2015) Conexiones entre citoplasma y nucleoplasma El citoesqueleto funciona de forma coordinada mediante mecanismos reguladores compartidos entre sus componentes Avanzado Dofterom & Koenderink (2019) Actin–microtubule crosstalk in cell biology. Nature Reviews in Molecular Cell Biology 20:38-54 Comunicación entre filamentos de actina y microtúbulos en la migración celular Dofterom & Koenderink (2019) Actin–microtubule crosstalk in cell biology. Nature Reviews in Molecular Cell Biology 20:38-54  Comunicación entre filamentos de actina y microtúbulos en la división celular Dofterom & Koenderink (2019) Actin–microtubule crosstalk in cell biology. Nature Reviews in Molecular Cell Biology 20:38-54 TEMA 3 LECTURAS RECOMENDADAS Alberts et al., 2010, 4/5ª ed., Ed. Omega - Cap. 16. El citoesqueleto Becker et al., 2008, 6/7ª ed., Pearson/B. Cummings - Cap. 15. El citoesqueleto LECTURAS COMPLEMENTARIAS Pollard & Borisy (2003) Cellular Motility Driven by Assembly and Disassembly of Actin Filaments. ell, 112: 453-465. Dogterom & Koenderink (2019) Actin–microtubule crosstalk in cell biology. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 20: 38-54. Eriksson et al. (2009) Introducing intermediate filaments: from discovery to disease. Journal of Clinical Investigation, 119: 1763-1771.