Tema 4 Biología PDF

# TEMA 4. CITOESQUELETO Y MATRIZ CITOPLASMÁTICA ## I. CITOESQUELETO ### CONCEPTO, FUNCIÓN E IDENTIFICACIÓN - Red compleja de filamentos proteicos responsable de la citoarquitectura y movimientos celulares. ### COMPONENTES #### MICROFILAMENTOS DE ACTINA - Aparecen en todas las células eucariot...

# TEMA 4. CITOESQUELETO Y MATRIZ CITOPLASMÁTICA ## I. CITOESQUELETO ### CONCEPTO, FUNCIÓN E IDENTIFICACIÓN - Red compleja de filamentos proteicos responsable de la citoarquitectura y movimientos celulares. ### COMPONENTES #### MICROFILAMENTOS DE ACTINA - Aparecen en todas las células eucariotas - Flexibles y generalmente asociados entre sí. ##### COMPONENTES Y DINÁMICA DE FORMACIÓN "IN VITRO" - Actina G (globular): - Lugar de unión a ATP. - Actina F (filamentosa): - Misma orientación, giradas 166°. - Filamento en α-hélice - Polaridad estructural. ##### FORMACIÓN Y CONFIGURACIÓN DE LOS MICROFILAMENTOS DE ACTINA EN LA CÉLULA - La dinámica de polimerización/despolimerización y la organización de los microfilamentos de actina en las células depende de proteínas de unión a actina. ###### PROTEÍNAS DE UNIÓN A ACTINA - Proteínas que regulan la formación de los microfilamentos. - **Proteínas relacionadas con actina (ARP)** - Nucleación de filamentos de actina. - **Complejo ARP2/3:** - Genera filamentos ramificados. - **Formina:** - Genera filamentos no ramificados. - **Proteínas de unión a actina G:** - Afectan a la polimerización/despolimerización de filamentos de actina. - **Profilina:** - Unión a actina G-ADP. - Favorece fosforilación de ADP. - Incorporación a microfilamento. - **Timosina:** - Unión a actina G-ATP y evita su incorporación al filamento. - **Proteínas fragmentadoras:** - **Gelsolina:** - Fracciona microfilamentos y puede unirse a extremo + - Impide polimerización - Permite despolimerización. - **Cofilina:** - Unión a actina F-ADP y puede: - Fraccionar microfilamentos. - Promover despolarización por extremo -. - **Proteínas bloqueadoras de extremo:** - **Tropomodulina →** Caperuza en extremo -. - **Proteína de coronación (cap-Z) →** Caperuza en extremo +. - Actuando conjuntamente estabilizan los filamentos de actina. - **Proteínas que regulan la organización de los microfilamentos** - **Proteínas de unión a la membrana plasmática** - Espectrina, - Vinculina… - **Proteínas formadoras de mallas →** filamina. - **Proteínas formadoras de haces →** - fimbrina - villina - α-actinina → haces contráctiles. ###### PROTEÍNAS MOTORAS - **Miosinas** - **Miosinas no convencionales (I, V) →** No forma filamentos. - Lugar de unión a membrana (plasmática, de orgánulos). - Unión y posterior hidrólisis de ATP. - Cambio conformacional. - Lugar de unión a actina. - Desplazamiento a lo largo del filamento hacia extremo +. - **Miosina II (convencional) →** Forma filamentos que se deslizan sobre haces de microfilamentos de actina estabilizados mediante α-actinina (contráctiles). - **Contracción**. #### MICROTÚBULOS - Unión a GTP/GDP (en ẞ). - 13 con la misma orientación. - Polaridad estructural. ##### COMPONENTES Y DINÁMICA DE FORMACIÓN "IN VITRO" - **Tubulinas** - α - β - Heterodimeros (4 x 8 nm) - Protofilamento - Microtúbulo ##### FORMACIÓN (BIOGÉNESIS) Y ORGANIZACIÓN DE LOS MICROTÚBULOS INESTABLES EN LA CÉLULA - La nucleación requiere un centro organizador de microtúbulos (MTOC). - Complejo de anillo de γ-tubulina. <h6> En células animales </h6> - Centrosoma (con centriolos, normalmente). - Extremo (-) de microtúbulos anclado a complejo de anillo de γ-tubulina. - Plantilla anular de γ-tubulina + proteínas accesorias (pericentrina). <h6> En células vegetales </h6> - Material similar al del centrosoma en: - Superficie nuclear - Polos celulares. - El alargamiento se produce por ensamblaje de nuevos heterodímeros al extremo +. - La incorporación de los heterodímeros al microtúbulo requiere su unión a GTP. - GTP se hidroliza a GDP poco después de su incorporación al microtubulo. - Los dímeros unidos a GDP tienen distinta conformación. - Microtúbulos más inestables. - En la célula existe un equilibrio dinámico entre heterodímeros libres y los incorporados a los microtúbulos inestables - Los microtúbulos se encuentran en la célula en inestabilidad dinámica. ###### PROTEÍNAS ASOCIADAS A MICROTÚBULOS (MAPS) - Forman parte del microtúbulo (5-20% del microtúbulo). - **MAPs Clásicas** - 3 lugares de unión a tubulinas - Región básica - Brazo flexible - Región ácida - Unión a componentes celulares. - Estabilizan los microtúbulos. - Favorecen la polimerización a concentraciones celulares de tubulinas - Impiden despolimerización. - Relacionan microtúbulos entre sí y con otros componentes celulares. - **MAP2 (células nerviosas)**: - MAP de bajo peso molecular (Tau). - **MAPs que actúan en extremos (+) de los microtúbulos (+TIP)** - Estabilizan los microtúbulos → Impiden despolimerización. - XMAP215 (Xenopus) - Desestabilizan los microtúbulos → Inducen despolimerización - Catastrofina (quinesina) ###### PROTEÍNAS MOTORAS - **Cinesina (quinesina):** Motor a (+). - Dominios globulares motores. - Lugar de unión a ATP (unión, hidrólisis y liberación de ADP y Pi). - Lugar de unión al microtúbulo. - Cambios conformacionales - Desplazamiento a lo largo del filamento. - **Dineina:** Motor a (-). - Dominios globulares motores (unión a tubulinas y a ATP). ##### FUNCIONES DE LOS MICROTÚBULOS - **Movimiento de componentes celulares** - Forman "railes" para transporte de componentes celulares asociados a proteínas motoras. - Transporte anterógrado: - Dominios globulares motores - Interacción con microtúbulos - Transporte retrógrado: - Dominios globulares motores. - Interacción con microtúbulos. - **Funciones estructurales:** - Establecimiento y mantenimiento de citoarquitectura. - Mediante estabilización selectiva de microtúbulos. - Unión de extremo (+) - Proteínas asociadas - Componentes celulares - Impide despolimerización. - Mecanismo de adquisición de polaridad y de formación de axones y dendritas. - Microtúbulos en un axón (MET). - Organización del contenido celular: - Mantienen la posición de orgánulos con membrana. - Asociados a proteínas motoras: dineínas - Complejo de Golgi - cinesinas - RE, lisosomas. - Segregación de los cromosomas/cromátidas en la división celular (huso acromático): - Polimerización-despolimerización. - Acción de proteínas motoras. - Drogas contra el cáncer → antimitóticas. - **Colchicina** → Unión a tubulina: - Bloqueo de la polimerización. - **Taxol** → Unión a microtúbulos: - Bloqueo de la despolimerización. - Dirigen la formación de microfibrillas de celulosa de la pared celular. ##### ESTRUCTURAS COMPLEJAS FORMADAS POR MICROTÚBULOS ESTABLES - Los microtúbulos aparecen como: - Singlete/singulete - Doblete - Microtúbulo A → completo. - Microtúbulo B → 10 protofilamentos - Triplete - Microtúbulo A → completo. - Microtúbulo B → 10 protofilamentos. - Microtúbulo C → 10 protofilamentos. ###### CENTRIOLOS - En el interior del centrosoma de células animales. - Diplosomas: - Par de centriolos. - 9 tripletes. - Nexina: - Puente proteico de unión de microtubulo A al C contiguo - Estructura del centriolo: - Eje central + radios unión a microtubulo A (Solo en la región proximal) - Interacción con proteínas específicas del material pericentriolar. - Unión al otro centriolo. - Función de los centriolos: - No está clara (EI COMT es el complejo anillo de y-tubulina del material pericentriolar). - Mantienen concentrado el material del centrosoma - **Biogénesis de los centriolos** - Duplicación a partir de centriolos preexistentes: - En etapa S de interfase: - De cada centriolo se forma un procentriolo hijo en disposición perpendicular que crece por el extremo distal por ensamblaje de nuevas tubulinas. - **Formación de novo:** - Material pericentriolar - Rueda de carro - Microtúbulo A - Microtúbulo B - Microtúbulo C - Ensamblaje de nuevas tubulinas. ###### CILIOS Y FLAGELOS - Expansiones citoplasmáticas digitiformes rodeadas de membrana que contienen axonema móviles. - **Cilium** - Tallo ciliar - Central microtubule - Central sheath - Radial spoke - Outer doublet - Placa basal - Axonema - Estructura compleja. - Asociación microtúbulos 9+2. - Brazo radial - Vaina interna - Singulete central del microtubulo - Membrana plasmática - Microtúbulo A - Microtúbulo B - Doblete externo de microtúbulos - Brazo externo de dineína - Nexina - Unen microtubulo A con el B del siguiente doblete - Brazo interno de dineína. - **Organización y crecimiento del axonema:** - Basal body - Tripltes - Haces de microfilamentos con estriación transversal - Raicillas ciliares - Fibras de transición - Continuos con los del axonema - **Función de cilios y flagelos:** - **Cilios:** - Desplazamiento de espermatozoides. - Colocados en la superficie de cavidades: - Desplazan gametos. - Ayudan a la circulación de líquidos. - Ayudan a la eliminación de partículas en suspensión. - Modificados, actúan como receptores en células sensoriales. - **Flagelos:** - Movimiento ondulante independiente. ###### FILAMENTOS INTERMEDIOS - Cilindros macizos flexibles. - Más estables y resistentes que microtúbulos y microfilamentos - Ofrecen gran resistencia a la tensión. ##### COMPONENTES Y DINÁMICA DE FORMACIÓN - Subunidades → Proteínas filamentosas → α-hélice - Superfamilia de proteínas distintas en secuencia y en peso molecular, que se agrupan en 4 clases: - **Citoplasmáticos** - **Queratinas:** - En el epitelio. - **Vimentina y proteínas relacionadas:** - En el tejido conectivo, células musculares y células de la neuroglia. - **Nucleares** - **Neurofilamentos:** - En neuronas. - **Láminas nucleares:** - En todas las células nucleadas. - Todas tienen un dominio central α-helicoidal conservado y dos dominios globulares. - Ensamblaje y desensamblaje de filamentos intermedios - Región en hélice α del monómero. - Dímero sobreenrollado. - Tetrámero escalonado de dos dímeros sobreenrollados. - Asociación lateral de 8 tetrámeros (16 dímeros, 32 hélices α en disposición helicoidal). - Adición de 8 tetrámeros al filamento en crecimiento. - **Subunidad de polimerización → Tetrámero** - **Polaridad estructural?** - **Filamentos homopoliméricos →** Formados por las mismas proteínas. - **Filamentos heteropoliméricos →** Formados por proteínas distintas de la misma clase. - Polimerización no requiere unión a nucleótidos. - Las subunidades suelen estar casi en su totalidad ensambladas. - **Fosforilación de los péptidos →** Desensamblaje. - Investigaciones en células epiteliales y neuronas. - Microinyección de precursores marcados a células vivas. - Recambio de subunidades en los filamentos. - Incorporación a en sitios a todo lo largo del filamento, no en los extremos. ###### TIPOS, LOCALIZACIÓN Y FUNCIÓN - **Queratinas:** - Queratinas ácidas. - Queratinas básicas. - Forman heterodímeros (queratina ácida + queratina básica). - Filamentos heteropoliméricos. - **Cada tipo de epitelio expresa una combinación característica de queratinas ácidas y básicas** - Se denominan en general **Tonofilamentos**. - **Distribución en el citoplasma:** - Red alrededor del núcleo y en el citoplasma. - Unión a desmosomas y hemidesmosomas. - **Función:** - Distribuyen el efecto de las fuerzas locales - Proporcionan resistencia mecánica al tejido - Evitan ruptura de la membrana. - **Vimentinas y proteínas relacionadas (Tipo III)** - Pueden formar homopolímeros o heteropolímeros. - **Vimentina:** - Proteína muy conservada a lo largo de la evolución. - En células de origen mesenquimático - Células de los tejidos conjuntivos. - Células musculares. - **Distribución en citoplasma:** - Alrededor del núcleo. - Función. - Mantienen la localización del núcleo. - Sostienen las membranas. - Se asocian a microtubulos. - **Desmina:** - En células musculares. - Distribución compleja. - Organización de componentes celulares y del aparato contráctil. - Integración funcional de las células - **Proteína ácida fibrilar glial →** Gliofilamentos - En astrocitos y células de Schwann: - Forman haces compactos - **Neurofilamentos:** - Heteropolímeros formados por 3 péptidos: NF-L, NF-M y NF-H. - En neuronas. - **Distribución en citoplasma:** - Malla en el pericarion. - Haces paralelos longitudinales en los axones y dendritas. - **Función:** - Sostén y mantenimiento de la forma. - Determinan el grosor del axón directamente relacionado con la velocidad de transmisión del impulso. - **Láminas nucleares:** - Láminas nucleares A, B y C → Forman homopolímeros. - Dímeros → Tetrámeros → Filamentos → Malla. - Red de fibras → 50-80 nm de espesor. - **Lámina nuclear** - Asociada a envoltura nuclear. - **Congelación- grabado profundo** ###### PROTEÍNAS ASOCIADAS A FILAMENTOS INTERMEDIOS - Unen filamentos intermedios entre sí o con otras estructuras. - Organización de citoesqueleto de FI. - **Inespecíficas (Ej. Plectinas, Desmoplaquinas):** - Un extremo con lugar de unión para un filamento intermedio en: - Otro filamento intermedio. - Un microfilamento. - Un microtubulo. - La membrana plasmática. - **Asociadas a uno o dos tipos de filamentos intermedios.** - **Formación de haces →** - Ej. Filagrina (Queratinas). ## II. MATRIZ CITOPLASMÁTICA ### CONCEPTO, COMPOSICIÓN QUÍMICA Y PROPIEDADES - **Matriz citoplasmática, citosol o hialoplasma:** - Fase soluble del citoplasma que alberga orgánulos celulares, citoesqueleto e inclusiones citoplasmáticas. - Constituye el 55% del volumen celular. - **Composición química y propiedades:** - 70-85% agua. - Contiene en disolución o suspensión sustancias que no forman parte de los orgánulos celulares. - Productos del metabolismo intermediario celular - Aminoácidos - Nucleótidos - Monosacáridos.... - Proteínas (50% enzimas) - ARNm, ARNt, ARN de interferencia o silenciamiento (ARNip/siRNA) - Iones - **Consistencia de gel fluido** - **pH 7,2 - 7,4** ### FUNCIONES DE LA MATRIZ CITOPLASMÁTICA - **Mayoría de las reacciones del metabolismo intermediario celular:** - Vías metabólicas de la glucosa-6-fosfato - Glucolisis anaerobia - Gluconeogénesis - Glucogenogénesis y Glucogenolisis - Síntesis y maduración de proteínas (modificación por enzimas, plegamiento ayudado por chaperonas). - Degradación de proteínas (vía ubiquitina-proteasoma). - **Implicación en transducción de señales (formación de segundos mensajeros, fosforilación de proteínas diana)** - **Localización selectiva de ARNm (asociado a proteínas)** - **Silenciamiento génico por ARNip** ### INCLUSIONES CITOPLASMÁTICAS - **CONCEPTO:** - Productos de la actividad metabólica de la células visibles al microscopio. - (Estructuras inertes de la célula sin continuidad biológica, Paraplasma) - **MATAERIALES DE RESERVA** - **Glucógeno:** - Polímero ramificado de glucosa. - MO: PAS + - MET: Partículas electronodensas Ø15-30nm (aisladas o agrupadas) - Abundantes en células musculares y hepatocitos. - **Gotas lipídicas (oleosomas en c. vegetales):** - Triglicéridos de ácidos grasos insaturados (líquidos a temperatura corporal) rodeados de monocapa de lípidos anfipáticos y proteínas asociadas procedentes de membrana de RE - Citosol (perilipinas en c. animales. oleosinas en c. vegetales). - Electronodensidad variable. - Abundantes en: - Adipocitos, hepatocitos y fibras musculares - Células parenquimáticas que almacenan lípidos. - **PIGMENTOS** - **Melanina:** - Producida por melanocitos en epidermis, pelo e iris del ojo (pardo amarillento-negro). - **Lipocromo o lipofuscina:** - Derivado de la peroxidación lipídica de los lípidos de membranas celulares. - **MO:** amarillo-parduzco, en células "viejas” (hepatocitos, miocitos, neuronas) - **MET:** Rodeado de membrana (lisosomas secundarios, gránulos de lipofuscina). - **Hemosiderina:** - Resultado de la degradación de la hemoglobina (amarillento-pardo). - Células que fagocitan eritrocitos en bazo. - **INCLUSIONES CRISTALINAS:** - Naturaleza proteica (células animales). - Ejemplo: Cristales de Reinke en células de Leydig humanas. # Imágenes y esquemas obtenidos de: - Alberts, B., Bray, D., Hopking, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. Introducción a la Biología Celular. Editorial Médica Panamericana. 2004. 2ª Edición - Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. Molecular Biology of the cell. Garland Science. 2008. 5th Edition - Cooper, G.M., Hausman, R.E. La Célula. Marbán. 2014. 6ª Edición. - Fawcett, D.W. The Cell. Saunders Company. 1981. Second Edition. - Gartner, L.P., Hiatt, J.L. Histología. Texto Atlas de Histología. McGraw-Hill Interamericana.. 2002. 2ª Edición. - Karp, G. Biología Celular y Molecular. McGraw-Hill. 2014. 6ª y 7ª Edición. - Lodish, H. et al., Biología Celular y Molecular. Editorial Médica Panamericana. 2016. 7ª Edición - Megías, M., Moliner, P., Pombal, M.A. Atlas de Histología Vegetal y Animal. Universidad de Vigo. Accedido el 3-09-2021en https://mmegias.webs.uvigo.es - Paniagua R. et al. Histología Vegetal y Animal. McGraw-Hill Interamericana. 2007. 4ª Edición. - Ross, M.H., Kaye, G.I., Pawlina, W. Histología. Histology. A text and Atlas. Lippincott Williams and Wilkins. 2002. Fourh Edition. - Ross, M.H., Kaye, G.I., Pawlina, W. Histología. Texto y Atlas Color con Biología Celular y Molecular. Editorial Médica Panamericana. 2003. 4ª Edición.