Tema 6 Citoesqueleto PDF

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TEMA-6.pdf Anafase Células, Tejidos y órganos 1º Grado en Bioquímica Facultad de Ciencias Universidad Autónoma de Madrid Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  1º Bioquímica Células, tejidos y órganos TEMA 6: CITOESQUELETO. MICROFILAMENTOS DE ACTINA 1. Componentes del citoesqueleto En orden de menor a mayor diámetro nos encontramos:  Microfilamentos: se producen por la polimerización de actina. Miden aprox 7nm de diámetro.  Filamentos intermedios: son estructuras macizas de 8-12nm de diámetros. Son diferentes en función del tipo celular.  Microtúbulos: formados por α y β tubulina. Se asocian formando una estructura tubular (su interior es hueco). Estas estructuras tienen 25nm de diámetro. 2. Microfilamentos de actina Se encuentran en todos los tipos celulares y participan en cambio de morfología y movimientos celulares. En vertebrados, la actina presenta 3 isoformas diferentes:  α: presente en células musculares. La actina α tiene 4 subtipos que coinciden con la actina que hay en los diferentes músculos: - Esquelético - Liso vascular - Liso no vascular - Cardíaco.  β En todos los tipos celulares  γ La actina monomérica polimeriza y constituye estos filamentos junto con proteínas asociadas (permiten la dinámica de los filamentos). Tanto en células musculares y no musculares su composición es:  Doble hélice de moléculas globulares de actina G (actina no polimerizada).  Cada actina G tiene 5nm de diámetro y un peso de 42kDa.  Al polimerizar la actina G forma la actina F (actina filamentosa). 2.1. Células musculares Para desarrollar su actividad contráctil posee una proteína asociada que es la miosina, formando la siguiente estructura: 1 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6383631 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  1º Bioquímica Células, tejidos y órganos  Actina: filamentos delgados.  Miosina: filamentos gruesos. Esta estructura es exclusiva del musculo estriado esquelético. La miosina tira de los filamentos de Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. actina para provocar la contracción. Esta estructura es fija porque las células deben contraerse constantemente. 2.2. Células no musculares En un fibroblasto o célula endotelial la actina representa el 10% de sus proteínas. Sus filamentos son fácilmente visibles por inmuno-marcaje: AC o mediante drogas (fluorescencia). Los filamentos de A de las células no musculares son estructuras dinámicas (se polimerizan y despolimerizan constantemente). Dinámica de los microfilamentos Para que la actina G forme actina F se requiere que la actina G esté unida a ATP (actina-G-ATP). Cuando está unida a ATP es capaz de polimerizar. Cuando el ATP de un filamento de actina se hidroliza a ADP, se vuelve una molécula muy inestable, pierde la afinidad por los filamentos de actina y se suelta. En el extremo + de un filamento se va polimerizando actina y decrece por el extremo -, porque se sueltan los monómeros de actina que han hidrolizado ATP. A esto se le denomina Reloj Molecular. Reloj molecular: Con el tiempo, los monómeros de actina viejos con ADP son inestables y despolimerizan (pierden afinidad). Esta dinámica no está regulada por una proteína, es espontánea. Si no se incorpora actina con ATP, con el tiempo, el microfilamento desaparece. La despolimerización no requiere ni fosforilación ni hidrolisis de ATP, es un proceso temporal, pero la actina G-ADP libre necesita intercambiar ADP por ATP para poder volver a unirse en al extremo +. La polimerización y despolimerización de la actina puede ser alterada por diferentes drogas:  Citocalasina: se une por el extremo + e induce despolimerización ya que no puede incorporarse actina G-ATP.  Faloidina: se une lateralmente al filamento de actina y lo deja estático; por lo que, ni se crea ni se destruye actina. 2 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6383631 si lees esto me debes un besito  1º Bioquímica Células, tejidos y órganos 3. Proteínas que interactúan con actina 3.1. Miosina La miosina presenta muchas isoformas diferentes y de momento se han estudiado 18. La proporción de miosina en fibroblastos es un 2,5% de sus proteínas. La miosina siempre está Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. relacionada con la actina. Nos centraremos en 3 miosinas:  Miosina I: 1 cadena pesada y 3 cadenas ligeras (minimiosina). La cadena pesada interacciona con la actina por la cabeza globular y las ligeras regulan el funcionamiento de la miosina.  Miosina II: 2 cadenas pesadas (asociadas helicoidalmente a través de sus colas) con 2 cadenas reguladoras cada una y 4 cadenas ligeras. Forma los filamentos gruesos presentes en células musculares.  Miosina V: 2 cadenas pesadas (asociadas helicoidalmente) con extremos abiertos y 8 cadenas ligeras. Interactúa con la actina por la cabeza globular de la cadena pesada y el extremo opuesto interactúa con otro elemento celular. 3.2. Espectrina La espectrina es una proteína citoesquelética que recubre el lado intracelular de la membrana plasmática de células eucariotas. Está formada por cadenas α y β unidas helicoidalmente. La espectrina aparece en todos los tipos celulares. Forma hexágonos, generando una estructura en forma de andamio debajo de la membrana celular. Se ancla a la membrana a través de proteínas transmembrana, asociándose a ellas a través de proteínas puente:  Banda 3 (proteína transmembrana) → anquirina y banda 4.2 (proteínas puente)  Glicoforina (proteína transmembrana) → filamentos cortos de actina y banda 4.1 (proteínas puente) El citoesqueleto de espectrina participa en moldear la membrana; por lo que, es especialmente importante en células sanguíneas. Ej: Los eritrocitos deben tener una membrana muy maleable para poder pasar a través de los capilares. Alteraciones en el citoesqueleto de espectrina: ESFEROCITOSIS HEREDITARIA. Se produce por mutaciones en espectrina (más frecuente), aunque también se pueden producir en banda 3, banda 4.2 y anquirina. En esta patología, los eritrocitos pierden la flexibilidad de 3 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6383631 si lees esto me debes un besito  1º Bioquímica Células, tejidos y órganos su forma y se convierten en células esféricas que no pueden cambiar su forma (se degradan en el bazo). Esta patología disminuye la elasticidad y deformabilidad de los eritrocitos. El síntoma que se manifiesta es anemia crónica. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. 4. Organización de los microfilamentos en la célula Monómeros libres forman filamentos de actina que se pueden romper para formar filamentos cortos de actina o se pueden unir formando entramados de actina (prácticamente perpendiculares) y formando haces (puestos paralelos). Tienen que existir proteínas que sean capaces de modificar estos estados de la actina en la célula. Los diferentes estados de organización de la actina se traducen en diferentes estados celulares:  Córtex: en la zona cortical de una célula la actina está en forma de GEL (estado de gel o gelación), formado por redes de filamentos.  Citoplasma: en el citoplasma la actina está en estado de SOL (solación o soluble), formado por monómeros o fragmentos cortos. 4.1. Actina cortical o subcortical Aparece por debajo de la membrana plasmática y la diferencia con otros filamentos de actina es que es estable, no tiene tanta dinámica. Esta actina, como la espectrina, va a estar anclada a receptores transmembrana que son capaces de regular la disposición de la actina cortical. Se ancla a la membrana (no implica movimiento celular) a través de proteínas ERM. Sin embargo, si cambiamos estas proteínas (ERM) por integrina, talina y vinculina, tenemos una adhesión focal (la actina deja de ser estática y pasa a ser dinámica, ya no es cortical). Esta puede modificar la dinámica de la actina y que cambie su estructura. Los cambios de la actina vienen ligados por el ligando ECM, que se une a la integrina. La integrina transmite señales para que se mueva el citoesqueleto. 4.2. Entramados de actina Los filamentos están entrecruzados entre sí gracias a WASp (permite la polimerización de filamentos) y a un complejo proteico de 7 proteínas llamado ARP2/3 (las subunidades ARP2 y 4 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6383631 si lees esto me debes un besito  1º Bioquímica Células, tejidos y órganos ARP3 presentan homología con la G-actina). Dicha homología permite a ambas unidades comportarse como agentes nucleantes de polimerización de los monómeros de G-actina y F- actina. En su estado basal, WASp está autoinhibida. Una proteína se une a WASp y la activa. Cuando WASp se activa tiene afinidad por ARP2/3 y se une a ella, induciendo su unión con la actina (la activa), y también se une a actina G. Cuando ARP está unido a la actina, WASp favorece la unión de un monómero de G-actina para que comience la polimerización. Los monómeros de actina se unen primero a la subunidad ARP2 y luego a la ARP3 y así se van incorporando los monómeros. 4.3. Filamentos paralelos Forman haces cuyos filamentos tienen mayor longitud que cuando forman las redes. Esta formación de haces va a ser gracias a la unión de proteínas puente que unen filamentos de forma paralela. Según la proteína puente que forme los haces estos filamentos van a ser contráctiles o no. α-actinina forma haces paralelos de actina contráctiles. Si la proteína puente no deja suficiente espacio entre los filamentos para que se una la miosina, los filamentos no serán contráctiles. A esto se les denomina fibras de estrés. 5. Regulación de la dinámica de los filamentos de actina 5.1. Proteínas reguladoras de la dinámica de los microfilamentos Profilina (pro-filamento) Se una a actina G favoreciendo su polimerización. Acelera el crecimiento de un filamento porque va a tener mucha disponibilidad de actina G-ATP. Para la formación de un filamento, primero se debe crear un núcleo de monómeros de actina. Actina unida a profilina no forma el núcleo. Una vez formado, entonces sí que favorece su polimerización. Timosina (Tbeta4) Evita la unión de la actina G unida a ATP al filamento, impidiendo su polimerización. 5 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6383631 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  1º Bioquímica Células, tejidos y órganos Cofilina La cofilina es una proteína de corte. Se une a la actina ADP en el extremo – del filamento y favorece la despolimerización de los filamentos de actina. Si cofilina se mantiene unido a la actina G-ADP, impide que este ADP se intercambie a ATP. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Cofilina se activa o desactiva en respuesta a una señalización celular debido a que cuando una quinasa la fosforila, se inactiva, y cuando está defosforilada, se activa. Gelsolina La gelsolina es una proteína globular que induce el traspaso de estado de GEL a SOL. En presencia de Ca2+ se une y fracciona los filamentos de actina. Además de cortarlo, lo capea uniéndose al extremo - e impide su despolimerización. De esta manera induce la transición de estado de GEL a estado de SOL. Como ocurre por presencia de Ca2+, ocurre como respuesta a una señal. Filamina La filamina es un homodímero (unión de dímeros iguales) que permite la unión de filamentos de actina de forma perpendicular. Se dispone a lo largo de filamentos de actina de forma perpendicular a ellos. Hace lo contrario que gelsolina, porque participa en la transición de SOL (líquido) a GEL (sólido). En función de la presencia de gelsolina o filamina el citoplasma se encontrará en un estado u otro. Tropomiosina La tropomiosina es un homodímero que se asocia a la actina de manera helicoidal, enrollándose a un filamento y favoreciendo la agregación de estos formando haces. Hay muchas isoformas de la tropomiosina. Se adosa longitudinalmente, estabiliza al filamento e inhibe la formación de redes. Actinina-α Forma puentes transversales entre filamentos de actina estabilizados por tropomiosina. Quedan separados los filamentos 30-40nm y permite la interacción de miosina II. De esta manera se generan fibras contráctiles, pero para ello se necesita que los filamentos tengan polaridad alternante (cada filamento posee una carga u otra en los extremos). 6 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6383631 si lees esto me debes un besito  1º Bioquímica Células, tejidos y órganos Fimbrina Es una proteína que forma puentes entre haces de filamentos de actina, dejando una separación de 10-20nm, por lo que no permite la interacción de miosina y forma filamentos no contráctiles. En este caso, los filamentos tienen la misma polaridad y son estáticos. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Cuando crece por polimerización del extremo +, empuja la membrana plasmática y se forma una proyección (microvellosidades). Luego se unirán proteínas que los mantendrán estables. Aunque los filamentos sean estáticos, estas microvellosidades tienen una cierta movilidad lateral, no contráctil. Villina Es una proteína con una función dual: 2 funciones opuestas. Depende de Ca2+, por lo que actúa en respuesta a una señalización.  Cuando no hay Ca2+, villina se une paralelamente a los filamentos de actina en forma de dímero formando haces.  En presencia de Ca2+, actúa como gelsolina en el sentido de que corta los filamentos de actina (transición de GEL a SOL), aunque no los capea. Para ello, cambia su estructura: se divide el dímero y corta la actina. 6. Relación actina-miosina en células no musculares  Miosina I (minimiosina): por la cadena ligera se une a la membrana y permite que se produzca un desplazamiento lateral (movimiento lateral de microvellosidades dependiente de ATP). Por su dominio globular se une a la actina.  Miosina II: es necesario tener la proteína puente que deje que se ponga entre filamentos y así hacerlos contráctiles. Se formarán haces contráctiles.  Miosina V: por el otro extremo se une a la membrana de una vesícula. De esta forma, permite que la vesícula se transporte por el citoplasma usando como vía de movimiento un filamento de actina (tráfico vesiular). La miosina V se une al filamento de actina por el dominio globular. Ej: en endocitosis, cuando la dinamina no es suficiente para romper la membrana, se forma un entramado contráctil de actina y miosina II (ayuda al englobamiento final de las vesículas). 7 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6383631 si lees esto me debes un besito  1º Bioquímica Células, tejidos y órganos 6.1. Función fundamental de citoesqueleto de actina en células no musculares El citoesqueleto de actina permite el movimiento celular (desplazamiento de la célula por el sustrato), en respuesta a una señal celular. En función de la dinámica de actina puede ser:  Movimiento ameboide: similar al de una ameba. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  Movimiento mesenquimal: las mesénquimas son las células menos diferenciadas (fibroblasto). Es más complejo. CARACTERÍSTICAS MOVIMIENTO AMEBOIDE MOVIMIENTO MESENQUIMAL Velocidad Rápido (10μm/min) Lento (1μm/min) Múltiple, con lamelipodios y Polaridad Definida, con frente y cola filopodios. Baja (esa adhesión no es central en Alta, se unen a la MEC mediante Adhesión el movimiento). adhesiones focales. Estado Lamelipodios y filopodios en la zona citoesqueleto Hay una transición de GEL a SOL. anterior y filamentos contráctiles en la de actina posterior. Deslizamiento entre los elementos Migración Tracción por mecanismos de adhesión. de la MEC. Receptores Ligados a proteínas G Autocatalíticos implicados Movimiento ameboide Se emite un seudópodo hacia adelante, tras el cual se desplaza el citoplasma, retrayéndose a la zona posterior. Cuando el citoplasma ocupa el lugar que ocupaba el pseudópodo, se forma uno nuevo y así continúa el avance de la célula. El movimiento ameboide lo realizan macrófagos, neutrófilos, linfocitos T y células dendríticas. Se observa una polaridad en la célula:  Ectoplasma: es la zona posterior de la célula. La consistencia del citoplasma es tipo gel (redes y haces de actina). Si se comienza a degradar se crea un flujo de actina G monomérica hacia la zona anterior, formando el seudópodo.  Endoplasma: región interior y zona posterior al frente de avance. Está en estado de sol con un predominio de monómeros de actina G y pequeños filamentos de actina F. 8 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6383631 si lees esto me debes un besito  1º Bioquímica Células, tejidos y órganos Es dependiente de gelsolina y filamina:  Parte anterior: actúa filamina.  Parte posterior: actúa gelsolina, por lo que hay mayor concentración de Ca2+. En el ectoplasma aparece miosina (contracción). Tira de los filamentos hacia la parte anterior de la célula. Movimiento mesenquimal Es un mecanismo altamente regulado para evitar metástasis. Implica la creación de proyecciones que deben establecer contacto pasajero con el sustrato:  Lamelipodio: son proyecciones laminares (estructura palmar, plana) de contorno ondulado. A partir de esta estructura aparecen filopodios. Es una estructura estable.  Filopodios: tienen forma de dedos. Son prolongaciones a modo de espinas. Si el filopodio no encuentra sustrato se retrae (desaparece), por lo que no es estable. Sobre filamentos de actina existentes, ARP2/3 genera nuevos filamentos de actina (situados a 70º), formando el lamelipodio. También participa CAP-Z. A partir de este se produce el filopodio. Para ello es necesario la presencia de otras proteínas:  Ena/VASP: recluta complejos de nucelación y factores de iniciación. También promueve el ensamblaje de actina F facilitando la unión de actina G-profilina y evitando la unión de CAP-Z (si se une Ena/VASP, no se une CAP-Z y viceversa).  Formina: se sitúa alrededor de filamentos de actina en el extremo +, recogiendo actina G unida a profilina. De esta forma, permite que se produzcan filamentos de actina rápidamente. Mecanismo del movimiento mesenquimal: 1. Unión del lamelipodio con el sustrato (crea adhesiones focales, que son uniones dinámicas). 2. Unión del filopodio con el sustrato. 3. Después, la célula entera avanza hacia delante, tras el lamelipodio. 4. La parte trasera se retrae gracias a fibras contráctiles de actina. Para ello, se rompen las adhesiones de la zona posterior para que la célula se desplace. 9 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6383631 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.