Citoesqueleto

República Bolivariana de Venezuela Universidad del Zulia Facultad de Medicina Escuela de Bioánalisis Biología Celular

Citoplasma Es la porción de la célula que se en encuentra entre la membrana plasmática y la membrana nuclear. Formada por hialoplasma y los orgánulos celulares.

Citoplasma

Citoplasma Su función es albergar los orgánulos celulares y contribuir al movimiento de los mismos. El citosol es la sede de muchos de los procesos metabólicos que se dan en las células. Se divide en:  

Ectoplasma (Región externa) Endoplasma (Región interna)

Citoplasma

Citoesqueleto Compleja red de finos túbulos (microtúbulos) y diminutas fibras (microfilamentos) que forman el esqueleto interno de la célula, unidos entre si y a otras estructuras celulares por diversas proteínas accesorias. Red de filamentos proteicos del citosol que ocupa el interior de todas las células.

Citoesqueleto

Citoesqueleto Responsable de muchos de los movimientos celulares. Mantiene la estructura y la forma de la célula. Transporta sustancias entre las distintas partes de la célula.

Características del Citoesqueleto Se encuentra sólo en las células eucariontas. Estructura tridimensional que rodea al citoplasma Es sumamente dinámica, se reorganiza de manera continua a medida que la célula cambia de forma, se divide y responde a su medio ambiente. Ayuda a definir la forma de la célula e interviene en la locomoción y división celular. También es como el “músculo”, ya que interviene en el movimiento celular .

Citoesqueleto Membrana plasmática

Microfilamentos Mitocondria

Filamentos Intermedios

Retículo endoplasmático Microtúbulo Vesícula

Funciones del Citoesqueleto Estabilidad celular y forma celular. Locomoción celular. División celular. Movimiento de los orgánulos internos. Regulación metabólica

Composición del Citoesqueleto Microtúbulos

Filamentos de actina o microfilametos

Filamentos Intermedios

Composición del Citoesqueleto

Microtúbulos Son tubos proteicos huecos, largos y relativamente rígidos que tienen la capacidad de desensamblarse con rapidez en un sitio y ensamblarse en otro. Son estructuras tubulares de 25 nm de diámetro exterior y unos 12 nm de diámetro interior, que se originan en los centros organizadores de microtúbulos y que se extienden a lo largo de todo el citoplasma. Se hallan en las células eucariotas.

Funciones de los Microtúbulos Forma celular (Cilios y Flagelos) El transporte intracitoplasmático El movimiento de la célula División celular (Mitosis y Meiosis)

Estructura de los Microtúbulos Polímero de tubulina que forma tubos huecos rígidos. Es un dímero de éstas dos proteínas globulares: La alfa y la beta tubulina, las cuales se polimerizan. Éstos dímeros de tubulina se apilan unidos por enlaces no covalentes.

Ensamblaje de los Microtúbulos La polimerización o ensamblaje de los microtúbulos se nuclea en un centro organizador de microtúbulos. En ellos existe un tipo de tubulina, llamada γ-tubulina, que actúa nucleando la adición de nuevos dímeros, con intervención de otras proteínas reguladoras. Así, se considera la existencia de un complejo anular de γtubulina, siempre situado en el extremo + del microtúbulo.

Inestabilidad Dinámica Durante la polimerización, ambas unidades de tubulina se encuentran unidas a una molécula de guanosín trifosfato. El GTP desempeña una función estructural en la αtubulina, pero es hidrolizado a GDP en la βtubulina. Esta hidrólisis modula la adición de nuevos dímeros. Así, el GTP se hidroliza tras un lapso del tiempo, lo que permite que, si la adición de dímeros es rápida, se forme en el extremo (+) un casquete de β-tubulina unida a GTP, mientras que, de ser lenta, lo que se expone es tubulina unida a GDP. Pues bien: esta unión a uno u otro nucleótido es la que determina la velocidad de polimerización o despolimerización del microtúbulo. Así, un casquete en el extremo (+) con GTP favorece la elongación, mientras que uno de GDP, la despolimerización.

Polimerización e Inestabilidad Dinámica

Inestabilidad Dinámica En conclusión: El GTP es un proveedor de energía análogo al ATP que se une a tubulinas libres, sin polimerizar. Cuando la GTP se hidroliza a GDP, la tubulina GDP queda expuesta en los extremos de los microtúbulos, los cuales se desacoplan (despolimerizan). La tubulina GDP libre reconvertida en GTP presenta disposición para el re-acoplamiento (polimerizan). Microtúbulos cuyos extremos están incluidos en la GTP son estables y continúan su crecimiento. En cambio, los microtúbulos cuyos extremos incluidos en la GDP son inestables y despolimerizan rápidamente.

Centrosoma Es el centro organizador de microtúbulos. Existe Tanto en las células vegetales como animales aunque en las animales encontramos otro tipo de estructuras, llamadas centríolos, que son exclusivos para la célula animal. Está formada por dos cilindros perpendiculares llamados centríolos que están constituidos por nueve grupos de microtúbulos de una proteína llamada tubulina. Alrededor de éstos se dispone radialmente un conjunto de microtúbulos llamado áster (estructura en forma de estrella)

La composición proteica de la matriz centrosomal es sólo parcialmente conocida, e incluye una forma especial de tubulina llamada gama-tubulina (la cual puede interactuar con los dímeros de tubulina alfa y beta).

Funciones del Centrosoma Relacionadas con la motilidad celular y con la organización del citoesqueleto. Durante la división celular los centríolos se dirigen a polos opuestos de la célula, organizando el huso mitótico (o acromático). En el periodo de anafase los microtúbulos del áster estiran la célula y contribuyen a la separación de los cromosomas a cromátidas y a la división del citoplasma

Organización de los Microtúbulos Los microtúbulos se organizan a partir de centros organizadores especializados, que controlan su localización y orientación en el citoplasma. El centro organizador principal en las células animales es el centrosoma, próximo al núcleo. El centrosoma esta formado por estructuras en forma de anillo que contiene otra tipo de tubulina, la gama tubulina. Estos anillos actúan como centros de enucleación (crecimiento) de microtúbulos. Los dímeros de tubulina se añaden al anillos de gama tubulina con una orientación específica, siempre el "extremo -" de cada microtúbulo queda dentro del centrosoma y el crecimiento se produce por el "extremo +" .

Reorganización de los Microtúbulos durante la Mitosis En el momento en que una célula entra en mitosis, los microtúbulos se desensamblan y luego se reensamblan para formar una estructura compleja llamada el huso mitótico, quien aporta la maquinaria que permitirá la segregación y distribución equitativa de los cromosomas de las dos células hijas inmediatamente antes de la división celular.

Esquema del Huso Mitótico Los cromosomas quedan adheridos a los microtúbulos del huso por sus centrómeros y en la metafase todos los cromosomas quedan dispuestos en el plano ecuatorial de la célula en división (placa ecuatorial); durante la anafase, cada una de las cromátidas en que se divide un cromosoma es arrastrada hacia los polos de la célula por dichos microtúbulos.

Separación de los Cromosomas Mitóticos Para separar el ADN entre las dos células hijas, el primer paso que debe dar la célula es evitar que sus fibras, largas y finas, puedan romperse. El modo de conseguirlo es formar cromosomas, condensando los hilos de ADN. El siguiente paso es separar las dos cromátidas entre sí. Para ello, la célula cuenta con un sistema de arrastre "mecánico" constituido por los centríolos y un conjunto de microtúbulos que son capaces de arrastrar las cromátidas. Los microtúbulos se unen, para ello, a una estructura que se encuentra en el centrómero de los cromosomas y que se denomina cinetocoro.

Separación de los Cromosomas Mitóticos

Estabilización de los Microtúbulos El desensamblado de un microtúbulo que crece desde el centrosoma puede evitarse si su extremo (+) es estabilizado por la unión permanente de otra molécula o estructura celular que impida la despolimerización de la tubulina. Las MAPs (Proteínas Asociadas a los Microtúbulos) son las encargadas de dinamismo y estabilidad a los microtúbulos, siendo, por lo tanto, proteínas reguladoras de la función de los mismos. Estás también determinarán la forma y polaridad de la célula (ej. Axones)

Polaridad Celular Una importante característica de los microtúbulos es su polaridad. La tubulina polimeriza por adición de dímeros en uno o ambos extremos del microtúbulo. La adición es por unión cabeza con cola, en la formación de los protofilamentos. Así, se forman filas sesgadas de monómeros de α y β-tubulina en la pared, lo que provoca una polaridad global al microtúbulo. Debido a que todos los protofilamentos de un microtúbulo tienen la misma orientación, un extremo está compuesto por un anillo de α-tubulina (denominado extremo -) y, el opuesto, por un anillo de β-tubulina (denominado extremo +).

Estructuras Microtubulares Cilios

Flagelos

Centríolos

Cilios Son estructuras parecidas a las pestañas, que se extienden por la superficie de muchas células eucariontas. Son cortos y numerosos. Tanto cilios como flagelos están formados por microtúbulos pero éstos son ligeramente distintos a los microtúbulos citoplasmáticos; están dispuestos de una forma curiosa y diferencial.

Función de los Cilios La función primaria de los cilios es la de mover el fluido por encima de la superficie celular, o la de impulsar a la célula a través de un fluido.

Flagelos Los flagelos son apéndices largos y finos que se encuentran fijos a la célula por uno de sus extremos y libres por el otro extremo. Como son tan finos (20nm) no es posible visualizarlos por el microscopio óptico.

Estructura de los Flagelos Tiene forma helicoidal. El filamento del flagelo bacteriano está compuesto de subunidades de una proteína denominada flagelina. La forma y longitud de onda de un flagelo están determinadas en parte, por la estructura de la flagelina, y de algún modo también por la dirección de rotación de filamento.

Función de los Flagelos Flagelo

Los flagelos, que impulsan a los espermatozoides y a muchos protozoos, están diseñados para desplazar toda la célula a través de un fluido.

Centríolos Los centríolos son dos pequeños cuerpos huecos y cilíndricos de color oscuro. Se ubican próximos al núcleo y están presentes en las células animales y en las de algunos vegetales inferiores. Pueden originarse a partir de otro centríolo. La duplicación del centríolo se produce por la formación de un pro-centríolo hijo perpendicular al centríolo madre. Cada una de las parejas de centríolos esta formad por un centríolo viejo y uno joven.

Centríolo

Funciones de los Centríolos La formación y organización de los filamentos que constituyen el huso mitótico o acromático cuando ocurre la división celular. Durante el proceso de división de la célula, los centríolos se desplazan hasta colocarse a lados opuestos de la célula, es entonces cuando de cada uno surge un racimo de filamentos radiales al que se le denomina áster.

Filamentos de Actina También llamados microfilamentos son finas fibras de proteínas de 3 a 7 nm de diámetro. Están compuestos predominantemente de una proteína contráctil llamada actina.

Funciones de los Microfilamentos Tienen una misión esquelética. Son responsables de los movimientos del citosol. También son los responsables de la contracción de las células musculares.

Ensamblaje y Desensamblaje

La actina es la proteína base de los microfilamentos. El monómero es conocido como actina G, o actina globular. En presencia de ATP, se polimeriza formando largas hélices dobles, denominadas actina F, o actina filamentosa. Para que se lleve a cabo esta polimerización el ATP debe convertirse en ADP, liberando la energía necesaria para el proceso. La actina, presenta polaridad, tiende a polimerizarse (alargarse) y despolimerizarse (acortarse) a gran velocidad por un extremo más (el extremo positivo), y a realizar los mismos procesos por el otro extremo, menos (extremo negativo), a menor velocidad.

Actina La actina es una proteína globular que forma los microfilamentos. Se expresa en todas las células del cuerpo y especialmente en las musculares ya que está implicada en la contracción muscular, por interacción con la miosina. Puede encontrarse en forma libre, denominada actina G, o polimerizarse en microfilamentos o actina F, que son esenciales para funciones celulares tan importantes como la movilidad y la contracción de la célula durante la división celular.

Actina G

Actina F Microfilamento

Miosina La miosina es una proteína implicada en la contracción muscular, por interacción con la actina. La miosina es la proteína más abundante del músculo esquelético. Representa entre el 60% y 70% de las proteínas totales y es el mayor constituyente de los filamentos gruesos.

Movimiento celular Varios de los movimientos celulares dependen de la interacción entre filamentos de actina y la proteína motora miosina. La actina usa ATP como fuente de energía. En el caso de la contracción muscular, el ATP permite a la cabeza de la miosina extenderse y unirse al filamento de actina. Entonces la miosina se libera tras mover el filamento de actina en un movimiento de relajación o contracción mediante el uso de ADP.

Actina y Miosina

Organización de la Fibra Muscular

Organización de los Microfilamentos Los filamentos forman distintas proyecciones según la situación de la célula: Proyecciones dinámicas:  

a.- Lamelopodios b.- Anillo contráctil

Proyecciones estables 

Estereocilios

Organización de los Microfilamentos Proyecciones dinámicas: 

a.- Lamelopodios (con forma de lámina) y filopodios (forma filamentosa y que censa el ambiente para decidir si la célula avanza no), que son estructuras que protruyen de la membrana celular y que permiten el movimiento de la célula.

Organización de los Microfilamentos 

b.- Anillo contráctil: se forma cuando se está dividiendo la célula, una vez que los cromosomas se han separado, y estrangula la célula para dividirla en dos.

Organización de los Microfilamentos Proyecciones estables: permanecen en el tiempo. Son por ejemplo, los paquetes de estereocilios (están en la superficie de las células pilosas del oído interno) u otros arreglos que permiten la contracción muscular.

Estereocilios en un célula pilosa (oído)

Filamentos Intermedios Los filamentos intermedios son componentes del citoesqueleto, formados por agrupaciones de proteínas fibrosas. Su nombre deriva de su diámetro, de 10 nm, menor que el de los microtúbulos, de 24 nm, pero mayor que el de los microfilamentos, de 7 nm. Son ubicuos en las células animales, y no existen en plantas ni hongos.

Funciones de los Filamentos Intermedios Su función principal es darle rigidez a la célula. La función depende de la composición y la localización de los filamentos. Las laminas nucleares además de darle rigidez al núcleo participan en la regulación de transcripción. Otros miembros, las queratinas, participan en algunas uniones celulares (desmosomas).

Tipos de Filamentos Intermedios Neurofilamentos, (o neurofibrillas) en la mayoría de las neuronas. Filamentos de desmina, en el músculo. Filamentos gliales, en las células del mismo nombre, que sirven de soporte en el cerebro, médula espinal y sistema nervioso periférico. Filamentos de vimentina, en células del tejido conjuntivo y en los vasos sanguíneos. Queratinas epiteliales, (o filamentos de queratina o también llamados tonofilamentos), en células epiteliales. Laminofilamentos, forman la lámina nuclear, una delgada malla de filamentos intermedios sobre la superficie interna de la envoltura nuclear. Son los únicos que no se encuentran en el citoplasma

Proteínas de los Filamentos Intermedios Tipo I y Tipo II – Queratinas Acidas y Básicas 

Citoqueratina: También llamado tonofibrilla, es una de las proteínas fibrosas que forman los filamentos intermedios del citoesqueleto intracelular en particular de células epiteliales (incluyendo mucosas y glándulas), así como en las uñas, pelo y en las plumas de los animales. Su función principal es la organización de la estructura tridimensional interna de la célula (por ejemplo, forman parte de la envuelta nuclear y de los sarcómeros), forman una barrera rígida la cual evita la entrada de microorganismos. Esa misma barrera cumple la vital función de retener agua dentro de las células. También participan en algunas uniones intercelulares (desmosomas).

Proteínas de los Filamentos Intermedios Tipo III: 





Desmina: Es una de las proteínas de tipo III de los filamentos intermedios del citoesqueleto intracelular en particular de células musculares, tanto estriadas como lisas. Se encuentra cerca de la línea Z de los sarcómeros de las miofibrillas musculares, funcionando como un soporte estructural. También participan en algunas uniones intercelulares (desmosomas) principalmente en las células musculares cardíacas. La proteína fibrilar acídica de la glia, también llamada proteína gliofibrilar ácida (GFAP), es una de las proteínas fibrosas que forman los filamentos intermedios del citoesqueleto intracelular, en particular de células gliales como los astrocitos y células de Schawann. La Vimentina es una de las proteínas fibrosas que forman los filamentos intermedios del citoesqueleto intracelular en particular de células embrionarias, ciertas células endoteliales, así como en las células sanguíneas. Los monómeros de vimentina se enrollan una con la otra formando una fibra estable lo cual es crítico para sus labores.

Proteínas de los Filamentos Intermedios Tipo IV: 

Neurofilamentos: Forman parte de las proteínas fibrosas que integran los filamentos intermedios del citoesqueleto intracelular y se ubican justo por debajo de la membrana citoplasmática. Su función principal es la de proveer el más rígido de los soportes citoesqueléticos de los axones. Sus redes tridimensionales también se extienden a las dendritas y al cuerpo neuronal.

Tipo V: 

Láminas: Son proteínas fibrosas que proveen una función estructural y regulación transcripcional a los núcleos celulares. Se localizan en dos regiones del núcleo celular: La lámina nuclear y la envoltura nuclear (carioteca).

Ensamblaje de los Filamentos Intermedios Se componen de proteínas en alfa-hélice, que se agrupan de forma jerárquica para dar lugar a los filamentos intermedios: 





Dos proteínas se asocian de forma paralela, es decir, con los extremos amínico y carboxílico hacia el mismo lado. Dos dímeros se asocian de forma antiparalela para dar un tetrámero Los tetrámeros se asocian cabeza con cola para dar largas fibras, que, además, se asocian lateralmente para dar:

El filamento intermedio, se asemeja a una cuerda formada por las hebras de tetrámeros unidos cabeza con cola. La unidad funcional que se considera precursor, por su elevada estabilidad en el citosol, es el tetrámero.

Organización intracelular Los filamentos intermedios forman redes que conectan la membrana plasmática con la envoltura nuclear, formando una red continua a su alrededor. Una red similar se encuentra en la cara interna de la envoltura (lámina nuclear)

Enfermedades de la Queratina Epidermolisis bullosa simple: La epidermolisis bullosa simple (EBS) fue el primer trastorno hereditario identificado. Hasta la fecha se han reconocido 18 mutaciones en genes de queratina asociadas con patología en el hombre. La EBS es una de las tres formas principales de epidermolisis bullosa (EB). Las otras dos formas son la EB de la unión y la EB distrófica. La formación característica de ampollas intraepidérmicas en la EBS se debe a la citolisis en la región subnuclear de los queratinocitos basales. La EBS normalmente se hereda en forma autosómica dominante. Se la considera la forma más leve de EB y tiene una incidencia aproximada de 1 en 50000.

Enfermedades de la Queratina Eritrodermia bullosa ictiosiforme congénita (EBIC) También se la conoce como hiperqueratosis epidermolítica. Se presenta con eritrodermia y formación de ampollas desde el nacimiento, con progresión a hiperqueratosis generalizada grave en la vida adulta. La citolisis tiene lugar en las capas suprabasales de la epidermis, en forma diferente de lo que ocurre en las EBS. Estructuralmente, las células basales son normales mientras que en las células suprabasales hay agrupamiento de tonofilamentos con colapso del citoesqueleto.

Enfermedades de la Queratina Ictiosis bullosa de Siemens Es una forma de hiperqueratosis epidermolítica con engrosamiento epidérmico y formación de ampollas superficiales, principalmente en las zonas de flexión. Se ha observado agregación de los tonofilamentos y citolisis que se limitan a las capas superficiales espinosa y granular de la epidermis.

Enfermedades de la Queratina Paquioniquia congénita (PC) Incluye un espectro de displasias ectodérmicas con distrofia hipertrófica ungueal como hallazgo principal. Se hereda en forma autosómica dominante y se clasifica en dos tipos: PC-1 y PC-2. 



En la PC-1 hay además queratodermia no epidermolítica de palmas y plantas y leucoqueratosis oral. La microscopia electrónica revela tonofilamentos anormales en los queratinocitos suprabasales. En la PC-2 se observan quistes pilosebáceos múltiples que aparecen en la pubertad.

Enfermedades de la Queratina Trastornos de la queratina no epidérmica 



El nevus blanco es un trastorno benigno autosómico dominante, por mutaciones en K4 o K13. La distrofia corneal epitelial de Meesmann se hereda en igual forma. Se caracteriza por la presencia de quistes intraepiteliales en la córnea anterior, llenos de restos intracelulares y, probablemente, agregados de queratina. Se inicia durante la infancia pero puede comenzar más tardíamente. El trastorno habitualmente es asintomático y no hay alteraciones visuales. Los enfermos, por la fragilidad de la córnea, pueden no tolerar lentes de contacto.

Nevus Blanco

Enfermedades de la Queratina Trastornos de la queratina del cabello 

El moniletrix es una patología autosómica dominante infrecuente con expresión fenotípica variable, desde pérdida leve del cabello hasta alopecia casi completa. La microscopia electrónica revela defectos en la estructura de los microfilamentos del cabello. Puede haber queratosis folicular y anormalidades de las uñas.

Enfermedad del Sistema Nervioso La enfermedad de Alzheimer: Es una enfermedad neurodegenerativa devastadora, caracterizada clínicamente por un inicio insidioso, un declive progresivo que las funciones cognitivas con un pérdida fatal en último término de las funciones mentales. Esta lesiones consisten en placas neuríticas compuestas por depósitos extracelulares de beta-amiloide (placas de b-amiloide) y por ovillos intereuronales formados por neurofibrillas consistentes en filamentos enrollados de la proteína tau citoesquelética.

Enfermedad del Sistema Nervioso Placas Neuríticas

Estos dos procesos degenerativos, se potencializan y provocan una degeneración de las células nerviosas implicadas en la memoria y las funciones cognitivas superiores Placas neuríticas Ovillos de neurofibrillas: El segundo proceso degenerativo que tiene lugar en la enfermedad de Alzheimer. En este proceso están implicadas la proteínas tau, por lo que muchas veces las enfermedades en las que se observa la formación de neurofibrillas se denominan taupatías. Ovillos neurofibrilares

Enfermedad del Sistema Nervioso En 1963, se descubría que los ovillos de neurofibrillas eran estructuras filamentosas acumuladas en el citoplasma de las neuronas degeneradas, filamentos que fueron denominados "parejas de filamentos helicoidales" o PHFs. Estos filamentos están formados por microtúbulos citoesqueléticos asociados a las llamadas proteínas tau, que pertenecen a la familia de la "Proteínas asociadas a los microtúbulos" o MAP