Citoesqueleto I (22/Abril)

Citoesqueleto I (22/Abril)

DEF: Es una red compleja de distintos filamentos proteicos que se extienden a travs del citoplasma de la clula eucarionte.En algunas bacterias se han descrito distintas protenas que podran ser un esbozo de una especie de citoesqueleto. Estas protenas son muy parecidas a las protenas del citoesqueleto eucarionte. Nos quedamos con que el citoesqueleto es propio de clulas eucariontes. Funciones: Organizacin de los componentes celulares, da la estructura interna de la clula, reparte los organelos en diferentes lados y da las posiciones de estos. Variedad de formas de los distintos tipos celulares, se encarga de la mantencin de las distintas formas. Movimientos celulares coordinados tienen que ver con la migracin de las clulas por ejemplo en el desarrollo embrionario. O la migracin de clulas frente a impulsos quimiotcticos (cuando son llamadas a un sector de nuestro organismo). O cambios de forma en fagocitosis o diapedesis.

El citoesqueleto se denomina Dinmico porque parte de sus componentes (filamentos de actina y microtbulos) son dinmicos, es decir, cambian de forma, estn constantemente en un proceso de polimerizacin o depolimerizacin.

Los componentes del citoesqueletoSon 3 tipos de filamentos que forman la red del citoesqueleto.Microtbulos: Son los filamentos ms gruesos, alcanzan un mayor dimetro. C/u de ellos tiene una protena especfica que hace la estructura del filamento, y c/u de ellos tambin tiene una distribucin especfica dentro de la clula. La protena que los conforma es la Tubulina la cual polimeriza y forma unos cilindros y esos cilindros son los de mayor dimetro del citoesqueleto.

Filamentos intermedios: Tienen un dimetro intermedio. Se caracterizan por ser muy resistentes porque se unen a una especializacin de membrana: los desmosomas. Todos estos se renen en un punto de contacto entre dos clulas adyacente, este punto es una estructura proteica a nivel de membrana (desmosomas) donde se insertan estos filamentos. A travs de estos otorgan la resistencia. Los conforma la protena fibrosa.Filamentos de actina: o microfilamentos porque son el componente de menor dimetro del citoesqueleto. Se encuentran generalmente asociados al cortex celular en la periferia de la clula anclados a algunos puntos de este; y formando parte de la estructura de algunas microvellosidades, siendo responsables de que esas clulas mantengan esa forma. La protena que los conforma es la Actina.FILAMENTOS INTERMEDIOSEstn insertos en un punto de membrana el desmosoma. Y adems son el nico componente del citoesqueleto que se encuentra en el ncleo de una clula eucarionte, formando una estructura que tiene como funcin el soporte de la envoltura nuclear denominada Lmina nuclear. Asociado a la cara interna de la envoltura nuclear, est dentro del ncleo.Funcin: Otorgar resistencia al estrs mecnico. Son particularmente importantes en clulas que suelen estar sometidas a este tipo de estrs como: neuronas donde el axn largo debe estar sostenido por algo para mantenerlo intacto. Clulas musculares que estn en un proceso constante de contraccin y relajacin. Tambin a nivel de la piel que est constantemente sometida a estrs mecnico.Caractersticas: Constituidos por protenas fibrosas que son distintas para distintos tejidos. Hay protenas fibrosas especficas para cada tipo de tejido. Son rgidos y resistentes. Tienen un dimetro de 10 nm.Estas protenas fibrosas van a polimerizar para formar el filamento intermedio. Tiene una estructura bsica de un dominio central helicoidal con un alfa hlice, y tiene dos dominios globulares en sus extremos (en el extremo amino y carboxi) (A). Esta estructura fibrosa larga le permite que cuando polimeriza y forma un dmero se sobre enrolle. Todo el dominio helicoidal de una protena se sobre enrolla con el dominio helicoidal de otra protena y forma el dmero (B). Luego estos dmeros se sobre enrollan con otros dmeros y forman tetrmeros (C). Y estos tetrmeros se unen fuertemente en sus dominios globulares, a travs de una complementacin entre los extremos amino y carboxi entre tetrmeros (D). Esto se vuelve a sobre enrollar hasta que finalmente se obtiene como estructura bsica de un filamento intermedio un verdadero cordn sobre enrollado (E). Y esa estructura nos explica porqu los filamentos intermedios son resistentes y rgidos. Este cordn mientras ms sobre enrollado es ms rgido.

Clasificacin de los filamentos intermediosSegn su ubicacin dentro de la clula hay filamentos intermedios citoplasmticos o nucleares.Filamentos intermedios nucleares: Estn estructurados como todos los filamentos intermedios, y su protena fibrosa que es la que polimeriza y se sobre enrolla se llama protena de la lmina nuclear. Est presente en todas las clulas nucleadas formando el soporte. (Estos filamentos son una analoga con el cortex celular y la membrana plasmtica)

Filamentos intermedios citoplasmticos: Estn conformados por distintas protenas fibrosas que polimerizan de la misma forma, pero se llaman distinto por diferencias en su estructura primaria, por diferencias estructurales mnimas. El nombre de esta protena fibrosa citoplasmtica depende del tejido en el que se encuentra.

Proteina fibrosa que constituye filamentos intermedios citoplasmticos.Lugar donde se encuentra

KeratinaClulas epiteliales.

Vimentina y protenas relacionadas a la vimentina o vimentina Light.Tejido conectivo, clulas musculares, y clulas de la neurogla.

Proteina del neurofilamento neuronas

Estas diferencias en las protenas fibrosas que constituyen los filamentos intermedios citoplasmticos de los distintos tipos celulares, sirven y se ha aplicado en biopsia o estudio de un tumor. Cuando hay clulas malignas, mantienen caractersticas bsicas estructurales de la clula que se transform en maligna. Los tumores se pueden reconocer de que tejido vienen al hacer una tincin especfica contra la protena de los filamentos intermedios. La clula tumoral que por proceso de metstasis se puede encontrar en cualquier parte de nuestro organismo, pero que viene de un tumor original, para saber de donde viene ese tumor original se utiliza desde hace mucho tiempo la identificacin de la protena del filamento intermedio. Se hace con anticuerpos marcados con oro coloidal para microscopia electrnica o anticuerpos marcados para microscopia de fluorescencia, para determinar el origen de la clula tumoral. Se utilizan anticuerpos anti keratina, anti vimentina y otros (ya que las keratinas son una familia de varias protenas igual que las vimentina)Los filamentos intermedios en la lmina nuclearEn el dibujo son los azules asociados a la cara interna de la envoltura nuclear. Estn asociados a la cara interna de la membrana interna del ncleo. Lo caf es cromatina y lo azul es la lmina nuclear. Los filamentos intermedios forman una red bidimensional como un tejido.Desensamblaje y ensamblaje durante la divisin celularTienen una participacin fundamental en el ensamblaje y desensamblaje del ncleo cuando la clula se est dividiendo. Durante una fase de la mitosis el ncleo se desensambla, la envoltura nuclear desaparece para permitir que los cromosomas duplicados se puedan separar. Los filamentos intermedios que forman la lmina nuclear de ese ncleo, son los que dirigen este desensamble gracias a una fosforilacin. Hay una seal que se gatilla durante el proceso de la mitosis que activa a una kinasa que va a fosforilar a las protenas de la lmina nuclear. Estas protenas fosforiladas cambian su estructura y pierden afinidad por las otras protenas de la lmina nuclear, por lo tanto, la lmina nuclear se desarma. Y como la envoltura nuclear est ntimamente asociada a la lmina, eso lleva a que la envoltura nuclear tambin se desensamble y desaparezca en una fase especfica de la mitosis. Como la lmina es el soporte de la envoltura nuclear, al desarmarse la primera, lo hace tambin la segunda.En una fase especfica de la mitosis desaparece la envoltura nuclear, se separan los cromosomas. Pero al final de la mitosis se deben reorganizar dos ncleos nuevos alrededor de cada uno de los conjuntos de cromosomas que se separaron. Lo que gatilla que se reorganice la envoltura nuclear es la defosforilacin de las protenas de la lmina. Una fosfatasa saca los grupos fosfatos de las protenas de la lmina y se reorganiza la envoltura nuclear

Si no se fosforilan las protenas la envoltura no se desarma y la mitosis falla. Lo mismo si no se defosforila.

Los filamentos intermedios otorgan a los tejidos la resistencia a la tensin mecnica.Esto se puede ver e imaginar en los epitelios. Las clulas epiteliales se encuentran unidas a travs de desmosomas que le dan resistencia al epitelio por ejemplo a nuestra piel q podemos tirarla y pellizcarla y se mantiene unida. Esto falla por ejemplo en la patologa de epidermolisis bullosa simple.Las epidermolisis bullosa son un conjunto de enfermedades y existen 3: la simple, la puntural o de unin y la distrfica. Son 3 niveles de la enfermedad. Desde simple hasta ms grave.

Los niitos con piel de cristal por ejemplo en chile est la epidermolisis bullosa distrfica, la ms grave.

Lo que ocurre en este tipo de enfermedades es que hay una alteracin de los filamentos intermedios que puede ir de distintos niveles hasta que no existan los filamentos intermedios. Hay una mutacin a nivel del gen de la protena, y la protena se ensambla mal, no se ensambla, o no se expresa y no est. Sin los filamentos intermedios el epitelio es mucho ms sensible al estrs mecnico. Y los niitos que tienen est enfermedad todo roce les produce ampollas a nivel de la piel.La epidermolisis bullosa simple como es a nivel del epitelio, es a nivel de las primeras clulas, se producen ampollas de fcil recuperacin. Esto tambin sucede a nivel de los epitelios internos. A medida que esto suceda ms hacia adentro, por ejemplo la puntural es a nivel de los hemidesmosomas (las clulas no se desgarran solo entre s, sino que se desgarran de la matriz extracelular), las cicatrices son ms profundas. En la distrfica es an ms profundo el problema y se producen llagas y heridas que cicatrizan mal y van produciendo una distrofia del tejido.MICROTBULOSCaractersticas: estn conformados por una protena dimrica que es la tubulina. La tubulina va a polimerizar y a formar estos cilindros huecos de tubulina. Son los filamentos de mayor dimetro del citoesqueleto, 25nm. Como son mas anchos son rgidos, pero a diferencia de los filamentos intermedios son dinmicos, es decir, estn polimerizando y depolimerizando constantemente.La distribucin clsica de los microtbulos en una clula en interfase. Nacen todos desde un centro comn que se denomina centro organizador de microtbulos y se reparten a lo largo de todo el citoplasma de la clula.Funciones: Participan en el transporte intracelular, ya que hay protenas que se asocian a los microtubulos para realizar el transporte de vesculas, de organelos. Participan en la organizacin celular, es decir, mantienen distribuidos y organizados los organelos al interior de la clula.

En la imagen hay una tincin especfica para microtbulos, con anticuerpos anti-tubulina unidos a un fluorocromo. Y se muestra el centro organizador de microtbulos, desde donde nacen estos filamentos y se reparten en el citoplasma.

Distintas orientaciones de microtbulosSe pueden encontrar distintas orientaciones de los microtbulos porque estos son dinmicos y pueden cambiar su organizacin en distintas etapas de una clula. Por ejemplo en la interfase estn de una forma (A), pero cuando la clula entra en divisin esos microtbulos se reorganizan y forman el uso mittico. Siempre naciendo desde un centro organizador, el cual en este caso se duplica (B). En otras clulas como las clulas ciliadas existen microtbulos que forman parte de la estructura de esos cilios y son la base del movimiento ciliar (C). Y en el caso de las clulas nerviosas, los microtbulos se organizan hacia el axn para permitir el transporte de algunos organelos, y especficamente de vesculas con neurotransmisores hacia la terminal neuronal. Tambin hay microtbulos hacia el soma y las dendritas, pero principalmente a lo largo del axn. A nivel de las neuronas se producen excepciones a todas las reglas de los microtbulos, y una de esas es que hay microtbulos que nacen desde el axn y no estn conectados al centro organizador (D).

Todos los microtbulos que forman parte de un cilio nacen del centro organizador o cuerpo basal. Y hay un cuerpo basal por cada cilio.

Tambin a lo largo de los flagelos hay microtbulos, y son responsable del movimiento de estos.

En clulas vegetales los microtbulos se asocian hacia la periferia de la clula.

Centro organizador de microtbulosEsta constituido por otro tipo de tubulina que es la gamma tubulina. Y que sirve de centro de nucleasin para la formacin de microtbulos. Un centro de nucleasin es una estructura proteica en este caso gamma tubulina, que une y que llama a las tubulinas que vana empezar a polimerizar. Estas tubulinas se van hacia el centro de nucleasin y parten polimerizando.Los centros organizadores tienen entonces hacia la periferia la gamma tubulina o anillos de gamma tubulina que actan como centros de nucleasin. Y por dentro de la estructura estn los centrolos. Los centrolos tambin estn conformados por microtbulos. Pero la funcin de estos no se conoce bien. Porque los centrolos existen a nivel de los centrosomas o centros organizadores de las clulas animales, pero no de las clulas vegetales. Los centros organizadores de microtbulos en las clulas vegetales no poseen centrolos, pero las clulas s son capaces de organizar microtbulos al igual que la clula animal y son capaces de formar el uso mittico para la divisin. Por esto no se ha entendido la funcin de los centrolos, porque las clulas vegetales carecen de ellos pero funcionan igual.

El centro organizador est compuesto por tubulina gamma (anillos) y otros componentes proteicos, protenas accesorias a la gamma tubulina.

Estructura de los microtbulosLos microtbulos se forman por polimerizacin de una protena dimrica que es la tubulina. La tubulina como protena tiene dos subunidades globulares que se unen. Una es la alfa tubulina, y la otra la beta tubulina. Pero cuando se dice tubulina se refiere al dmero, no es necesario especificar un dmero de tubulina. (Tubulina = dmero de alfa y Berta tubulina).La tubulina polimeriza en los centros de nucleasin y forma cilindros. Al hacer un corte transversal del cilindro nos encontramos con una organizacin de 13 protofilamentos formando la periferia del cilindro. Esto es a nivel del citoplasma de una clula (A). En los cilios y flagelos hay otra unidad de microtbulos ms compleja que son dobletes (B). Y los centrolos que tambin estn conformados por microtbulos se organizan en tripletes (C).El microtbulo tiene una polaridad, es decir, un extremo es diferente al otro. Se denomina extremo negativo al extremo que se asocia a la gamma tubulina en el centro de nucleasin. Es el extremo que presenta menor actividad de polimerizacin y depolimerizacin. El extremo ms es donde hay mayor actividad de polimerizacin y depolimerizacin. Por lo tanto cuando un microtubulo crece o se acorta lo hace a travs del extremo ms. El extremo menos est estabilizado por la unin a la gamma-tubulina y al centro organizador de microtbulos. Al estar estabilizado ese extremo tiene menos actividad.(Esta clasificacin de ms y menos no tiene nada que ver con cargas)

La hidrlisis de GTP regula el crecimiento de los microtbulosLos microtbulos son dinmicos y su polimerizacin y depolimerizacin est regulada por GTP. La tubulina es una protena de unin a GTP. Y cuando este la tubulina est unida a GTP (unido a su subunidad alfa), presenta una gran afinidad por otras tubulinas y polimeriza. Pero como toda protena de unin a GTP luego de un determinado tiempo el GTP se hidroliza y pasa a ser GDP. Y cuando la tubulina est unida a GDP la interaccin entre tubulinas es ms dbil.

(En la figura la pelota verde claro es la subunidad beta de la tubulina, y la pelota verde oscuro es la subunidad alfa tubulina. Se nota que la parte alfa se une a GTP que es lo rojito)

Mientras exista disponibilidad de GTP, va a haber ms tubulina unida a GTP y el microtbulo va a polimerizar y a crecer. Este microtbulo se mantiene en crecimiento mientras la velocidad de unin de llegada de tubulina unida a GTP, sea mayor que la velocidad de hidrlisis de GTP unido a las tubulinas.En otras palabras, mientras la tubulina est unida a GTP hay una alta afinidad por otras tubulinas, se van uniendo. Pero la tubulina que est unida a GTP; luego hidroliza y pasa a GDP y hay menor interaccin entre tubulinas. El microtbulo se mantiene en estado de crecimiento mientras la concentracin de tubulina unida a GTP sea suficiente para que la velocidad con la que se estn uniendo en el extremo ms, no sea alcanzada por la velocidad de hidrlisis del GTP. Ya que las primeras tubulinas que se unieron hidrolizan y pasan a estar unidas a GDP. Mientras exista un casquete o un Cap de tubulinas unidas a GTP el extremo ms se mantiene estabilizado, activo y sigue polimerizando y creciendo Todo esto para cuando no hay tanta tubulina unida a GTP disponible, estas paran de unirse, y la velocidad de hidrlisis de GTP le gana a la velocidad con que se unen las tubulinas unidas a GTP. As se desaparece el casquete de tubulinas unidas a GTP. Como ya no tengo este Cap, las tubulinas comienzan a desarmarse. El microtbulo va en el proceso inverso, se va depolimerizando y se acorta.Los microtbulos se caracterizan por esto por armarse y desarmarse, como por ejemplo en la divisin celular, y esta caracterstica es esencial para su funcin.

Si inhibo el dinamismo, tcnica que se usa para sincronizar cultivos celulares, puedo inhibir la entrada de la clula en divisin. Porque como no se puede desorganizar la organizacin de microtbulos en interfase, no se puede entrar a mitosis porque no se puede organizar el uso mittico. Y dejo la clula frenada en el paso a mitosis. As puedo frenar todas las clulas del cultivo, y hacerlas entrar en mitosis todas juntas. (*)Si se corta un fragmento de microtbulo, y no se le agrega GTP, se va a agotar el Cap del extremo ms, y a pesar de que est cortado el extremo menos, y no est unido al centro organizador, igual se produce una mayor actividad en el extremo ms que en el extremo menos. Esto confirma que el extremo menos es de menor actividad incluso cuando se cort el microtbulo. Por la disposicin de las tubulinas en el microfilamento con una polaridad, de un extremo distinto del otro, hay un extremo ms activo que se desarma ms rpidamente que el otro.Dinamismo de los microtbulosHay toxinas como la colchicina y el taxol que estn en algunos hongos, que inhiben el dinamismo de los microtbulos. Ya sea porque estabilizan o porque inhiben el crecimiento. Impiden que crezca o que se desarme.

(*) Por lo tanto una clula que estaba en el ciclo celular he iba a entrar a dividirse, queda frenada y no logra entrar a la divisin porque no puede desarmar sus microtbulos para armarlos y formar el uso mittico. Entonces la clula queda ah, frenada antes de la mitosis. Este efecto es reversible, por eso se usa para sincronizar cultivos. Se pone la toxina, y todas las clulas van a llegar en su ciclo celular a un punto antes de entrar a la divisin. Se espera que todas las clulas lleguen a ese punto y luego se saca la toxina y todas las clulas van a reorganizar sus microtbulos y vana partir en el mismo punto del ciclo celular, se vana dividir todas al mismo tiempo. Logrando as la sincronizacin.

Crecimiento y acortamiento in vivo de microtbulosEs un estudio que se hace con tubulina marcada con fluorescencia, donde se ve como van creciendo distintos microtbulos. Estn marcados los extremos de 3 microtbulos, A, B y C. Y se ve como en un lapso de tiempo van cambiando la disposicin. El microtbulo A se acort, El B creci, y el C qued igual, se acort un poco. Se ve el dinamismo, que estn constantemente polimerizando y depolimerizando.

Efecto de la temperatura y la concentracin de tubulina sobre el ensamblaje/desensamblaje de los microtbulos.Hay dos factores que manejan el dinamismo de los microtbulos, son la concentracin de tubulina disponible, hay una concentracin mnima de tubulina que se denomina concentracin crtica, que gatilla la polimerizacin de microtbulos. En el grfico se mide la cantidad de tubulina v/s la cantidad de microtbulos. En un principio hay solo tubulina, y a medida que esta va aumentando, llega a una concentracin crtica, y recin ah se gatilla el crecimiento de un microtbulo. La concentracin critica entonces, es la concentracin mnima de tubulina que se necesita para que comience la polimerizacin de un microtbulo.El otro factor que regula el dinamismo de los microtbulos es la temperatura. En el grfico se ve que la masa de microtbulos, osea la cantidad de microtbulos que se tienen varia segn la temperatura. Cuando se enfra la clula del experimento in Vitro, bajando la temperatura a 4C, rpidamente baja la masa de microtbulos. Es decir, el microtbulo depolimeriza a bajas temperaturas. Se mantiene esa masa y si se vuelve a aumentar la temperatura a 37C, se vuelve a recuperar la cantidad de microtbulos inicial.

Por tanto: a bajas temperaturas se favorece la depolimerizacin y a temperatura normal de un organismo se ve facilitada la polimerizacin.Polarizacin de una clula por estabilizacin selectiva de los microtbulos.Algunos ases de microtbulos se estabilizan, y se puede inhibir de forma fisiolgica normal el dinamismo de los microtbulos. Lo que se produce en una clula polarizada es la estabilizacin selectiva de microtbulos. Para esto existen protenas estabilizadoras, protenas Cap que hacen un caping que se unen al extremo ms del microtbulo. Unidas estabilizan el extremo ms, inhiben el dinamismo del microtbulo y lo mantiene estabilizado (sin polimerizacin ni depolimerizacin). As los microtbulos quedan estabilizados por ambos extremos. Por el extremo menos por su interaccin con el centro organizador de microtbulos, y en el extremo ms por una protena caping.

Una clula polarizada es una clula que tiene dentro de sus dominios de membrana un dominio o un sector que tiene una funcin especfica. El mejor ejemplo de esto es una clula secretora, ya que estas normalmente llevan los grnulos del compuesto que van a secretar hacia un dominio de membrana. Y esto sucede por ejemplo en las clulas plasmticas.

Las clulas plasmticas son las productoras de anticuerpos. Y vienen de un proceso de diferenciacin del linfocito B. Hay un antgeno que activa el linfocito B, y este responde produciendo anticuerpos a travs de un proceso de diferenciacin hacia clula plasmtica. Pero este proceso de diferenciacin involucra una reorganizacin del citoplasma que est ntimamente relacionado con su funcin secretora y con la organizacin de su citoesqueleto. Entonces hay un cambio de una clula redondita que es el linfocito B, a una clula alargada que es la clula plasmtica. Ese cambio en la forma tiene que ver con la reorganizacin del citoesqueleto y con la estabilizacin de microtbulos, para que estos que estn implicados en el transporte de organelos como vesculas (que transportan anticuerpos que van a ser liberados hacia un sector de la membrana), tengan como un camino pavimentado listo para que las vesculas vallan rpidamente al sector de la membrana donde se van a unir y vana ser liberados al medio.Entonces las clulas polarizadas estabilizan un haz de microtbulos para tenerlo listo como camino donde la clula lo necesite para hacer un transporte.

Microtbulos polarizados y en el transporte.Este sistema de transporte es utilizado por ejemplo por los virus. Que utilizan la capacidad de transporte que tienen las clulas. Como el virus herpes que puede viajar a lo largo de las terminales nerviosas, lo hace unindose a estos microtbulos. Y utiliza los ases de microtbulos que la clula nerviosa tiene organizado para el transporte de neurotransmisores, y se va movilizando dentro de la clula a travs de esos ases

Concentracin crtica

de dmeros de tubulina

Fibroblastos en cultivo + tubulina fluorescente

Microtbulos estabilizados

en sus dos extremos