UNIDAD 11. EL CITOESQUELETO
El citoesqueleto consiste de una red de filamentos de proteínas que se extienden
a través del citoplasma de todas las células eucarióticas. Provee un armazón
estructural a la célula, determina la forma celular y la organización general del
citoplasma. Adicionalmente, el citoesqueleto es responsable de los movimientos
celulares, tanto movimientos de la célula entera como también el transporte
interno de organelas y otras estructuras a través del citoplasma (1).
El citoesqueleto es mucho menos rígido y permanente de lo que indica su
nombre, por el contrario es una estructura dinámica que continuamente se
reorganiza. Está compuesto por tres tipos de filamentos proteícos principales:
filamentos de actina, filamentos intermedios y microtúbulos (1).
FILAMENTOS DE ACTINA
Estructura
La principal proteína del citoesqueleto de la mayoría de las células es la actina, la
cual polimeriza para formar los filamentos de actina, estos son fibras delgadas y
flexibles de aproximadamente 7 nm de diámetro. En las células, los filamentos de
actina (también llamados microfilamentos) se encuentran de forma abundante bajo
la membrana plasmática, donde forman una red que provee soporte mecánico,
determina la forma celular y permite el movimiento de la superficie celular,
posibilitando a la célula migrar, envolver partículas y dividirse (1).
Los monómeros de actina son proteínas globulares (actina globular G) que tienen
sitios de unión que median las interacciones cabeza a cola con otros dos
monómeros de actina, polimerizando de esta manera para formar los filamentos.
Debido a que todos los monómeros de actina se orientan en la misma dirección,
los extremos de los filamentos tienen una polaridad distinta (llamados extremos
más y menos o extremos protuberante y puntiagudo respectivamente). Los
microfilamentos son capaces de crecer por adición reversible de monómeros a
ambos extremos, sin embargo el extremo que más se elonga es de 5 a 10 veces
más rápido que el menos (1). Aunque el ATP no es requerido para la
polimerización, los monómeros de actina a los cuales se une el ATP polimerizan
más fácilmente que los que tienen unido ADP (1).
El primer paso en la polimerización de la actina (llamada nucleación) es la
formación de un pequeño agregado que consiste de 3 monómeros de actina
(Figura 11.1). La polimerización de la actina es reversible, por lo que ellos pueden
despolimerizar por disociación de las subunidades de actina, lo que le permite a
los filamentos romperse cuando sea necesario (1). La nucleación de los filamentos
de actina en la membrana plasmática está frecuentemente regulada por señales
externas, permitiéndole a la célula cambiar rápidamente su forma y rigidez en
respuesta a cambios en su ambiente externo (2).
Figura 11.1 Ensamblaje de los filamentos de actina
Los filamentos de actina están organizados en dos tipos generales de estructuras:
haces de actina y redes de actina. En los haces, los filamentos de actina se
organizan en disposiciones paralelas. En las redes, los filamentos de actina se
organizan en intersecciones diagonales (2) (Figura 11.2).
2
(puntiagudo)
(protuberante)
Figura 11.2 Haces y redes de actina
Funciones
- Contracción muscular
En vertebrados acciones como correr, caminar, nadar y volar dependen de la
contracción rápida del músculo esquelético, mientras los movimientos
involuntarios tales como las palpitaciones del corazón y el peristaltismo
dependen de la contracción del músculo cardíaco y el liso, respectivamente.
Todas estas formas de contracción muscular dependen del ATP y son
consecuencia del desplazamiento de filamentos de actina contra filamentos de
miosina II (2).
Las células musculares son altamente especializadas para una contracción
rápida y eficiente. Las delgadas y largas fibras musculares son realmente
células gigantes que se formaron por la fusión de muchas células separadas; la
mayor parte del citoplasma está hecho de miofibrillas que son los elementos
contráctiles básicos de las células musculares (Figura 11.3) (2).
3
HAZ RED Filament
os de actina
Proteínas de
unión a la actina
Figura 11.3 Célula del músculo esquelético
Una miofibrilla es una estructura cilíndrica de 1 - 2 µm de diámetro que es
frecuentemente tan larga como la misma célula muscular y consiste de
pequeñas unidades contráctiles llamadas sarcómeros (de 2.2 µm de largo
aproximadamente) que le dan a la miofibrilla su apariencia estriada (Figura
11.4). Cada sarcómero está formado por un arreglo ordenado de filamentos
delgados y gruesos, paralelos y parcialmente superpuestos (2). Dentro de cada
sarcómero las bandas oscuras (denominadas bandas A, formadas por
filamentos gruesos que contienen miosina) alternan con las bandas claras
(llamadas bandas I, compuestas de filamentos delgados de actina). Los
extremos de cada sarcómero se definen como el disco Z (1). Los filamentos de
actina están unidos en sus extremos más al disco Z, y sus extremos menos se
extienden hacia la mitad del sarcómero donde se superponen con los
filamentos de miosina (2). Los filamentos de miosina están anclados a la línea
M del sarcómero (1).
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Núcleo Miofibrilla
Figura 11.4 Estructura del sarcómero
El tipo de miosina presente en el músculo (miosina II) es una proteína muy
grande que consiste de dos cadenas pesadas idénticas, cada una de las
cuales tiene una cabeza globular y una cola; las colas de ambas cadenas se
enrollan entre sí para formar un dímero. Las moléculas de miosina tienen
además dos cadenas livianas asociadas al “cuello” de las cabezas. Los
filamentos gruesos consisten de cientos de moléculas de miosina, cuyas
cabezas se unen a la actina formando puentes entre los filamentos delgados y
gruesos (Figura 11.5) (1).
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Disco Z
Línea M
Zona H
Actina
Miosina
Sarcómero
Línea M
Polo +
Polo +
Polo -
Polo -
Disco Z
Actina
Cabezas de miosina
Filamento grueso de miosina
Figura 11.5 Organización de los filamentos de miosina
Para la actividad motora la miosina mueve sus cabezas a lo largo de los
filamentos de actina. Este movimiento desliza los filamentos de actina de
ambos lados del sacómero hacia la línea M, acortando el sarcómero y
produciendo contracción muscular (Figura 11.6) (1). El acortamiento
sincronizado y rápido de cientos de sarcómeros en cada miofibrilla le da al
músculo esquelético la habilidad de contraerse lo suficientemente rápido como
para correr y volar (2).
Figura 11.6 Deslizamiento de los filamentos de miosina sobre los de actina durante la contracción muscular
- Citocinesis
Un ejemplo de contracción de actina y miosina en células no musculares es la
citocinesis, el proceso de división de una célula en dos después de que ocurre
la mitosis (1).
Al final de la mitosis de células animales, un anillo contráctil que consiste de
filamentos de actina y miosina II se ensambla justo debajo de la membrana
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Filamento delgado
Filamento grueso
Disco Z
plasmática. Su contracción tira progresivamente hacia adentro la membrana
plasmática, estrechando el centro de la célula y dividiéndola en dos (Figura
11.7). A medida que procede la contracción, los filamentos de actina se van
desensamblando. El anillo desaparece completamente después de la división
celular (1).
Figura 11.7 Citocinesis
- Movimientos celulares
Los movimientos celulares a través de una superficie representan una forma
básica de locomoción celular empleada por una amplia variedad de tipos de
células. Estos movimientos incluyen los de las amebas, la migración de células
embrionarias durante el desarrollo, la invasión de tejidos por glóbulos blancos,
la migración de células durante la curación de una herida y la fagocitosis entre
otros Todos estos movimientos se basan en las propiedades dinámicas del
citoesqueleto de actina, ya que la extensión de estructuras como pseudópodos
y lamelipodios involucra la polimerización de filamentos de actina y la
participación de moléculas de miosina no convencionales (1).
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- Formación del cortex celular
Los filamentos de actina están altamente concentrados en la periferia de la
célula, donde se asocian con proteínas de unión a la actina y forman una red
tridimensional debajo de la membrana plasmática llamada cortex celular. Esta
red determina la forma de las células y está involucrada en una variedad de
actividades de la superficie celular incluyendo el movimiento (1).
MICROTÚBULOS
Estructura
Los microtúbulos son estructuras rígidas y huecas de aproximadamente 25 nm de
diámetro. Igual que los filamentos de actina, los microtúbulos son estructuras
dinámicas que continuamente se ensamblan y se desensamblan; están
compuestos de un único tipo de proteína globular llamada tubulina. La tubulina es
un dímero que consiste de dos polipéptidos: α-tubulina y β-tubulina.
Adicionalmente, un tercer tipo de tubulina (la γ-tubulina) está localizado
específicamente en el centrosoma, donde desempeña un papel crítico en la
iniciación del ensamblaje (Figura 11.8) (1).
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γ-tubulina
β-tubulina
α-tubulina
Proteínas accesorias en
complejo anillado de γ-
tubulina
Figura 11.8 Tubulina
Los dímeros de tubulina polimerizan para formar los microtúbulos, los cuales
(como los filamentos de actina) son estructuras polares con dos extremos: uno
más y otro menos. Tanto la α-tubulina como la β-tubulina se unen a GTP, el cual
funciona de forma análoga a como lo hace el ATP unido a la actina, para regular la
polimerización. La hidrólisis de este GTP debilita la afinidad de unión entre
moléculas de tubulina adyacentes favoreciendo la despolimerización (1).
En las células animales, los microtúbulos provienen del centrosoma, una
estructura localizada cerca al núcleo, a partir de la cual emanan los microtúbulos
citoplásmicos en una conformación astral. Los microtúbulos son nucleados en los
centrosomas por el extremo menos, así el extremo más se dirige y crece hacia la
periferia celular. Embebidas en el centrosoma se encuentran un par de estructuras
cilíndricas ubicadas una con respecto a la otra en una configuración en forma de
L, y que se denominan centriolos (Figura 11.9) (2).
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Figura 11.9 El centrosoma
Funciones
- Formación del huso mitótico
Los microtúbulos se reorganizan completamente durante la mitosis
demostrando la importancia de su inestabilidad dinámica. Los arreglos de
microtúbulos presentes en interfase se desensamblan y las subunidades de
tubulinas libres son reensambladas para formar el huso mitótico, el cual es
responsable de la separación de los cromosomas hijos. Los centriolos y otros
componentes del centrosoma se duplican en la interfase de las células, pero
permanecen juntos a un lado del núcleo hasta que empiece la mitosis, cuando
los centrosomas se separan y se mueven a lados opuestos del núcleo,
formando los dos polos del huso mitótico (Figura 11.10) (1).
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Par de centriolos
Complejos de anillos de γ-
tubulina
Microtúbulos creciendo del complejo de anillos de γ- tubulina del centrosoma
+
+
++
Figura 11.10 Formación del huso mitótico
Con la formación del huso mitótico aparecen varios tipos de microtúbulos en
las células animales: los microtúbulos cinetocóricos, los cuales se unen a los
centrómeros de los cromosomas condensados de las células mitóticas. Los
microtúbulos cromosómicos, que conectan con los extremos de los
cromosomas. Los microtúbulos polares, los cuales emanan de cada
centrosoma y se estabilizan cuando se superponen el uno con el otro en el
centro de la célula. Los microtúbulos astrales que se extienden desde los
centrosomas a la periferia celular. A medida que la mitosis procede, los
cromosomas condensados se alinean en el ecuador de la célula durante su
metafase y luego se separan, con las dos cromátides de cada cromosoma
siendo arrastradas a los polos opuestos del huso. Este movimiento de los
cromosomas es mediado por proteínas motoras asociadas al huso. Al final de
la mitosis, la envoltura nuclear se vuelve a formar, los cromosomas se
descondensan y se lleva a cabo la citocinesis. Cada célula hija, por lo tanto,
contiene un centrosoma, el cual dirige la formación de una nueva red de
microtúbulos en interfase (1).11
Microtúbulos cromosómicos
- Movimientos celulares
Los microtúbulos son responsables de una variedad de movimientos celulares,
incluyendo el batir de los cilios y flagelos, el transporte intracelular y el
posicionamiento de vesículas de membrana y organelas. El movimiento de
estos filamentos está basado en la acción de proteínas motoras que utilizan
energía derivada de la hidrólisis del ATP para producir fuerza y movimiento.
Miembros de dos grandes familias de proteínas motoras, las quinesinas y las
dineínas, son responsables de estos movimientos en los microtúbulos. Estas
proteínas se mueven a lo largo de los microtúbulos en direcciones opuestas, la
quinesina hacia el extremo más y la dineína hacia el extremo menos (Figura
11.11) (1).
Figura 11.11 Proteínas motoras de los microtúbulos
La quinesina es una molécula que consiste de dos cadenas pesadas que se
enrollan la una sobre la otra y sus extremos amino terminales se encuentran en
las cabezas globulares que son los dominios motores de la molécula que se
unen tanto a los microtúbulos como al ATP cuya hidrólisis provee la energía
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Dineína Quinesina
Dominio
de la cabeza
Base
Cola
Extremo (-)
Extremo (+)
Espiral
Cadena ligera
Cadenas ligeras e intermedias
para el movimiento. La porción de la cola consiste de dos cadenas ligeras que
se asocian a los dominios carboxilo terminal de las cadenas pesadas; esta
porción es responsable de la unión a los componentes celulares tales como
vesículas y organelas (1).
La dineína es una molécula compuesta de dos o tres cadenas pesadas (que
incluyen el dominio motor) y un número variable de cadenas ligeras e
intermedias asociadas. Al igual que la quinesina, las cadenas pesadas forman
dominios motores de unión al ATP responsables de los movimientos; la porción
basal que incluye las cadenas pesadas e intermedias se unen a las estructuras
celulares (1).
- Transporte de organelas y organización intracelular: una de las principales
funciones de las moléculas motoras del citoesqueleto en las células
interfásicas es el transporte y posicionamiento de las organelas encerradas
por membranas. Una organización microtubular típica en una célula en
interfase está orientada con el extremo menos cerca al centro de la célula
en el centrosoma, y el extremo más cerca de la periferia; así los
movimientos hacia el centro de la célula requieren las acciones de la
dineína que se dirige hacia el extremo menos, mientras que los
movimientos hacia la periferia requiere de la quinesina que se mueve hacia
el extremo más (2).
Adicional al transporte de vesículas en las rutas secretora y endocítica, los
microtúbulos posicionan dentro de la célula las organelas rodeadas de
membrana tales como retículo endoplasmático, aparato de Golgi, lisosomas
y mitocondrias (Figura 11.12) (1).
13
Figura 11.12 Transporte intracelular mediado por quinesina y dineína
- Movimientos de cilios y flagelos: los cilios y los flagelos son estructuras
móviles altamente especializadas y eficientes que contienen microtúbulos y
dineína. Los flagelos son encontrados en los espermatozoides y en muchos
protozoos y debido a su movimiento ondulante permiten a las células nadar
a través de medio líquido. Los cilios tienden a ser más cortos que los
flagelos y están organizados de forma similar, ellos tienen un movimiento a
manera de látigo con el que propulsan a las células través de un fluido
(como es el caso del protozoo Paramecium) o pueden mover un fluido
sobre la superficie de un grupo de células en un tejido (como las células del
tracto digestivo de los humanos) (2).
El movimiento de cilios y flagelos es producido por la inclinación de su
centro, el cual se denomina axonema. El axonema está compuesto de
microtúbulos y sus proteínas asociadas (2). Los microtúbulos se organizan
en un patrón característico “9+2” en el cual un par de microtúbulos centrales
está rodeado de nueve dobletes de microtúbulos externos (que comprenden
un microtúbulo completo denominado túbulo A y uno parcial denominado
túbulo B) (Figura 11.13). Los dobletes de microtúbulos externos están
conectados al par central por conexiones radiales y a los demás dobletes a
14
través de una proteína llamada nexina. Además los brazos de dineína se
unen a cada túbulo A y su actividad motora es la que dirige el movimiento
de los cilios y flagelos (1).
Las bacterias también nadan utilizando flagelos, pero no contienen
microtúbulos; estos son filamentos helicoidales rígidos constituídos de
subunidades de la proteína flagelina (2).
Figura 11.13 Organización de los microtúbulos en cilios y flagelos
- Separación de los cromosomas mitóticos: los microtúbulos se reorganizan
al comienzo de la mitosis para formar el huso mitótico, que desempeña una
función esencial en la distribución de los cromosomas duplicados a las
células hijas durante la anafase. El movimiento de los cromosomas ocurre
por dos mecanismos diferentes denominados Anafase A y Anafase B.
Durante la Anafase A los cromosomas se mueven hacia los polos a lo largo
15
Membrana plasmática
Brazo externo de Dineína
Nexina
Brazo interno de Dineína
Envoltura
interna
Microtúbulo
central
Radio
Microtúbulo A
Microtúbulo B
Microtúbulos externos dobles
de lo microtúbulos cinetocóricos, los cuales se acortan a medida que
procede el movimiento de los cromosomas. Este tipo de movimiento parece
ser dirigido principalmente por proteínas motoras asociadas al cinetocoro
que mueven los cromosomas a lo largo del huso. La Anafase B se refiere a
la separación de los polos, la cual se acompaña de la elongación de los
microtúbulos polares (1).
FILAMENTOS INTERMEDIOS
Los filamentos intermedios tienen un diámetro de alrededor de 10 nm, el cual es
intermedio entre los diámetros de los filamentos de actina (7 nm) y microtúbulos
(25 nm). En contraste a los otros dos tipos de filamentos, los filamentos
intermedios no están directamente involucrados en los movimientos celulares; en
lugar de ello, parecen desempeñar básicamente un rol estructural (1).
Estructura
Varias propiedades físicas y bioquímicas distinguen los filamentos intermedios de
los microfilamentos y los microtúbulos: por un lado, los filamentos intermedios son
extremadamente estables; esto es un problema especial para las células mitóticas,
las cuales tienen que reorganizar las tres redes del citoesqueleto durante el ciclo
celular. Además están compuestos de una gran variedad de proteínas (más de 50
diferentes incluyendo queratina, vimentina, laminina, entre otros) en contraste a
los filamentos de actina y los microtúbulos que tienen un único tipo de proteínas
(actina y tubulina, respectivamente). Finalmente los filamentos intermedios no
requieren la hidrólisis del ATP o GTP para su ensamblaje (1, 3).
En vertebrados superiores, las subunidades que componen los filamentos
intermedios constituyen una superfamilia de proteínas que se divide en 6 tipos
principales según las similitudes en la secuencia. A diferencia de las isoformas de
la actina y la tubulina, las clases de proteínas de los filamentos intermedios son
16
ampliamente divergentes en secuencia y varían ampliamente en peso molecular
(3).
A pesar de la considerable diversidad en tamaño y secuencia de aminoácidos, las
diferentes proteínas de los filamentos intermedios comparten una organización
estructural común: todas tienen un dominio central α-hélice en forma de vara de
aproximadamente 310 aminoácidos, rodeado por los dominios amino y carboxilo
terminales que difieren en tamaño, secuencia y estructura secundaria. El dominio
central desempeña una función esencial en el ensamblaje de los filamentos,
mientras que los dominios cabeza y cola presumiblemente determinan las
funciones específicas de las diferentes proteínas (1).
El primer paso para el ensamblaje de los filamentos intermedios es la formación
de dímeros en los cuales los dominios centrales de dos cadenas polipeptídicas se
enrollan uno alrededor del otro. Luego los dímeros se asocian en forma
antiparalela para formar tetrámeros, los cuales se asocian extremo a extremo para
formar los protofilamentos; el filamento intermedio final contiene aproximadamente
ocho protofilamentos, que debido a que fueron ensamblados de tetrámeros
antiparalelos, tiene ambos extremos equivalentes (Figura 11.14).
Consecuentemente, en contraste a los filamentos de actina y los microtúbulos, los
filamentos intermedios son apolares, no tienen extremos distintos más o menos
(1).
17
Figura 11.14 Ensamblaje de los filamentos intermedios
Funciones
Los filamentos intermedios no se requieren en todos los tipos celulares, por
ejemplo, los oligodendrocitos, los cuales se encargar de fabricar mielina para el
sistema nervioso central de los vertebrados, no contienen estos filamentos. Los
filamentos intermedios tienen propiedades mecánicas que son especialmente
importantes en células sujetas a estrés mecánico y su principal función parece ser
conferir fuerza física a las células y tejidos (2). Algunos filamentos intermedios
están involucrados en la producción de estructuras tales como el cabello, uñas y
cuernos (1).
Las proteínas lamininas se encuentran exclusivamente en el núcleo donde forman
una red que cubre la membrana interna de la envoltura nuclear eucariota, que
provee un sitio de anclaje para los cromosomas y poros nucleares (2). A pesar de
la gran estabilidad de los filamentos intermedios, estos son frecuentemente
modificados por fosforilación, la cual puede regular su ensamblaje o 18
Dominio central
Cola
C
CC
CC
NNN
NN
cabeza
PolipéptidoDímeroTetrámero protofilamentoFilamento
desensamblaje dentro de la célula. El ejemplo más claro es la fosforilación de la
lámina nuclear, que resulta en su desensamblaje y rompimiento de envoltura
nuclear durante la mitosis (1).
Además de formar la lámina nuclear, los filamentos intermedios forman una
elaborada red en el citoplasma de la mayoría de las células. Tanto los filamentos
de queratina como de vimentina se unen a la envoltura nuclear sirviendo
aparentemente para posicionar el núcleo dentro de la célula. Adicionalmente, los
filamentos intermedios se pueden asociar no sólo con la membrana plasmática
sino también con los otros elementos del citoesqueleto (1). De esta forma, algunos
filamentos intermedios van paralelos a la superficie celular mientras que otros
atraviesan el citosol, formando una red interna que ayuda a soportar la forma de la
célula y le da resistencia (3).
Los filamentos de queratina de células epiteliales están fuertemente anclados a la
membrana plasmática en dos áreas de contacto que son los desmosomas
(uniones entre células adyacentes) y los hemidesmosomas (uniones entre células
y matriz extracelular) (Figura 11.15). De esta forma, los filamentos de queratina
sirven como conexiones mecánicas entre células adyacentes en una capa
epitelial, proporcionando así estabilidad mecánica al tejido completo (1).
Dos tipos de filamentos especiales, desminas y neurofilamentos, desempeñan
roles especiales en músculos y células nerviosas, respectivamente. La desmina
conecta las agrupaciones de actina-miosina de las células musculares con otras
agrupaciones y con la membrana plasmática, ligando por lo tanto las acciones de
elementos contráctiles individuales. Los neurofilamentos son los principales
filamentos intermedios de la mayoría de células maduras; son abundantes en los
axones de las neuronas motoras donde parecen estar anclados a los filamentos
de actina y los microtúbulos. De esta manera, los neurofilamentos están
implicados en la función de proveer soporte mecánico y estabilizar otros
elementos del citoesqueleto en estas largas extensiones de las células nerviosas
(1).
19
Figura 11.15 Esquema de un desmosoma y de un hemidesmosoma
20
Desmosoma
Hemidesmosoma
BIBLIOGRAFIA
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Introducción a la biología celular. 2a ed. España: Panamericana; 2006.
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celular y molecular. 5a ed. Madrid: Panamericana; 2005.
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