EL CITOESQUELETO

Algo más que el esqueleto de la célula Dr. Hugo Solana – FCV-UNICEN

Desde que el hombre pudo empezar a realizar las primeras observaciones de la célula y su

contenido, le fueron surgiendo inquietudes que fue resolviendo a medida que avanzaban sus

progresos científicos. Cuando los científicos de la época pudieron

ver que en el interior celular existían otras estructuras les empezó

a surgir una inquietud que empezó a resolverse mucho tiempo

después “Esas estructuras internas (organelas) aparentemente están

ubicadas dentro de la célula de una forma aparentemente

organizada”. El núcleo en la mayoría de las células se lo observa

generalmente ubicado en el centro del citoplasma y las demás

organelas distribuidas mas periféricamente no parecen estar

ubicadas de forma azarosa. Sumado a esto el hecho que, las

células, a pesar de estar envueltas en una membrana flexible (membrana plasmática) no son esferas

perfectas como una pompa de jabón sino que dependiendo del origen del tejido en donde dicha

célula se incluye, van a tener diferentes formas (cúbicas, cilíndricas, con largas extensiones,

ahusadas, etc.).

La idea de un esqueleto celular empezó a rondar en la cabeza de ciertos científicos de la

época. En los orígenes de los estudios de la célula existían dos grandes tendencias, los

microscopistas con hallazgos puramente observacionales en donde a través

de técnicas colorimétricas lograban discernir las diferentes formas y

estructuras de las organelas intracitoplasmáticas. Sus progresos eran

absolutamente dependientes de los progresos

de la física y de los hallazgos de mejoras en

la óptica de los modestos microscopios de la

época. Por otro lado existían los químicos

que basaban sus experiencias en fenómenos

químicos de estudio “in vitro”. Así,

recopilando e integrando hallazgos, se lograron grandes avances de

las diferentes funciones de los principales componentes celulares.

En esa época, un modesto biólogo microscopista presentó en una

reunión científica, ciertas imágenes de células (hechas de su puño y letra) en donde se observaba

que bajo ciertas condiciones colorimétricas de su creación, en el

citoplasma de la célula se observaba una trama fibrosa que

transcurría a lo largo del mismo. Esa trama la consideró como una

estructura fibrosa rígida que podría explicar no solo la distribución

particular de las organelas en el

citoplasma sino que además sería la

responsable del mantenimiento de la

forma celular. Esto, generó muchas

controversias dado que muchos de los científicos de la época lo

consideraron un artificio de la técnica, negando la presencia de dicha

“nueva” estructura celular.

A mediados del siglo pasado (siglo XX), una nueva herramienta

irrumpe en las ciencias, el microscopio electrónico. Un nuevo campo observacional se abre a los

ojos del mundo y todos los científicos quieren por fin, ver de cerca “su organela favorita”. Como

era obvio suponer, los continuadores de la escuela de nuestro modesto biólogo microscopista

tomaron ciertas células y se pusieron a observar sus citoplasmas. Si lo observado por el biólogo era

un artificio verían un citoplasma limpio, pero si lo que había dicho su maestro era verdadero, esos

filamentos descriptos por el científico se verían, y habrían triunfado honrando la memoria de su

maestro. Y el modesto biólogo microscopista tenía razón ya que desde las primeras observaciones

en el microscopio electrónico observaron que una trama fibrosa aparentemente irregular e

indefinida atravesaba el citoplasma de la célula. Así, surge el citoesqueleto como una “nueva”

organela no membranosa.

El Citoesqueleto, algo más que el esqueleto de la célula

Hasta hoy se conocen por lo menos tres componentes principales del citoesqueleto.

1) Los Filamentos Intermedios (FI) formados por la unión de diferentes proteínas filamentosas

dependiendo del tejido en donde se presenten. Son de distribución intracitoplasmática e intranuclear

2) Los Microtúbulos (MT) de distribución solamente intracitoplasmática y formados

fundamentalmente por la unión de dímeros de alfa y beta Tubulina

3) Los Microfilamentos (MF) de distribución intracitoplasmática y formados por la unión de

monómeros de Actina

LOS FILAMENTOS INTERMEDIOS (FI)

Son los más rígidos de los tres componentes del citoesqueleto. Algunos autores dicen que

en realidad estos son el verdadero esqueleto de la célula y que los otros dos deberían

llamarse la citomusculatura.

Ubicación: Son en su mayoría intracitoplasmáticos y se

ubican principalmente en zonas de la célula

sometidas a tensión mecánica

Principales funciones:

Mantienen la Banda Z de la Sarcómera

Arman los desmosomas puntuales

Le dan estructura al citoplasma del Músculo Liso

Le dan resistencia a las prolongaciones nerviosas

Tipos:

NEUROFILAMENTOS en neuronas (Axón)

Filamentos de QUERATINA (Tonofilamentos) en epitelios

Filamentos de DESMINA en músculo

Filamentos de VIMENTINA en conjuntivo, sangre y linfático

Filamentos GLIALES en células de la Glía

LAMININAS NUCLEARES

Como se “arma” un Filamento Intermedio

UBICACIÓN Y FUNCIÓN DE ALGUNOS FILAMENTOS INTERMEDIOS

La Lámina Nuclear (Laminina) Las lamininas forman un entramado proteico que se ubica en la cara interna de la membrana nuclear

y que provee rigidez a la membrana y adhesión a la cromatina. Son los únicos componentes del

citoesqueleto de ubicación intranuclear

(A) Esquema de la ubicación de las lamininas nucleares y su relación con la cromatina

(B) Microfotografía electrónica del entramado formado por las lamininas por debajo de la membrana nuclear

Los Tonofilamentos de los epitelios (Queratina) Los filamentos de queratina se entrelazan a lo largo del citoplasma de principalmente las células

epiteliales dándole rigidez y estructura al tejido epitelial.

Una de sus principales funciones es la generación de los desmosomas tal como puede observarse

en el siguiente esquema de una célula intestinal y sus diferentes tipos de uniones intercelulares

(A) Microfotografía electrónica de una inmunofluorescencia de células epiteliales en cultivo utilizando como

marcador un anticuerpo monoclonal antiqueratina. Las flechas marcan las zonas de unión entre células

(desmosomas)

(B) Esquema de la interacción intercelular entre células epiteliales

Los FI soportan los fenómenos de tracción mecánica que muchos tipos celulares deben sufrir al integrar cierto tipo de

tejidos. Son imprescindibles en el mantenimiento de la forma y función de las células musculares, de las epiteliales y de

ciertas prolongaciones de membrana como los axones y dendritas de las células nerviosas (neuronas)

Para explicar dicho fenómeno se diseñó el sig. experimento

Si uno desarrolla una monocapa de células epiteliales en dos placas de petri y a una de ellas se la trata con un reactivo que

“desarme” sus FI y luego tracciona a ambas monocapas sucede lo siguiente

MONOCAPA SIN TRATAMIENTO MONOCAPA CON TRATAMIENTO

(intacta) TRACCIÓN (flechas) (Sin FI)

Las células se mantienen intactas y juntas Desprendimiento de las uniones intercelulares y ruptura del tejido

RESULTADO

Este simple experimento verifica la importancia de los FI en no solo en el mantenimiento de la forma sino además en la

integración de células en tejidos.

INVOLUCRAMIENTO DE LOS FI EN LA CLÍNICA MÉDICA

Aunque parezca increíble, pequeñas variaciones en estos ¨minúsculos

habitantes del fondo de la célula¨ pueden provocar graves enfermedades.

Por ejemplo

Existe una enfermedad hereditaria en donde los individuos portadores de

dicha enfermedad son extremadamente sensibles a la injuria mecánica

generándosele ampollas por el más ligero contacto de algo rígido con su piel.

Se la conoce como Epidermolysis Bullosa Simplex (EBS) y es un defecto

genético en la molécula de queratina siendo transmisible de padres a hijos. El

individuo nace con una queratina mutada y sin capacidad de función. La foto

muestra dos grandes ampollas en el brazo de un individuo que padece dicha

enfermedad

Con similares características se pueden manifestar otras enfermedades

dependiendo de qué tipo de queratina es la afectada.

Así, por ejemplo, cuando se ve afectada la Queratina 9 se producen alteraciones a nivel de la capa cornificada

y granular de la epidermis provocándose la Queratodermia epidermolítica plantopalmar restringiéndose las

lesiones a solo la porción palmar de manos y pies.

Cuando la mutación ocurre sobre la Queratina 1 y 10, se produce una excesiva queratinización con

resquebrajamiento y heridas más profundas en las zonas de mayor contacto. Se ve afectada no solo la capa

granular sino también la capa espinosa. Esta enfermedad es conocida como Hiperqueratosis epidermolítica

Si la mutación afecta la expresión de la Queratina 5 y la Queratina 14, las lesiones son más profundas

afectando fundamentalmente la capa basal que se encuentra apoyada sobre la lámina o membrana basal. En

este caso las ampollas (blisters) se manifiestan prontamente desde el nacimiento y se generan ante el mínimo

contacto, roce o presión.

LOS MICROTÚBULOS (MT)

Son uno de los principales componentes del citoesqueleto y a diferencia de los FI en donde

dependiendo del tejido serán diferentes proteínas las encargadas de armar el polímero, en este caso

TODOS los microtúbulos de TODOS los tejidos están formados por la polimerización de una

molécula proteica globular de 55Kd conocida como TUBULINA. Dicha

proteína con ligeras diferencias entre si se encuentra fundamentalmente

bajo dos formas ( y tubulina) las cuales se asocian entre sí formando

un dímero. La estructura polimerizada denominada microtúbulo tiene

forma tubular hueca con un diámetro externo de 25 nm y un diámetro

interno de 14 nm. Dímeros de y tubulina se ensamblan

(polimerizan) formando un MT compuesto de 13 protofilamentos

ensamblados alrededor de un tubo hueco

Estos MTs a su vez pueden asociarse entre sí para generar nuevas estructuras más complejas.

A B

A B C

CENTRÍOLO Los centríolos son unas estructuras intracitoplasmáticas formadas por MTs. Su función es

“coordinar” desde el Centrosoma o Centro Organizador de MTs (COMTs) la división celular

controlando la creación y función del Huso Mitótico dirigido a

traccionar los cromosomas que recien duplicados deben migrar

organizadamente hacia polos opuestos de la célula en división. En

células en reposo (no mitóticas) coordinan el COMT que en una

ubicación perinuclear organiza el armado, crecimiento y desarmado

de los MTs citoplasmáticos . Son estructuras cilindricas,

usualmente establecidas de a pares orientados en ángulo recto uno con

el otro. La pared de cada centríolo esta construida con nueve tripletes

de microtubulos interconectados

El interior de cada centríolo aparece vacío, excepto por la estructura en ¨rueda de carro¨ en un

extremo. Con microscopía electrónica (ME) pueden verse estructuras fibrosas que interconectan los

dos centríolos

El Centrosoma:

• Es el Centro Organizador de MTs (COMTs)

• Se ubica en cercanía al extremo negativo del MT y cercano al núcleo en células en interfase

• Tiene un importante rol en la organización de los MT

• Sirve como ¨iniciador¨ del ensamblamiento de los MT

• En Mitosis se duplica y comanda el Huso mitótico

Se conoce otra molécula de tubulina con función específica

Relativamente hace poco tiempo (menos de 15 años) se conoció otra molécula de tubulina con una

importante función en la generación de los nuevos MTs. A esta molécula se la denominó Gamma

Tubulina y con una ubicación intracitoplasmática y solo circunscripta a la zona del centrosoma.

Esta Gamma-Tubulina, es homóloga a las y tubulinas, inicia el ensamblamiento de los MT

desde el centrosoma hacia la perifería de la célula. Para ello, varias copias (12-14) de Gamma-

tubulina se asocian en un complejo llamado “grips” (gamma ring proteins).

Este grips se ve al ME como una estructura de anillo abierto. El grips

evita que se intercambien dímeros en el extremo negativo del MT (lo

bloquea) y sirve de “molde” para que los dímeros cargados con GTP

(Tub-GTP) empiezen a polimerizar el nuevo MT .

Además y mas recientemente, se han sido localizadas otras proteínas en el centrosoma y asociadas

con los centríolos pero aún no se conocen con certeza sus funciones específicas aunque

seguramente participen también en la creación de los MTs crecientes. (Entre ellas se incluyen

centrina, pericentrina y nineina).

Centrosoma

Cada anillo de gamma tubulinas se apoya en la “nube electroquímica que envuelve al par de

centríolos y en esas condiciones los dímeros de y utilizando el molde de las gamma tubulinas

comienzan a formar los nuevos MTs crecientes

POLIMERIZACIÓN DE TUBULINA (DÍMEROS) EN MICROTÚBULOS (POLÍMEROS)

Normalmente por una afinidad química, las moléculas de y tubulina se encuentras asociadas

entre si formando un dímero soluble que se encuentra en el citosol (citoplasma soluble) de todas las

células eucariotas aunque son en el SNC donde se las encuentra en mayor cantidad ( mas del 20%

del total de proteínas citosólicas de las neuronas son moléculas de tubulina).

Como se inicia la polimerización?

En la molécula de Tubulina hay dos sitios de unión a GTP.

Cuando el dímero (Tubulina) recibe las moléculas de GTP recien en esas condiciones está

capacitado para pasar a integrar el polímero (MT). Consumiendo uno de los GTPs consigue la

energia para unirse al MT y asi la estructura tubular comienza a crecer mientras los diferentes

dímeros solubles se van integrando.

Por su parte el MT tiene actividad GTPasa, o sea por el otro extremo se comienza a consumir el

segundo GTP

(ver animación en la presentación power point)

En estas condiciones se lo conoce como “estado de crecimiento” y mientras se dispongan de

dímeros solubles con GTP estos van a ir integrándose haciendo crecer el MT. Cuando no hay mas

dímeros o GTP disponibles, la actividad GTPasa del MT sigue avanzando (GTP TubGDP Tub)

Cuando la última molécula de GTP es “consumida” el sistema entra en “estado de catástrofe”

desarmándose totalmente el polímero liberándose todos los dímeros de GDP Tub. Cuando esas

moléculas incorporar nuevo GTP (GDP TubGTP Tub) dichas moléculas ya están capacitadas

para armar un nuevo MT. Este sistema tan dinámico de armado y desarmado de MT se logra

simplemente regulando la presencia/ausencia de GTP y la disponibilidad de nuevos dímeros de

tubulina.

BIOMOTORES

Siempre fue una preocupación de los investigadores de antaño, el poder explicar el desplazamiento

de vesículas dentro del citoplasma. Nadie podía explicar cómo se provocaban esos desplazamientos

que para nada son erráticos.

¿Cómo hacen las vesículas para desplazarse a lo largo de

los axones en las neuronas teniendo siempre un flujo

unidireccional?

¿Cómo hacen las vesículas citoplasmáticas para desplazarse en forma sincronizada en el

movimiento de los lisosomas, en la secreción de proteínas de exportación o simplemente en sus

viajes entre organelas (por ejemplo del RER al Golgi)?

Todo se fue aclarando cuando se lograron identificar ciertas proteínas que son capaces de realizar

dichas funciones utilizando la trama del citoesqueleto como verdaderas vías de comunicación.

A estas proteínas se las conoce como BIOMOTORES y tiene funciones específicas dependiendo

de qué desplazamiento es el que se quiere llevar a cabo.

En el caso de los biomotores que involucran a los MTs se conocen al menos dos proteínas

específicas, la Kinesina y la Dineina

Sabemos que en función de su construcción los MTs tiene una manifiesta polaridad conociéndose

como extremo negativo (-) al extremo en íntimo contacto con el ring de gamma tubulinas en el

centrosoma perinuclear. El otro extremo del MT (el que crece a través del citoplasma y con

dirección hacia la membrana plasmática) es el extremo positívo (+).

Las kinesinas con un PM de 380 Da son la más pequeña

de las proteínas motoras que actúan sobre los MTs. Son

proteínas fibrosas de 80 nm de largo con una cabeza cuello

y cola y con una zona flexible que le da movilidad.

En su cola tiene una zona de afinidad que puede

interactuar con proteínas integrantes de la membrana de la

vesícula (Kinectina) y con su cabeza y con gasto de ATP

puede unirse a las tubulinas integrantes del MT.

De esta forma, las kinesinas “caminan” por encima de los

MTs “pisando” las tubulinas. Cada “paso” es de 16 nanómetros o sea 16 billonésimas

de metro!

Las Dineínas por su parte son otras proteínas biomotoras que actúan sobre los MTs. Son de mayor

tamaño (2000 Da) y poseen 2 o 3 cadenas pesadas asociadas a varias cadenas livianas y péptidos

intermediarios. Su cabeza globular es el motor y a ella se une el ATP. Su porción basal es la que se

une a otras estructuras o moléculas.

Las Dineínas se encuentra de diferentes formas pero

TODAS a diferencia de las kinesinas se mueven hacia el

extremo negativo del MT “viajando” desde la periferia del

citoplasma hacia la zona perinuclear.

Para transportar una vesícula desde la zona cercana a la membrana plasmática hasta la zona cercana

al núcleo, dicha vesícula debe tener ciertas proteínas insertas en su membrana, esas proteínas se las

conoce como Dinactinas.

En resumen en el siguiente esquema se ejemplifican los dos diferentes desplazamientos

involucrando a Kinesinas y Dineinas que interactuando con sus correspondientes proteínas de

membrana de la vesícula (kinectina y dinactina) se desplazan sobre el mismo MT en ambas

direcciones

(ver animaciones en el archivo power point)

CILIAS Y FLAGELOS

Existen en diferentes tipos celulares ciertas diferenciaciones de

membrana con una complejidad particular y que se involucran

en gran parte de los fenómenos que involucran el desplazamiento

de ciertas células o de ciertas moléculas extracelulares.

Estas estructuras se las conoce como cilias y flagelos y ambas

poseen como biomotor una “sociedad” particular generada por la

asociación de MTs con varias proteínas asociadas formando la

estructura conocida como AXONEMA.

En esta estructura tan particular siempre por debajo de la

membrana plasmática se encuentra un Corpúsculo Basal que no

es otra cosa que un centriolo similar al descripto para la

coordinación de los COMTs y el Huso mitótico

A) Foto de un Paramecium donde se

observan sus cilias encargadas de su

desplazamiento en medios acuosos

B) Foto del epitelio ciliado de la

superficie externa del epitelio traqueal

C) Secuencia fotográfica de la

secuencia de movimiento de desplazamiento

de un espermatozoide de Erizo de Mar

Mientras que la disposición del corpúsculo basal es igual a la de los centriolos (9 tripletes de MTs

con un MT completo el A y dos incompletos, el B y el C)

El Axonema por su parte, posee una disposición muy particular conocida como 9 más 2 en donde

se ubican 9 pares de MTs periféricos incompletos (el MT A es completo pero se le asocia el MT B

incompleto) y un par central completo

Y como se genera el movimiento ondulatorio tan característico de estas estructuras celulares?

Observesé que las dineinas están “ancladas” por sus colas en el MT completo de un par externo

(MT A) mientras que sus cabezas se acercan al MT incompleto del par adyacente (MT B). Entre

pares de MTs periféricos además existen otras proteínas conocidas como Nexinas que mantienen la

forma circular y fijan la estructura.

Cuando las Dineínas captan ATP, la cabeza de la misma se acerca

al MT adyacente y se une a tubulina comenzando a intentar

desplazarse de la misma forma que lo hace en el transporte

intracitoplasmático (desde el extremo positivo hacia el negativo del

MT) pero como toda la estructura esta rígidamente sostenida por

las nexinas, el único movimiento posible es la inclinación del

flagelo

Al estar los MT inmovilizados por la nexina se produce el desplazamiento e inclinación (Flexión).

Cuando se consume el ATP la dineina se suelta del MT B volviendo todo a la posición inicial

INVOLUCRAMIENTO DE LOS MICROTÚBULOS EN LA CLÍNICA MÉDICA

Al igual que lo que ocurre con los FI, solo pequeñas modificaciones de las moléculas intervinientes

en su construcción, mantenimiento y función provocan grandes modificaciones que impactan a

nivel somático.

Una enfermedad producida por la alteración de los MTs es la conocida

como Síndrome del cilio inmóvil que se manifiesta por Bronquiestasia,

Sinusitis e Infertilidad y que se produce porque fallan los brazos de la

Dineina por falta de Nexina

Una de las enfermedades más caracteristicas y que se producen por una alteración de los MTs se la

conoce como Síndrome de Kartagener. Los síntomas incluyen infecciones bronquiales supurativas

de carácter crónico y recurrente, acompañadas por sinusitis. El cuadro respiratorio se completa con

infertilidad en ambos sexos, mareos y aturdimiento general. La

corroboración patognomónica se realiza cuando se practica una

Rx de torax y el individuo presenta Situs Inversus total o

parcial. Esta alteración (el situs inversus) es de origen

embriológico y a veces es hallazgo fortuito ya que cursa sin

síntomas aparentes. Se manifiesta por una disposición anatómica

“en espejo” en donde todos o parte de los órganos asimétricos

(corazón, hígado, estómago etc.) se encuentran situados en el

lado contrario al que se encuentran en un individuo sano.

En el Síndrome de Kartagener están alteradas todas las

estructuras donde existen cilios o flagelos. Están involucrados el

epitelio de las vías respiratorias, los senos paranasales y las

trompas de Eustaquio (Cuadro respiratorio) y las trompas de

Falopio, oviductos y espermatozoides. (Cuadro de Infertilidad).

Las causas de dicha enfermedad se encuentran cuando se

descubre que existe una falla ciliar primaria debido a alteraciones

estructurales o funcionales en los microtúbulos.

Faltan o fallan los brazos de la Dineina

Observese en la foto de ME un corte de un axonema de un

espermatozoide en donde se visualiza la falta de algunos

“brazos de dineina”

Otra enfermedad que también involucra a los MTs es el síndrome congénito de Chédiak Higashi , Los niños que han heredado este trastorno tienen entre otros síntomas un incremento de infecciones

en pulmones, piel y membranas mucosas con pronóstico

reservado. Los adultos que sobreviven desarrollan alteraciones

nerviosas en las extremidades con cambios motores y sensoriales y

debilidad. En cuanto a sus causas,

los leucocitos no poseen la

capacidad de fagocitar bacterias.

Hay una alteración de los MTs no

pudiendo realizarse con precisión el

desplazamiento de los gránulos.

Hay presencia de gránulos lisosomales gigantes en los GB. La

principal causa de este síndrome es la disfunción de los lisosomas

primarios debido a anormalidades en los MT

Existe otra enfermedad que se manifiesta por lenta pérdida

de la actividad motora principalmente de la musculatura

estriada con deterioro neuronal progresivo y muerte. Se la

conoce como Enfermedad de Alzheimer y se produce por

exceso de quinasas o falta de fosfatasas que provocan que la

Proteína Tau (una de las proteínas neuronales asociadas a

los MTs) esté excesivamente fosforilada no pudiendo evitar

la despolimerizacion de los MTs en el extremo positivo del

axon .

Dentro de otras patologías de origen nervioso se encuentra la Demencia Frontotemporal, en donde

el paciente presenta alteraciones de la memoria y el lenguaje con incapacidad de realizar funciones

ejecutivas siendo la falla de la memoria la característica más importante. En este caso, existe

degeneración de los lóbulos frontales y temporales asociados a inclusiones intraneuronales (Pick

bodies) conteniendo proteína TAU en exceso e hiperfosforilada. Las causas son generadas por una

mutación en el gen que codifica para dicha proteína generándose

una proteína Tau anómala, incapaz de asociarse a los MT e

inactiva.

Demencia frontotemporal "sin cambios" con afectación de

motoneurona: Desmielinización de la sustancia blanca.

Coloración Luxol-fast-blue.

CONOCIENDO A LOS MICROTÚBULOS Y LAS MOLÉCULAS QUE SE LE ASOCIAN

PODEMOS CURAR ENFERMEDADES

El estudio y conocimiento de la Biología Celular no solo capacita para el entendimiento de las

funciones específicas de las organelas que componen a las células sino que además permite utilizar

dichos conocimientos para el desarrollo de estrategias de ataque a casi todas las enfermedades que

cursen con alguna alteración a nivel celular. Se incluyen a continuación algunas estrategias que ya

se aplican para al menos dos manifestaciones patológicas muy distanciadas entre sí de acuerdo a su

etiología y cuadro.

¿Cómo podríamos “atacar” al Cáncer?

El cáncer es una patología conocida por todos. Se sabe que una célula cancerosa ha perdido

su capacidad de interactuar fisiológicamente con sus pares. Además, dicha célula maligna, antes de

llegar a su estado “adulto” se vuelve a duplicar descontroladamente no ejerciendo su función

específica en el organismo enfermo. Debido a su malignidad, solo se dedica a reproducirse

compitiendo el espacio físico con las células normales. Sus demandas energéticas son enormes

comprometiendo primero la sobrevida del órgano y al final todo el organismo.

Si de alguna forma paramos la mitosis eso no frenaría el desarrollo del tumor? Sabiendo el amplio involucramiento de los MTs en lo que es la división celular (mitosis) se

desarrollaron muchas drogas (conocidas como quimioterápicas) dirigidas a

“controlar la división celular”. Como las células malignas están

continuamente en división son el blanco preferido de dichas drogas aunque

dichas drogas no pueden discriminar entre células enfermas y sanas

paralizando además la mitosis de las células sanas. Así se desarrollaron drogas como el Taxol y la Vinblastina que actúan

“inmovilizando” o despolimerizando los MTs de dichas células.

Actualmente estas drogas están indicadas para cáncer de útero y tumor

venéreo de Sticker respectivamente.

¿Se pueden “crear” drogas que ataquen a los parásitos?

Una enfermedad de amplio interés veterinario son las endoparasitosis ya que los endoparásitos

provocan grandes pérdidas en los animales de compañía y en rodeos bovinos y ovinos entre otros.

Sabiendo que los MTs se encuentran en todas

las células eucariotas se desarrollaron en la

década del 50 ciertas drogas que que poseen

mayor afinidad por la tubulina del parásito que

por la tubulina del hospedador.

Hoy son una de las herramientas

fundamentales para la lucha antiparasitaria. Dentro de estas drogas los

benzimidazoles antihelmínticos son un claro ejemplo.

LOS MICROFILAMENTOS (MF)

El tercer componente del citoesqueleto (de los conocidos hasta hoy) se lo conoce como

Microfilamentos (MF) o Filamentos de Actina. Al igual que los MTs, los MF están formados por

una única unidad proteica que en este caso se la conoce como ACTINA.

Los monómeros de Actina en presencia de ATP adquieren la capacidad de incorporarse en el

polímero (MF). De esta forma la Actina G (globular) se transforma en Actina F (filamentosa)

(Ver animación en el archivo power point)

Los MFs se asemejan a dos collares de perlas retorcidos en donde cada perla se corresponde con

una molécula de Actina

Su disposición al igual que los MTs son exclusivamente intracitoplasmáticos y realizan varias

funciones celulares específicas entre las cuales se destacan su participación en las Miofibrillas de la

contracción muscular, en la Reacción Acrosomal del espermatozoide en su ingreso al óvulo para

realizar la fecundación, en la Citocinesis o estrangulamiento de la membrana plasmática en una

célula en división, en los Microvilli o microvellosidades de la membrana de ciertas células de

absorción, en los Estereocilios del oído interno, en los Desmosomas en Banda, en las Fibras de

Stress en células sometidas a presión o roce mecánico y en la Locomoción Ameboidea de ciertos

tipos celulares

Esta diversidad de funciones se explica por la participación de diferentes proteínas asociadas a los

MF tal como se desprende en el siguiente esquema

La mayoría de las proteínas asociadas a los MF actúan “armando” diferentes estructuras en donde

los MF actúan como material base. Así las Tropomiosinas cofilamentan con los MF dándoles mas

rígidez para la realización de determinadas funciones, las Profilinas y la Gelsolina se unen a ciertas

moléculas de Actina despolimerizando al MF, las Filaminas y Alfa actininas se enlazan entre MF

generando una estructura entramada más laxa y capaz de retener agua (gelificación). Las Fimbrinas

y Villinas son proteínas enlazantes que generan estructuras más rígidas y estables al unirse a varios

MFs a la vez en una disposición conocida como “atado de cañas”.

Los MF al igual que los MTs poseen proteínas asociadas que actúan como biomotores. En este caso

se las conoce como Miosinas que de igual manera que otros biomotores se desplazan sobre el

filamento en una dirección determinada. De esta forma interactuando entre dos MFs, la Miosina

puede generar desplazamientos anclándose en un MF y apoyando su cabeza en otro

O transportar una vesícula específica interactuando con un MF y una proteína de membrana de la

vesícula

FUNCIONES DE LOS MFs

Una de las partes más interesantes del desarrollo de un embrión es la organización distribución y

relocalización de ciertos tipos celulares que posteriormente serán los encargados de generar los

diferentes órganos y sistemas que integran un ser vivo al

nacer. Todo este fenómeno de desplazamientos de células

debe tener una precisión extrema dado que cualquier

modificación en lo previsto terminará generando alguna

malformación que seguramente llevará a la muerte fetal

Uno de los fenómenos más difíciles de entender en estos

estadios tempranos del desarrollo es la generación de

estructuras huecas tridimensionales (tubos) a partir de un

tejido dispuesto en dos planos. Un claro ejemplo de ello es la

generación del tubo neural que posteriormente dará cabida a

la columna vertebral

Y acá es donde “trabajan” los desmosomas en banda

Pero…. ¿qué es un desmosoma en banda?

Ciertos tipos celulares poseen en determinado lugar del citoplasma y adosado a la membrana

plasmática una estructura filamentosa formada íntegramente por MF alineados

interactuando con miosina citoplasmática.

Este “cinturón” no solo se ubica en una célula sino

que además puede interactuar con las células

vecinas generándose una estructura más compleja que integra

varias células adyacentes. Si este entramado de MFs se asocia con miosina, consumiendo ATP, las

miosinas realizan el desplazamiento de MFs cercanos acortando el largo final de la trama.

Las células sometidas a dicha tracción pierden su forma

cúbica para tomar forma trapezoidal con una base más ancha

que su porción apical. Como resultado, el grupo de células en

donde se produjo la tracción son desplazadas del plano medio. Si la presión continúa, el

acercamiento de los extremos desde donde comenzó la tracción se hace tal que llegado un momento

puede “desprenderse” la fracción tensionada y unirse los dos extremos que entraron en contacto

Como resultado final un tubo hueco se desprende de la parte inferior de la superficie plana que le

dio origen

Otro fenómeno particular que se desarrolla gracias a la participación de los MFs es el conocido

como Citocinesis. Cuando una célula decide entrar en división una serie de pasos sincronizados

deben realizarse paulatinamente. Luego que los cromosomas ya duplicados son traccionados hacia

los polos a través del huso mitótico (via MTs), la célula debe dividirse en las dos células hijas

idénticas y es aquí donde nuevamente los MFs asociados a Miosina citoplasmática cumplen su

función consumiendo ATP en dicho proceso.

Este proceso, al igual que el que ocurre en los desmosomas en bandas no es un fenómeno por

acortamiento de los MFs sino por el contrario es un fenómeno de desplazamiento entre MFs

cercanos.

En este proceso en particular fue demostrada la necesaria participación de la Miosina. Para ello se

diseñaron experimentos in vitro de células en división pero en presencia de determinadas enzimas

hidrolíticas que anularon la presencia de las miosinas. El resultado fue que las células iniciaron la

división normalmente pero al querer dividirse en 2 células hijas y no poder desarrollar la citocinesis

terminan en células binucleadas de citoplasmas grandes que no pueden continuar futuras divisiones.

Otro de los fenómenos mas interesntes que ocurren en ciertos tipos celulares es el conocido como

Movimiento Ameboide en donde a traves de este mecanismo, la célula puede desplazarse entre otras

células con un destino determinado para

lo cual emite prolongaciones

citoplasmáticas conocidas como

pseudópodos (pseudo podo: similar a un

pie). Este medio de desplazamiento es el

utilizado por ciertos tipos de Globulos

Blancos (GB) que detectan por

quimiotaxismo la presencia de material

exógeno extraño (bacterias, virus,

partículas de tierra etc.). Debido a su

capacidad de emitir pseudópodos salen

de los vasos sanguineos y se dirigen al

encuentro del material extraño el cual

intentarán fagocitar. En esa “lucha”

siempre uno sale victorioso. Si el

ganador es el GB retornará a sangre con

el material fagocitado, pero si gana el material extraño, el GB no sobrevive a la lucha y se

transforma en Piocito siendo el principal componente de los que todos conocemos como Pus.

Por ello, siempre una herida infectada con pus habla de una lucha donde los GB van perdiendo.

La emisión de un pseudópodo se realiza gracias a la intervención de varias proteinas asociadas a

MFs (Filamina, Villina y Gelsolina) que hacen variar la densidad del ectoplasma (region mas

periferica del citoplasma). Debido a diferentes presiones entre el medio interno celular y el

extracelular la célula en reposo mantiene su ectoplasma en forma de Actina Gel gracias a la

intervención de la Filamina. Cuando la célula decide emitir un pseudopodo en esa zona deja de

actuar Filamina y actuan Villina y Gelsolina que en presencia de Ca+ desarman los MFs licuándose

esa zona y pasando a los MFs al estado de Actina Sol.

Dado que la presión interna es mayor que la externa y debido a

la elasticidad de la membrana citoplasmática, la membrana

comienza a “estirarse” hacia afuera siendo acompañada por

todo el contenido citoplasmático. Una vez llegada a la distancia

adecuada, interviene nuevamente la Filamina gelificando esa

porción, el extremo mas externo de la membrana se apoya en el

sustrato y la membrana se retrae traccionando toda la célula en

esa dirección.

Otra estructura celular que se incluye dentro de las diferenciaciones de membrana y en donde están

involucrados los MFs son las Microvellosidades (Microvillis). Estas diferenciaciones son rígidas

prolongaciones de membrana que protruyen hacia la luz del órgano. Son por ejemplo, las

características prolongaciones que el epitelio intestinal emite hacia la luz del intestino para

aumentar la superficie de absorción de la célula del epitelio intestinal.

Microvellosidades

A la izquierda se observa un clásico esquema de una célula epitelial del

intestino en donde se observan las microvellosidades las cuales incluyen

en su interior un entramado de fibras que actúan de relleno para el

mantenimiento de la estructura en forma de “dedo de guante”. Ese

entramado a su vez interactúa mas adentro del citoplasma con otras

fibras (los FI) generándose así una estructura muy rígida y estable.

Esa estructura en “dedo de guante” se consigue gracias a la coparticipación de MFs asociados a

Villina y Fimbrina

Otro fenómeno biológico en donde los MFs son “los protagonistas” es el conocido como Reacción

Acrosomal. En el momento cúlmine de la generación de un nuevo ser, millones de espermatozoides

pugnan por ingresar al interior del óvulo, si esto no fuera finamente controlado miles de ellos

ingresarían aportando su batería cromosómica y por ende la necesidad de generar un nuevo ser 2n

formado por un n materno y un n paterno no se lograría. Para ello existen diferentes “controles de

acceso” que permiten el ingreso de un solo espermatozoide al interior del óvulo. El óvulo debido a

ello está envuelto en una triple pared que dificulta sobremanera el ingreso de cualquier elemento

externo.

Cubierta gelatinosa

Membrana Vitelina

Membrana Citoplasmática

Los espermatozoides deben poder vencer dicha barrera pero de una manera controlada. Para ello

poseen en su cabeza un casquete (vesícula) que contiene enzimas hidrolíticas específicas, ese

casquete es conocido como Acrosoma o Vesícula acrosómica. El espermatozoide además posee por

debajo de la vesícula acrosómica un pool de Actina G (Actina globular soluble). Cuando el primer

espermatozoide llega al óvulo, al entrar en contacto con la cubierta gelatinosa, unos receptores

específicos insertos en la membrana dan una señal que desencadena lo que se conoce como

Reacción Acrosomal.

Para ello su casquete se abre

desprendiendo las enzimas al medio

externo. Mientras las enzimas

liberadas comienzan a degradar la

cubierta gelatinosa del óvulo, las

moléculas de Actina G

(consumiendo ATP) comienzan a

asociarse rápidamente formando

MFs que alineados comienzan a

crecer en forma de “estilete”

La degradación de la cubierta es tal

que el espermatozoide finalmente

entra en contacto con la membrana plasmática fusionando ambas membranas en una sola (la M.

plasmática del óvulo y la del espermatozoide), en ese mismo momento los MFs polimerizados a

partir de la Actina G rápidamente se despolimerizan a Actina G soluble que se dispersa por el

citoplasma quedando el camino libre para el ingreso del núcleo del espermatozoide al citoplasma

del óvulo.

Como hemos visto hasta ahora, los MFs asociados con diferentes proteínas específicas pueden

realizar variadas funciones, pero todavía no hemos visto todo. Una de las funciones más

interesantes y complejas la realizan (con resultados visibles a nivel macroscópico) a nivel de un

tejido especialmente diseñado, permitiendo que un ser vivo (mamífero, peces o anfibios) pueda

desplazarse en su medio. Son piezas fundamentales en la estructuración del aparato locomotor al

ser parte primordial de la unidad contráctil del tejido muscular conocida como Sarcómera

LA SARCÓMERA

Como ya sabemos la miofibrilla (célula muscular) es una célula multinucleada alargada que está en

íntimo contacto con la adyacente y alineada en la misma dirección. Estas células consumiendo ATP

se contraen en forma independiente pero si

este fenómeno ocurre en forma sincronizada,

el resultado final es la contracción de varios

cms. de extensión que ocurre finalmente en el

músculo

La unidad contráctil del tejido muscular se la

conoce como sarcómera y está formada

fundamentalmente por la asociación de dos

componentes del citoesqueleto (MFs y FIs)

asociados con Miosina.

La asociación de los MFs entre sí genera un

filamento que se dispone a lo largo de la

sarcómera asociado a Tropomiosina y

Troponinas que

le dan rigidez a

la estructura

formada. Este filamento se lo conoce como Filamento Delgado y

está firmemente anclado a Filamentos Intermedios de Desmina

dispuestos en forma perpendicular a la dirección de la contracción

(Banda Z). Por su parte las Miosinas se agrupan en forma alineada FILAMENTO DELGADO

generando los Filamentos Gruesos que se disponen paralelos a los Filamentos Delgados estando en

íntimo contacto con ellos.

Dichas Miosinas son proteínas filamentosas que en un extremo tienen una

porción globular (cabeza) con actividad ATPasa. Por debajo de ella existe

una porción flexible que le permite a la molécula tridimensionalmente tomar

MIOSINA diferente posición (“flexionar el cuello”).

El Filamento Grueso está formado por varias Miosinas

alineadas dejando las cabezas expuestas hacia el exterior del

filamento. Cuando la “cabeza de la miosina recibe ATP se

produce una relajación del “cuello” de la misma molécula

dándole afinidad para unirse a una molécula de Actina del FILAMENTO GRUESO

Filamento Delgado adyacente.

Una vez firmemente unida la cabeza de las miosinas a las actinas consumiendo el ATP incorporado

la miosina “flexiona el cuello” traccionando a todo el MF. (ver animación en el archivo power point)

INVOLUCRAMIENTO DE LOS MICROFILAMENTOS EN LA CLÍNICA MÉDICA

Muchas de las patologías que involucran a los MFs están dirigidas fundamentalmente al tejido

sanguíneo y al muscular. Asi se conocen las Anemias Hemolíticas Esferocitarias que se

manifiestan por anormalidades a nivel de los Glóbulos Rojos (GR) con pérdida de la forma y de la

resistencia de los mismos. La causa que genera dicha

patología es la presencia de mutantes de Espectrina,

(proteína asociada a MFs en el GR responsable del

mantenimiento del entramado que por debajo de la

membrana plasmática del GR mantiene la forma tan

particular de ésta célula anucleada) Dicha mutación de la

Espectrina provoca desde el nacimiento deficiencias de

la misma con alteraciones de la asociación espectrina-

actina y deformaciones esferocitarias con pérdida de la

capacidad de transporte de O2

A nivel de los músculos las deficiencias o alteraciones a nivel de

los MFs provocan Miopatías que afectan a la musculatura estriada

voluntaria y Cardiomiopatías con afección directa al músculo

cardíaco

En las miopatías en general la alteración se produce generalmente

porque aumenta la Alfa Actinina cercana a discos Z (FIs) y

asociada a proteínas extracelulares como Vinculina y/o

Fibronectina . En cambio en las cardiomiopatías hay acumulación

excesiva de Desmina (FI).

RESUMEN FINAL

Cada componente del citoesqueleto tiene una función determinada y a su vez puede

compartir funciones interactuando con algún otro componente

Todo lo que incluya movimiento o cambio de forma en la célula tiene involucrado

seguramente algún componente del citoesqueleto

Sus diferentes funciones van a depender de las diferentes asociaciones que realice con sus

proteínas asociadas

Autor : Dr. Hugo D. Solana

Mayo 2011