Tema 6 - Citoesqueleto. Estructura y Composición, Dinámica, etc. PDF

Preview

Summary

Download Tema 6 - Citoesqueleto. Estructura y Composición, Dinámica, etc. PDF

Description

TEMA 6. EL CITOESQUELETO. ‘Red de filamentos proteicos con función esquelética que constituyen el “andamio” interno de la célula’. Se encuentra en todas las células eucariotas y en él se diferencian tres tipos de filamentos que de menor a mayor grosor son: los microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos.

1. MICROTÚBULOS. CONCEPTOS BÁSICOS: ·Definición. Estructuras cilíndricas, largas, no ramificadas, rígidas y dinámicas de las células eucariotas. ·Diámetro: 25 nm. ·Función: mantener la forma celular y participar en movimientos celulares. ·Estructura: Los microtúbulos están formados por moléculas de tubulina, cada una de las cuales es un dímero compuesto por dos proteínas globulares muy semejantes denominadas alfa-tubulina y beta-tubulina. Los dímeros de tubulina se asocian formando protofilamentos.. Estos se asocian para formar la pared del microtúbulo. La pared de un microtúbulo está compuesta por 13 protofilamentos (asociación de dímeros de tubulina) paralelos, formado cada uno por una cadena lineal de dímeros de tubulina en la que se alternan alfas y betas. Cada protofilamento tiene una polaridad estructural, con la alfa-tubulina expuesta en un extremo y la beta-tubulina en el otro y esta polaridad es la misma en todos los protofilamentos. Uno de los extremos, corresponde a la beta-tubulina, y es el extremo +, mientras que el otro, corresponde a la alfa-tubulina y es el extremo - .

La alfa-tubulina y beta-tubulina cogen GTP y de esta manera forman el polímero. Una vez cogen GTP y polimerizan, lo pasan a GDP. Cuando pasan a GDP tienden a despolimerizar. La parte positiva tiende a crecer rápidamente y a ella se unen más tubulinas. En la zona positiva encontramos GTP. La parte negativa crece más lentamente ya que tiende a despolimerizar. En la zona negativa encontramos GDP. (*Dato Codes: los microtúbulos se originan a partir del COM, que en las células animales se denomina material pericentriolar y en vegetales, material birrefrigente del centrosoma.)

Propiedades de la tubulina: 1º. Tienen una propiedad llamada inestabilidad dinámica. La tubulina polimeriza en presencia de GTP pero cuando lo hidroliza a GDP tiende a despolimerizar. Una vez producida la nucleación de un microtúbulo, su extremo positivo suele crecer hacia afuera del centro organizador por adición de tubulina durante varios minutos. Luego, el microtúbulo sufre una transición brusca que hace que se retraiga con rapidez hacia adentro con pérdida de tubulina en su extremo libre. Este comportamiento se conoce como inestabilidad dinámica y deriva, de la capacidad de las moléculas de tubulina de hidrolizar GTP. Cada dímero de tubulina libre contiene una molécula de GTP estrechamente unida que es hidrolizada a GDP poco después de la adición de la tubulina a un microtúbulo en crecimiento. 2º.Una segunda propiedad es que la estructura se encuentra dos veces polimerizada: una funcional y otra estructuralmente. 3º. Cuando la polimerización se produce con rapidez, las moléculas de tubulina se agregan al extremo del microtúbulo más rápido de lo que se hidroliza el GTP que contienen. Por lo tanto, el extremo de un microtúbulo en crecimiento está compuesto íntegramente por subunidades de GTP-tubulina, que forman lo que se conoce como CASQUETE DE GTP = CAPUCHA GTP (zona de crecimiento). En esta situación, el microtúbulo continuará creciendo. Sin embargo, a veces la tubulina del extremo libre del microtúbulo hidroliza su GTP antes de que se añada la siguiente tubulina, de manera que los extremos libres de los protofilamentos están compuestos, ahora por subunidades de GDP-tubulina. Esto favorece el desensamblaje. Como el resto del microtúbulo está compuesto por GDP-tubulina, una vez se ha iniciado la despolarización, esta tiende a continuar, a menudo a gran velocidad y el microtúbulo comienza a contraerse con rapidez e incluso puede desaparecer, es lo que se conoce como CATÁSTROFE. Esta última propiedad es consecuencia de la inestabilidad dinámica, es decir, del hecho de que la tubulina hidrolice GTP, puesto que esto hace que el microtúbulo desaparezca.

Para evitar la despolimerización del microtúbulo, las células aplican un COM= CENTRO ORGANIZADOR DE MICROTÚBULOS o un CASQUETE= CAPUCHA DE PROTEÍNAS. (Estos pueden estar tanto en el extremo + como en el -). La zona de alfa-tubulina (el extremo -) suele estar anclada a un COM que la estabiliza. De este modo, encontraremos algunos microtúbulos con catástrofe y otros estabilizados por casquetes de proteínas. Como el extremo – tiende a crecer poco y tiene GDP, tiende a cortarse. Tras añadir la capucha de proteínas al extremo positivo al ocurrir la catástrofe, queda finalmente GDP, pero el microtúbulo está estabilizado por ésta. Sin embargo, cuando tienen GDP pierden afinidad entre ellos, por lo que se curvan. El centrosoma es el principal centro organizador de microtúbulos en las células animales. Este, que suele estar cerca del núcleo cuando la célula no está en mitosis, organiza la disposición de los microtúbulos que irradian hacia fuera de éste. Los centrosomas contienen cientos de estructuras anulares formados por un tipo de tubulina (la gamma tubulina), punto de partida

del crecimiento del microtúbulo. Los dímeros de tubulina se agregan al anillo de gamma tubulina con una orientación específica, lo que determina que el extremo – de cada microtúbulo quede incluido en el centrosoma y que el crecimiento tenga lugar sólo en el extremo +, es decir, orientado hacia afuera. El centrosoma contiene, además un par de centríolos. Los microtúbulos se mantienen por un equilibrio entre el ensamblaje y el desensamblaje. Es posible evitar que un microtúbulo que crece a partir de un centrosoma se desensamble si su extremo más es estabilizado de manera permanente por unión a otra molécula o estructura celular, de manera de evitar la despolimerización de la tubulina. Fármacos que impiden polimerización/despolimerización de microtúbulos: Si una célula en mitosis es expuesta al fármaco colchicina, que se une a la tubulina libre e impide su polimerización en microtúbulos, el huso mitótico desaparece con rapidez, inhibiendo así la mitosis. (El huso mitótico se mantiene en equilibrio constante por la adición y pérdida de tubulina). El fármaco taxol ejerce el efecto opuesto, ya que se une a los microtúbulos e impide la despolimerización. Como, aun así se pueden seguir agregando nuevas subunidades, los microtúbulos pueden crecer, pero no pueden retraerse. El taxol tiene el mismo efecto global sobre la célula que la colchicina: también detiene la mitosis de una célula en división. Esto indica que para que el huso funcione, los microtúbulos tienen que ser capaces de ensamblarse y desensamblarse. La desactivación del huso mitótico destruye finalmente a las células en división. Las células cancerosas, que se dividen con menos control que el resto de células, a veces pueden ser destruidas por fármacos antimitóticos estabilizadores y desestabilizadores de microtúbulos. Así, los fármacos que interfieren con la polimerización y despolimerización, como colchicina, taxol, vincristina y vinblastina, se utilizan en quimioterapia.

La estabilización selectiva de los microtúbulos puede polarizar una célula. Un microtúbulo recién formado persistirá solo si sus dos extremos están protegidos contra la despolimerización. En las células, los extremos menos de los microtúbulos suelen estar protegidos por los centros organizadores a partir de los que crecen estos filamentos. Los extremos más al principio están libres, pero pueden estar estabilizados por otras proteínas.

Proteínas asociadas a microtúbulos:  MAP = Proteínas asociadas a microtúbulos. Catalizan polimerizaciones, despolimerizaciones. Algunas, se colocan alrededor y estabilizan el microtúbulo. Dependen del tipo y localización de la célula. Ejemplo: La “Tau” es la MAP específica de los axones de las neuronas y estabiliza los microtúbulos. Está relacionada con el alzheimer.

 MOTORAS. Ayudan a los microtúbulos a moverse. DATO: La tubulina se recicla. ORIENTACIÓN DE LOS MICROTÚBULOS. Los microtúbulos intervienen, en interfase en el transporte intracelular y en la mitosis en la migración de cromosomas. Cuatro ejemplos donde podemos encontrar los microtúbulos:

1º. Célula en interfase. El centrosoma (estructura verde) que puede tener dos cilindros en su interior llamados centriolos, es un tipo de COM. En interfase, este orienta los microtúbulos con el extremo + hacia afuera. 2º. Célula en división (Mitosis). Lo veremos posteriormente en el tema de la mitosis. El cáncer es el descontrol del ciclo celular. En la naturaleza existen compuestos capaces de inhibir la mitosis: Colchicina, vincristina y vinblastina (impiden la polimerización) y el taxol (impide la despolimerización). En cualquier caso, impiden la dinámica de los microtúbulos. “Los microtúbulos son importantes porque son dinámicos, si fueran estáticos no podrían funcionar”. 3º. Célula ciliada. El esqueleto de cilios y flagelos se llama axonema. Este se forma por microtúbulos estabilizados (no son dinámicos). El corpúsculo basal es una estructura formada por microtúbulos estabilizados y sirve para formar cilios y flagelos. Encontramos otras estructuras parecidas, los centriolos que se encuentran en los centrosomas. Todos son microtúbulos estabilizados. 4º. Célula nerviosa. Tiene prolongaciones de axones en las que encontramos microtúbulos. Los microtúbulos transportan carga a lo largo del axón de las células nerviosas. En éstas, todos los microtúbulos del axón apuntan en la misma dirección, con sus extremos más dirigidos hacia la terminación axónica. Los microtúbulos orientados son como carriles para el transporte direccional de materiales sintetizados en el cuerpo celular, pero necesarios en la terminación del axón (ej: proteínas de membrana requeridas en el crecimiento). El tráfico es bidireccional (se transportan ciertas sustancias hacia el interior y otras hacia el exterior) y en él intervienen las proteínas motoras.

FUNCIONES DE LOS MICROTÚBULOS: 1. Forman parte del citoesqueleto.

2. Intervienen en el transporte intracelular de orgánulos y vesículas. 3. Mantienen la forma y la estructura celular. 4. Intervienen en la migración de cromosomas y en el alargamiento celular, en la mitosis y en la meiosis. 5. Forman parte de los centriolos y corpúsculos basales. 6. Forman parte de cilios y flagelos, y participan en el movimiento ciliar y flagelar. TIPOS DE MICROTÚBULOS: ·Estables: forman parte de centriolos, cilios y flagelos. ·Lábiles. TRANSPORTE INTRACELULAR MEDIADO POR MICROTÚBULOS. Proteínas motoras. Las proteínas motoras impulsan el transporte intracelular. Tanto los microtúbulos como los filamentos de actina participan en los movimientos intracelulares dirigidos en las células eucariontes. En ambos casos, los movimientos son generados por proteínas motoras, que utilizan energía derivada de la hidrolisis de ATP y viajan a lo largo del filamento de actina o microtúbulo en una sola dirección. Al mismo tiempo, estas proteínas motoras también se unen a otros componentes celulares y, así transportan esta carga a lo largo de los filamentos. Se han identificado docenas, y se diferencian entre sí por el tipo de filamento al que se unen, la dirección que siguen a lo largo del filamento y la carga que transportan. Las proteínas motoras que se desplazan a lo largo de los microtúbulos citoplasmáticos, como las del axón de una célula nerviosa, pertenecen a dos familias: las cinesinas=quinesinas y las dineínas. Las primeras en descubrirse fueron las dineínas en los cilios.  Quinesinas. Se suelen desplazar hacia el extremo + de un microtúbulo (alejándose del centrosoma). Hay hasta 14 tipos.  Dineínas. Se desplazan hacia el extremo – del microtúbulo (hacia el centrosoma). Son más grandes. Hay dos tipos: las del cilio y las del citosol. (A su vez, en el citosol hay varios tipos). Ambas son dímeros con un componente globular (cabeza) que tiene actividad ATPasa y un componente filamentoso (cola) que se enrrolla.

Cómo funcionan: -Dineínas: El extremo filamentoso coge la carga (una membrana: vesícula, endosoma, lisosoma, membrana del RE o del Golgi, mitocondria) mediante una proteína filamentosa. El extremo – en una célula está en el centro, donde se encuentra el núcleo, el aparato de Golgi y los endosomas tardíos. Todos estos se mueven, por tanto con dineína. Las dineínas actúan de forma retrógrada. -Quinesinas: de igual forma, el extremo filamentoso coge la carga. Dicha carga puede ser cualquier membrana, pero a diferencia de las dineínas, estas van casi todas (NO todas) hacia el extremo +. Las vesículas del Golgi, lisosomas, RE, mitocondrias... se anclan a quinesinas ya que se mueven hacia fuera. Actúan de forma anterógrada. Los microtúbulos no llegan a unirse a la membrana. Movimiento de proteínas motoras: Cada vez que se hidroliza ATP se produce un movimiento de proteínas y se desplazan sobre los microtúbulos. Funcionan por cambios alostéricos, es decir, cambios en la conformación de la

proteína. La miosina actúa de forma similar. Las quinesinas y la miosina proceden del mismo gen en el organismo ancestral, ambas se mueven hacia el extremo +. Las proteínas motoras se desplazan a lo largo de los microtúbulos impulsadas por sus cabezas globulares. Por lo general, la cola de una proteína motora se une en forma estable a algún componente celular y esta unión determina el tipo de carga que puede transportar dicha proteína. Las cabezas globulares de quinesinas y dineína son enzimas que hidrolizan ATP, reacción que aporta la energía para un ciclo de cambios conformacionales de la cabeza que le permiten desplazarse a lo largo del microtúbulo mediante un ciclo de unión, separación y nueva unión.

Los orgánulos se desplazan a lo largo de los microtúbulos. En la mayoría de las células animales, los túbulos del RE llegan casi hasta el borde celular (hacia afuera-->quinesinas), mientras que el complejo de Golgi se localiza en la profundidad de la célula (hacia dentro-->dineínas), cerca del centrosoma. La alineación y posición tanto del RE como del Golgi dependen de los microtúbulos. MICROTÚBULOS ESTABLES: 1º. Centriolos. Son estructuras constituidas por microtúbulos cortos de disposición cilíndrica. Estos son similares, casi idénticos a los cuerpos basales que forman los COM de cilios y flagelos. Se encuentran dentro de una estructura llamada centrosoma. Cada centrosoma contiene dos centriolos perpendiculares entre sí y un material amorfo que lo rodea material pericentriolar. El material pericentriolar tiene la gamma-tubulina. Dado que las células vegetales carecen de centriolos, la importancia la tiene el material pericentriolar. Estructura de centriolos: Cada cilindro consta de 9 grupos de tres microtúbulos cada uno. Cada grupo de tres microtúbulos se denomina triplete. Normalmente no se distinguen durante la interfase.

Imagen: A,B,C son microtúbulos. El A es completo porque está formado por 13 protofilamentos, mientras que B y C son incompletos porque tienen una parte que se

solapa con A, y poseen entre 10-11 protofilamentos. Entre los tripletes existen unos brazos radiales de nexina que unen un triplete con los tripletes vecinos. Entre los tripletes hay una proteína que forma los radios. Fórmula: 9(3) + 0 microtúbulos (En el centro no hay microtúbulos). Multiplicación de centriolos: Las células animales tienen un par de centriolos, perpendiculares entre sí, y se duplican en G2, poco antes de la división celular. Cada par formado por un centriolo y un procentriolo (centriolo recién dividido), migra a cada polo de la célula para formar el huso mitótico. El centrosoma es muy importante para la mitosis, para que esta tenga lugar los centrosomas y centriolos se duplican. La duplicación es de forma semiconservativa. Uno de los centriolos es el centriolo madre (azul) y de sus alrededores es de donde pueden salir los microtúbulos. El otro centriolo es el centriolo hijo (rosa). Ambos se separan un poco. Cada uno va a hacer de molde para el

otro centriolo perpendicular (el azul hace de molde para el naranja que va a ir creciendo). El material pericentriolar (verde) facilita que el microtúbulo se ensamble. Así es como se duplican los centriolos. Los centriolos que se encuentran en los cilios son muy similares a los centrosomas. El centrosoma permite que la tubulina pueda tener un molde para crecer: la gamma tubulina forma unos círculos para mostrar a la tubulina cómo se tiene que colocar. De estos círculos van creciendo los microtúbulos. (La gamma tubulina es como un molde). Atraen a las primeras tubulinas para formar los microtúbulos. Por tanto, los centrosomas son la base. Los centrosomas orientan, por ejemplo, la dirección de los cilios. Para distinguir centriolos madres de hijos: nos fijamos en los microtúbulos. Los centriolos madres presentan microtúbulos en sus alrededores. Movimiento centriolos: Cuando se dividen tienen dos tipos de movimiento. No van a ser estáticos. ·Traslación. ·Rotación. 2º. Corpúsculos basales de cilios y flagelos.

Las células no solo dividen los centriolos o centrosomas para formar el huso mitótico, sino también para formar los cilios y flagelos. Los cilios son estructuras piliformes de alrededor de 0,25 micras de diámetro, cubiertas de MP, que parten de la superficie de varios tipos de células eucariotas. Estos desplazan agua sobre la superficie de una célula o propulsan células aisladas a través de un medio líquido. Los flagelos que impulsan a los espermatozoides y a muchos protozoos presentan una estructura interna muy similar a la de los cilios pero, por lo general, son mucho más largos. Estos desplazan a toda la célula, y en lugar de generar una corriente, propagan ondas regulares a lo largo de toda su extensión que impulsan a las células a través de un medio líquido. Estructura: Cada cilio contiene una porción central formada por un haz de microtúbulos estables que crecen a partir de un cuerpo basal localizado en el citoplasma. El cuerpo basal actúa como centro organizador del cilio. Es casi idéntico a un centrosoma.

Cuando los centriolos se dividen, dan lugar a los cuerpos basales. Estos forman el esqueleto basal de cilios y flagelos, conocido como axonema. El axonema está formado por microtúbulos estables. En lugar de tripletes de microtúbulos estables, tiene dobletes: uno completo por 13 protofilamentos y el B con 10-11 protofilamentos. Los radios van hacia el centro. En el centro encontramos un doblete (no se superpone).

Imagen: los microtúbulos de un cilio o flagelo presentan una disposición 9+2. Los nueve microtúbulos externos contienen dineína. Las cabezas de estas moléculas se observan como pares de brazos que se extienden hacia el microtúbulo adyacente. En un cilio de una célula viva, las cabezas de dineína establecen contactos periódicos con el microtúbulo adyacente y se desplazan a lo largo de éste, lo que genera la fuerza para el movimiento ciliar. Las otras conexiones ilustradas son proteínas que contribuyen a mantener unido el haz de microtúbulos y a convertir el movimiento deslizante generado por las dineínas en una incurvación. Fórmula: 9(2) + 2 (nueve dobletes más dos en el centro).

Los dobletes se unen con dineína ciliar. Estos cilios también se denominan cilios móviles = quinocilios. Tipos de cilios: ·Cilios móviles = quinocilios (9+2) ·Cilios sin par central (9+0)=Cilios primarios. No son móviles. Ej: los cilios sensoriales (en céls con un único cilio). Los conos y bastones de la retina tienen cilios sensoriales. Muy importantes en el desarrollo: los movimientos en el desarrollo del organismo vienen dados por estos cilios (situación del higado a la derecha, el corazón a la izquierda). Si hay enfermedades que afectan a los cilios sensoriales, por ejemplo el “Situs inverso”, los órganos están cambiados de posición (poco frecuente). Otro ejemplo de enfermedad: ceguera. (Dato: la organogénesis es la formación de órganos). MICROTÚBULOS Y MOVIMIENTO CILIAR Y FLAGELAR. El movimiento de un cilio o flagelo se produce por incurvación de su parte central cuando los microtúbulos se desplazan entre sí. Los microtúbulos se asocian a numerosas proteínas, que se proyectan en posiciones regulares a lo largo de su haz. Algunas a...