Citoesqueleto.

La motilidad celular es uno de los grandes logros de la evolución y el citoesqueleto, un sistema de fibras citoplasmáticas, esencial como componente de soporte para este proceso y guía del transporte de organelos intracelulares y otros elementos. Su aparición temprana en la evolución puede comprobarse por la similitud genómica y estructural, en Bacteria y Archaea, de las proteínas MreB y MB1 con la actina de eucariotes. 

   Las células eucariotas tienen la capacidad de organizar movimientos directos para migrar, alimentarse, dividirse y dirigir coordinadamente el transporte de materiales intracelulares. El mecanismo y dirección del movimiento se realiza de diferentes maneras y está asociado con disipación de la energía. Los motores moleculares son los prototipos de máquinas protéicas que transportan organelos a lo largo de microtúbulos y filamentos de actina, convirtiendo la energía libre derivada de la hidrólisis del ATP en movimiento dirigido. Otro tipo de movimiento direccionado y que consume ATP está mediado por el ensamblaje polarizado de polímeros, principalmente actina. 

     El citoesqueleto es una red de filamentos proteicos del citosol que ocupa el interior de todas las células animales y vegetales. Adquiere una relevancia especial en las animales, que carecen de pared celular rígida, pues el citoesqueleto mantiene la estructura y la forma de la célula. Actúa como bastidor para la organización de la célula y la fijación de orgánulos y enzimas. 

   También, es responsable de muchos de los movimientos celulares. En muchas células, el citoesqueleto no es una estructura permanente, sino que se desmantela y se reconstruye sin cesar. Se forma a partir de tres tipos principales de filamentos proteicos: microtúbulos, filamentos de actina y filamentos intermedios, unidos entre sí y a otras estructuras celulares por diversas proteínas. Los movimientos de las células eucarióticas están casi siempre mediatizados por los filamentos de actina o los microtúbulos.

 Muchas células tienen en la superficie pelos flexibles llamados cilios o flagelos, que contienen un núcleo formado por un haz de microtúbulos capaz de desarrollar movimientos de flexión regulares que requieren energía. Los espermatozoides nadan con ayuda de flagelos, por ejemplo, y las células que revisten el intestino y otros conductos del cuerpo de los vertebrados tienen en la superficie numerosos ciliosque impulsan líquidos y partículas en una dirección determinada. 

        Se encuentran grandes haces de filamentos de actina en las células musculares donde, junto con una proteína llamada miosina, generan contracciones poderosas. Los movimientos asociados con la división celular dependen en animales y plantas de los filamentos de actina y los microtúbulos, que distribuyen los cromosomas y otros componentes celulares entre las dos células hijas en fase de segregación. Las células animales y vegetales realizan muchos otros movimientos para adquirir una forma determinada o para conservar su compleja estructura interna. 

Muchas celulas animales, vegetales y de protistas poseen cilios y flagelos. En la base de todos ellos existe una estructura semejante al centriolo. Este orgánulo se ha encontrado hasta ahora en las células animales y en algunos vegetales inferiores. Al microscopio electrónico, el centriolo aparece como un cilindro de unas 150 milimicras de diámetro. La porción periférica es más densa a los electrones que la porción central, que tiene escasa densidad electrónica. La porción periférica contiene pequeños cilindros de un diámetro que oscila entre las 15 y las 20 milimicras, orientados paralelamente al eje del cilindro mayor. Existen nueve grupos de túbulos, cada uno de los cuales tiene tres subunidades cilíndricas. La posición del centriolo suele ser fija para cada tipo de células. Se ha observado que de un centrilo pueden surgir centrilos hijos. Éstos parecen originarse como brotes en ángulo recto y forman, junto con el centriolo materno, una estructura denominada diplosoma, que participa en la formación del huso acromático que se desarrolla durante la mitosis.

Conceptos.
    El citoesqueleto es una estructura proteica que permite soportar la membrana plasmática, la formación de estructuras como los lamelipodios, el movimiento de vesículas y otros elementos intracelulares. 

     La polimerización controlada de actina y tubulina es responsable de la movilidad de las células eucariotas y de la forma de éstas. 

     El movimiento de las células eucariotas es el resultado de la acción coordinada de formación de extensiones, adherencias y retracciones de la membrana, en donde la red de actina y las interacciones entre estas y los motores moleculares juegan un papel fundamental.
     Los microtúbulos controlan la distribución espacial de estas actividades, creando una polarización de la célula que determina la dirección del movimiento. 

    En el citoesqueleto se pueden encontrar tres tipos de fibras citosólicas de polímeros ordenados a partir de monómeros unidos por enlaces no covalentes: los microfilamentos con un diámetro de 7 a 9 nm, los filamentos intermedios de 10 nm de diámetro y los microtúbulos de 24 nm. Una característica del movimiento de todas las células es la polaridad, esto es, unas estructuras siempre están al frente de la célula (lamelipodio) y otras en la parte de atrás. La maquinaria que permite la migración celular está formada por el citoesqueleto de actina, que tienen un tamaño superior y variable a cualquier organelo celular. Por su capacidad de ensamblarse y desensamblarse puede cambiar fácilmente la forma de la célula.

La actina es la proteína intracelular mas abundante en eucariotes. Puede llegar a representar hasta el 10% del peso total de proteína. Pesa alrededor de 43 kD y está conservada evolutivamente. Algunos organismos tienen un solo gen (levaduras) mientras que otros tienen múltiples genes. Por ejemplo en humanos existen 6 genes diferentes y en algunas plantas puede haber hasta 60. Existe como un monómero globular llamado G-actina y como polímero filamentoso, F-actina. Cada molécula de actina tiene un ión de Mg⁺² que forma complejo bien con ATP o con ADP, existiendo por lo tanto cuatro formas diferentes de actina. El plegamiento de la proteína permite la formación de dos lóbulos con una hendidura en la mitad que permite la unión del ATP y el Mg⁺², y un cambio de conformación.

• Porque es importante del cambio conformacional de la actina y como afecta su funcionalidad?.
• Como funciona la actina en la contracción muscular, en la citocinesis, como soporte mecánico, en unión con proteínas membrana y en locomoción?

La actina presenta principalmente dos arreglos dentro de la célula: uno en forma de ramillete y otro en red de filamentos entrecruzados. El primero se presenta principalmente hacia la periferia de la célula y forma unas protrusiones por el alineamiento de fibras paralelas y son la base de la formación de microvellocidades y filopodios. Las redes entrecruzadas pueden ser de dos tipos, las cercanas a la membrana que le sirven de soporte y es bidimensional, y las que ocupan todo el citosol que tienen un carácter tridimensional y que le dan características de gel.  Las fibras se mantienen juntas por proteínas que permiten el entrecruzamiento y en la zona cortical por anclaje a proteínas de membrana.

• La miosina, que es la principal proteína responsable de la contracción muscular, se combina con la actina, y ambas actúan en la acción contráctil del músculo esquelético y en distintos tipos de movimiento celular. ¿Como interactua el ATP con la miosina?

3.10.3. Microtúbulos y proteínas motoras
      
Los microtúbulos son polímeros de la proteína tubulina, un heterodímero de a y b tubulina de unos 55 kD, de secuencias igualmente muy conservadas. Estas proteínas guardan una homología grande con la proteína bacteriana FtsZ que juega un papel importante en la división celular.
     
Las proteínas globulares pueden también agruparse en diminutos túbulos huecos que actúan como entramado estructural de las células y, al mismo tiempo, transportan sustancias de una parte de la célula a otra. Cada uno de estos microtúbulos está formado por dos tipos de moléculas proteicas casi esféricas que se disponen por parejas y se unen en el extremo creciente del microtúbulo y aumentan su longitud en función de las necesidades. Los microtúbulos constituyen también la estructura interna de los cilios y flagelos, apéndices de la membrana de los que se sirven algunos microorganismos para moverse.      Los microtúbulos son responsables del movimiento de cilios y flagelos y del movimiento de vesículas intracelularmente. Esto es el resultado de la polimerización y despolimerización de microtúbulos y de la acción de proteínas motoras. En algunos casos los movimientos celulares son debidos a ambos mecanismos (por ejemplo, la separación de cromosomas durante la meiosis).
 Varios de los movimientos celulares dependen de la interacción entre filamentos de actina y la proteína motora miosina, una APTasa que se mueve a lo largo de los filamentos de actina y acopla la hidrólisis del ATP a cambios conformacionales. Los análisis genómicos muestran que existen varios genes altamente conservados, especialmente, en la región responsable del “motor”.

• ¿Cuales son los mecanismos por los cuales las proteínas que unen actina regulan la contracción de los músculos liso y esquelético?.
• ¿Como funcionan los microtubulos en el transporte intracelular de organelos, en el huso mitótico y en la locomoción de flagelados?. ¿Cual es la función de los centros organizadores de microtúbulos  (COM)?.

     Las proteínas microtubulares asociadas (MAPs) estabilizan a los microtúbulos y a estos con los organelos y membrana. Las proteínas motoras o ATPasas asociadas a microtúbulos (un subtipo de MAPs) movilizan organelos y otros elementos sobre los microtúbulos.
 *  Quinesinas
 *  Dineínas citoplasmáticas
 *  Dineína ciliar / flagelar
 *  Dinamina

Como interactua el ATP con las quinesinas y el papel de estas en el transporte de organelos?. 

Que muestra esta fotografìa? Que tipo de proteínas estarian involucradas?

 Filamentos intermedios 

         Proteínas fuertes, estables y poco solubles. Diámetro de aprox. 10 nm. Compuestas por proteínas fibrosas que se combinan en dímeros helicoidales, que se asocian para formar tetrámeros alargados (protofibrillas). Cuatro protofibrillas conforman un filamento intermedio. Son apolares y tienen como funciones mantener la fuerza de tensión celular  (principal) y como soporte mecánico.

Clasificación de las proteínas de los filamentos intermedios:

• Tipo I:  Queratinas ácidas Epitelio
• Tipo II:  Queratinas básicas Epitelio
• Tipo III:  Vimentina  Mesenquima
• Desmina  Músculo
• Periferina  Neuronas
• Tipo IV:  NF (L,M,H)  Neuronas
•  Internexina  S. Nervioso en formación.
• Tipo V:  Lamininas A,B,C Núcleo todas las células.
• Tipo VI

     La mayoría de células adultas posee un solo tipo de filamentos intermedios citoplasmáticos. El patrón de distribución celular de los filamentos intermedios puede ayudar al diagnóstico oncológico. Las Proteínas Asociadas a los Filamentos Intermedios (IFAPs) forman una red con los filamentos intermedios, organelos y la membrana plasmática.  Algunas IFAP también interaccionan con los microtúbulos.

Adhesiones intercelulares. 

     Se producen antes de que pueda ser organizada una unión de anclaje. Indispensables para el desarrollo de tejidos en los que participa la migración celular.

Se requiere:

1. Un mecanismo que dirija las células hasta su destino final (quimiotaxis)
2. Extendido de moléculas adhesivas en la matriz extracelular o sobre la superficie de determinadas células guiando las células migradoras (orientación de vía).

     Cuando la célula migratoria alcanza su destino, puede reconocer otros tipos celulares apropiados y asociarse formando tejidos, necesitandose mecanismos de adhesión celular.

Cadherinas 

 Son las principales moléculas de adhesión. Son glucoproteinas con un solo dominio transmembrana, con 700-750 aa. Plegada en 5 dominios c/u 100 aa. 4 de estos dominios  contiene lugares de unión al Ca+2. Correlacionada con los principales procesos morfogenicos en la segregación tisular. Cadherina E, se concentra en las bandas de adhesión en tej. Epiteliales. Cadherinas E, N, P. Conectan los filamentos de actina de los citoesqueletos de las células adyacentes, manteniendolas unidas. Tienen una unión omofilica. Un dominio citoplasmatico interactua con la actina por medio de unión con proteínas intracelular = catenina indispensable para la adhesión.

Selectinas (lectinas) 

 Familia de proteínas de unión a carbohidratos de la superficie celular. Actúan en las adhesiones intercelulares transitorias en las  circulación sanguínea. Contienen un gran dominio de lectina que en presencia de Ca+2 se une a un oligosacarido especifíco de otra célula.
•Selectina E, C = Endoteliales
•Selectina P = Plaquetas
•Selectina L = Leucocitos.

 Adhesiones independientes de Ca⁺². 

     Mediado principalmente por las proteínas pertenecientes a la superfamilia de las inmunoglobulinas. N-CAM. Se unen por interacción homofílica. Algunas heterofílicas  ICAM, se expresan  en células  endoteliales y se unen a  integrinas  en la superficie de los globulos blancos. Existe por lo menos 20 formas de N-CAM todas tienen un gran dominio extracelular plegada en 5 dominios. Dominios intracelulares tienen tamaño  variable. Algunas N-CAM contienen gran cantidad de ácido siálico, esta carga (-), impide la adhesión celular.

 Integrinas 

 Principales receptores utilizados para unirse a la matriz. Union heterofilica. Constituida por dos subunidades (a y b) proteicas transmembrana unidas no covalentemente. Se unen a la matriz con moléculas de fibronectina o laminina. Median interacciones bidireccionales entre la matriz y el citoesqueleto Actuan como transductor de señal. Pueden activar cascadas de señalización intracelular ej. Vía de fosfolipidos de inositol.

 Uniones celulares 

     Las  células que están en contacto estrecho entres sí suelen desarrollar uniones intercelulares especializadas, en las que participan las membranas plasmáticas y otros componentes. Estas estructuras permiten que las células adyacentes formen conexiones estrechas unas con otras o tengan comunicación rápida. En los animales hay tres tipos frecuentes de estos contactos intercelulares: desmosomas, uniones estancas y uniones de hendidura (nexos), y en plantas, los plasmodesmas. Las regiones de las membranas plasmaticas que interaccionan con el citoplasma subyacente y/o el espacio intercelular se pueden clasificar funcionalmente en:

   Uniones de oclusión o uniones de estanca (tigh junction) 

     Juegan un importante doble papel en el mantenimiento de la función de barrera selectiva. Ej. Epitelio Intestinal. Actúan como barreras contra la libre difusión de las proteínas de membrana. Constituyen un sistema de sellado entre las células vecinas, de tal manera que moléculas hidrosolubles no se pueden difundir entre las células. La estructura molecular de las uniones estancas. No es conocida; la criofractura revela que están compuestas por una red filiforme que rodea la zona apical. Estos compuestos filiformes están compuestos por largas hileras de proteínas transmembranales especificas, situadas en cada uno de las membranas plasmaticas implicadas uniendose directamente y ocluyendo el espacio intercelular.
 En el MET; las uniones se resuelven en una serie de conexiones puntuales entre las hemimembranas externas de las dos células adyacentes.
        Son áreas de conexiones intimas entre las membranas de células adyacentes, a tal punto que el espacio intercelular  que rodea a las células queda sellado, evitando de este modo el paso de líquido  hacia dicho espacio y desde éste hacia la luz apical. Estas uniones están situadas justamente por debajo del borde apical de la célula.  Si se colocan en la luz de la cavidad epitelial trazadores opacos, como la ferritina, éstos no penetran en el espacio intercelular sino que son detenidos a nivel de las uniones estrecha. Las micrografías electrónicas de estas uniones muestran que en las región donde están presentes las membranas de las dos células hay un contacto directo de una con otra, mediante proteínas que las enlazan.
        El empleo de los métodos de congelación-fractura permitió estudiar la organización tridimensional de las uniones estrechas. Estas aparecen como una red de elevaciones sobre la mitad citoplásmatica de  la membrana externa, con surcos  complementarios en la mitad externa. El relieve está formado por partículas, posiblemente de proteína, de 3 a 4 nm de diámetro. La conexión está constituida por una doble hilera de estas partículas, una de cada célula. Aunque no se conoce la estructura molecular de estas uniones, es posible que las partículas proteicas de las dos células formen enlaces extremadamente compactos entre sí, fundiendo prácticamente la dos membranas plasmáticas y creando un cierre impenetrable. El tratamiento del epitelio con la proteasa tripsina destruye las uniones estancas, demostrando que las proteínas son un componente estructural esencial.
         Otra  posibilidad es que las partículas intramembranosas en las uniones estancas sean micelas lipídicas, no proteínas, y que las zonas que sellan el espacio entre las dos células estén constituidas por una larga micela lipídica cilíndrica. Las proteínas podrían ser componentes estructurales esenciales de las conexiones, pero las micelas lipídicas formarían el verdadero cierre.
        Las uniones estrechas son muy abundantes en epitelios como el del túbulo colector del riñón, en que el transporte de agua e iones se efectúa predominantemente a través de las membranas apicales y basales y tiene alta resistencia eléctrica. En otros epitelios, que tienen baja resistencia y menos uniones estrechas ( por ejemplo, el de la vesícula biliar), el transporte es principalmente paracelular (es decir, entre las células)
        Se debe resaltar que una única zona de contacto no crea un cierre perfecto. El número de estas estructuras en tejidos distintos es más o menos proporcional a las diferencias en la composición de los fluidos a los dos lados del epitelio. Por ejemplo, la función de las células epiteliales en el túbulo proximal del riñón es absorber glucosa, ciertas sales y aminoácidos del filtrado que dará lugar a la orina y devolverlos al flujo sanguíneo. Las concentraciones de sal y nutrientes a cada lado de esta capa celular no son  muy diferentes. En consecuencia, la unión estanca está formada sólo pro una o dos zonas de contacto. Como contraste, las células del ácino pancreátcico están conectadas pro tres o cuatro zonas y las del epitelio del intestino delgado pro seis o más.

Uniones de anclaje 

 Ampliamente distribuidas en los tejidos animales. Se constituyen como unidades estructurales resistentes, conectando los   elementos citoesqueleticos de una célula a los esqueletos de sus vecinas o a la matriz extracelular. Abundantes en los tejidos sometidos a tensiones mecánicas ej.  Músculo Cardiaco, Epidermis. Compuesta por dos clases de proteínas.

1. Proteínas de adhesión intracelular (forman una placa en la cara citoplasma conectan el complejo de unión a filamentos de actina o intermedios)
2. Glucoproteinas transmembranales de unión. Dominios citoplasmaticos se unen a una o mas proteínas de  adhesión y los dominios extracelulares interaccionan con la matriz o con otras glucoproteinas transmembranales.