El citoesqueleto: filamentos y microfilamentos

El término acuñado para denominar a la parte de las estructuras celulares que permanecen insolubles tras extraer las células con detergentes no iónicos. Está formado por una red compleja de filamentos de proteínas que proporciona un marco estructural a la célula, funcionando como un andamiaje molecular que determina el tamaño y forma de la célula, así como la organización general del citoplasma.

Es, en general, una estructura dinámica que regula los movimientos celulares y la distribución y movimientos de los orgánulos y otras estructuras citoplasmáticas.

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 cilios que impulsan líquidos y partículas en una dirección determinada.

Está compuesto por tres tipos principales de filamentos protéicos:

  • Microfilamentos o filamentos de actina.
  • Microtúbulos.
  • Filamentos intermedios.

clip_image004

Existen además numerosas proteínas accesorias.

Estos filamentos se unen a la membrana plasmática, a los orgánulos y entre sí mediante proteínas adaptadoras.

clip_image006clip_image008

Las principales proteínas y funciones son:

Componentes Diámetro aprox. Principal proteína Participan de:
Microfilamentos 5nm Actina Contracción muscular, endocitosis , migración celular r
Filamentos Intermedios  10nm CitoqueratinaVimentina

Neurofilamentos

Sustentación , desmosomas , hemidesmosomas
Microtúbulo 25nm Tubulina-a e Tubulina-b Formación del huso mitótico
Transporte de vesículas

A. MICROFILAMENTOS O FILAMENTOS DE ACTINA.

La actina es la proteína más abundante en muchas células eucariotas (5% del total). Mientras que la actina está distribuida por todo el citoplasma, muchas células presentan una red densa especial de filamentos de actina y de proteínas asociadas, justo por debajo de la membrana plasmática. Esta red constituye la CORTEZA CELULAR, que da fuerza mecánica a la superficie de la célula y la capacita para cambiar de forma y moverse. La corteza está constituida por la asociación de los filamentos de actina con la membrana plasmática.

La actina puede estar unida a otras proteínas citoplasmáticas:

PROTEÍNA FUNCIÓN
VINCULINA Media la unión de los extremos de los filamentos de actina a las membranas celulares
MINIMIOSINA Une los laterales de los filamentos de actina a la membrana de las microvellosidades
FILAMINA, FODRINA Proteínas similares a la espectrina que interconectan filamentos adyacentes de actina
MIOSINA Puede provocar el movimiento de los filamentos de actina o puede producir tensión sobre los microfilamentos
TROPOMIOSINA Regula la unión de la actina a las cabezas de miosina en el músculo esquelético
alfa-ACTININA Está implicada en la unión de los filamentos de actina a las membranas; puede interconectar filamentos de actina organizándolos en una disposición regular
FIMBRINA Interconecta estrechamente filamentos adyacentes formando fibras paralelas de actina
VILLINA,GELSOLINA A baja [Ca] estimulan el paso de nucleación en la polimerización de la actina F. A alta [Ca] cortan los filamentos de actina en fragmentos
PROTEÍNAS CASQUETE Se unen a un extremo del filamento, impidiendo la adición o la perdida de monómeros de actina
PROFILINA Se une a los monómeros de actina G, impidiendo su polimerización

1. ESTRUCTURA DE LOS FILAMENTOS.

En muchas células animales, el 50% de las moléculas de actina están despolimerizadas. Existe un equilibrio dinámico entre este reservorio de moléculas de actina y los filamentos de actina.

– Se han identificado como los principales componentes del citoesqueleto de las células musculares. Está formado por actina polimerizada o actina F. Presentan polaridad que es importante para la movilidad celular. La polaridad del filamento es debida a la polimerización de la actina por el extremo + en un proceso que se inicia con la NUCLEACIÓN, seguida de la POLIMERIZACIÓN.

clip_image010

– La actina F está formado por subunidades globulares de actina G. La cofilina desagrega los filamentos de actina. En forma monómera esta asociada a la PROFILINA, que evita su polimerización. La profilina controla el proceso de polimerización de la actina.

clip_image012

– El proceso de polimerización tiene una “concentración crítica” de actina a la que se produce. Por debajo de esta concentración crítica, la polimerización cesa. La concentración crítica es mayor en el extremo + que en el – ,lo que permite el crecimiento por el extremo + y realizar un “intercambio rotatorio” entre estos dos extremos que permite una despolarización por el extremo – y una polimerización por el extremo +. El intercambio rotatorio requiere energía en forma de ATP.

clip_image014

– A menudo, los filamentos de actina se agrupan formando una red rígida tridimensional a través de proteínas de entrecruzamiento. La más abundante es la FILAMINA, una molécula larga y flexible compuesta por dos cadenas polipeptídicas idénticas unidas por la cabeza. Se une a la actina por la cola. Está proteína proporciona flexibilidad y elasticidad a la estructura tridimensional.

clip_image016clip_image018

– El calcio y el ATP estabilizan a la actina G para que pase a actina F, produciéndose la hidrólisis de ATP. Se ha observado que el calcio puede regular la asociación de filamentos de actina, modulando las corrientes citoplasmáticas que permiten una distribución de metabolitos más homogénea. La proteína GELSOLINA esta implicada en esta regulación, y cuando une calcio separa los filamentos de actina y los vuelve a reunir por el otro extremo, deshaciendo así la red entrecruzada de filamentos de actina. La gelsolina pertenece a una familia de proteínas fragmentadoras que se activa cuando la concentración de calcio supera 10-6 M.

clip_image020

– El movimiento se produce porque la cabeza de miosina se desplaza por el filamento de actina. El ensamblaje bipolar de las moléculas de miosina no muscular produce deslizamiento de dos filamentos de actina de polaridad opuesta. De esta forma la miosina puede provocar la contracción de una red de filamentos de actina orientado aleatoriamente.

clip_image022

2. FUNCIÓN.

Hay varios tipos de miosinas que participan en distintos procesos

clip_image024

2.1. ESQUELETO MECÁNICO:

2.1.1. MICROVILLI.

– Las microvellosidades contienen, cada una, unos 40 filamentos de actina paralelos al eje principal. Todos los filamentos de actina del haz están orientados con el extremo + en el extremo del microvilli y se mantienen unidos mediante varias “proteínas formadoras de haces de actina”, entre las que destacan la FIMBRINA Y VILLINA. Estas proteínas tienen dos sitios de unión a la actina.

clip_image026

– Los filamentos se unen a la membrana plasmática gracias a unos brazos laterales que están formados por moléculas de MINIMIOSINA fuertemente unidas a calmodulina. La minimiosina se une a la actina gracias a sus regiones dependientes de ATP de la cabeza, y con la cola se une a la membrana.

– En el extremo apical del microvilli hay un material amorfo que une los filamentos de actina y controla la longitud y el diámetro del haz de actina (proteínas de la región amorfa).

– En el extremo basal del microvilli, los filamentos de actina se unen a la miosina y la FODRINA (molécula análoga a la espectrina que une los filamentos de actina entre sí y a la membrana, a nivel de la alfa-actinina y vinculina).

2.1.2. ESTEROCILIOS.

En los esterocilios de las células ciliadas (de la cóclea) se disponen igual que la microvellosidades y su función es recoger las pequeñas variaciones del sonido.

2.1.3. FORMACIÓN DE EXTENSIONES SUPERFICIALES DINÁMICAS QUE CONTIENEN FILAMENTOS DE ACTINA.

a) Forma parte de las micropuas y filopodios de los protozoos. Son estructuras móviles que pueden formarse y retraerse a gran velocidad.

b) Forman los lamelipodios: son prolongaciones de la membrana que participan en la locomoción ameboide.

clip_image028

2.1.4. ESQUELETO CITOPLASMÁTICO.

Las proteínas espectrina y anquirina de los eritrocitos interaccionan con los filamentos de actina para proporcionar un soporte mecánico.

clip_image030

2.2. ELEMENTO CONTRACTIL.

a) En las células en división, producen el estrangulamiento a nivel de la placa ecuatorial debido a la formación del anillo contráctil.

clip_image032

b) En los desmosomas en banda, forma complejos con la miosina y mantiene la forma celular.

clip_image034

c) En algunos espermatozoides de invertebrados, la polimerización explosiva de actina ayuda a impulsar la formación de una protuberancia acrosómica. En estos casos, la actina esta despolarizada y unida a la PROFILINA formando un complejo que impide la polimerización. Cuando el espermatozoide entra en contacto con el oocito, aumenta la concentración de calcio intracelular y permiten que las moléculas de actina se separen de la profilina y se polimericen.

2.3. FIBRAS DE TENSIÓN O ESTRES.

A menudo los haces de filamentos de actina se unen a la membrana plasmática de tal manera que pueden extenderse sobre la matriz extracelular o sobre otra célula. Los anclajes mejor caracterizados son las placas de adhesión o contactos focales de los fibroblastos en cultivo.

clip_image036

En estos lugares, la corteza celular está anclada, mediante proteínas de unión transmembrana, a componentes de la matriz extracelular tales como la FIBRONECTINA. El prototipo de proteína transmembrana es el Rc de fibronectina, una glucoproteína con dos cadenas de la familia de las INTEGRINAS, cuyos domínios externos se unen a la fibronectina y los citoplasmáticos a los filamentos de actina de las fibras de tensión. La unión es indirecta y está mediada por la TALINA (se une al Rc de fibronectina) y la VINCULINA que se une a proteínas de anclaje (alfa-actinina) que interacciona con la actina.

clip_image038

Los contactos focales están:

– Directamente relacionado con los puntos de anclaje de los filamentos de actina de la fibra muscular lisa.

– Indirectamente relacionado con los CINTURONES DE ADHESIÓN que unen las células epiteliales. Estas uniones tienen alfa-actinina y vinculina, pero no talina.

2.4. CITOCINESIS.

– Los ENSAMBLADOS CONTRACTILES DE ACTINA Y MIOSINA EN CELULAS NO MUSCULARES. Son responsables de diversos movimientos celulares. El “GATEO CELULAR” (cell crawling) es un proceso complejo en el que se forman extensiones de la membrana plasmática mediante polimerización de microfilamentos en el borde de avance de la célula. Estas extensiones se unen después al sustrato y el borde posterior se retrae sobre el cuerpo celular. En ambos procesos parecen estar implicados motores tipo miosina.

clip_image040

2.5. CONTRACCION MUSCULAR

En las células musculares, la Miosina II es una proteína motora que utiliza ATP para generar fuerzas mecánicas y movimiento. La contracción muscular resulta del deslizamiento en direcciones opuestas de los microfilamentos y filamentos de miosina.

clip_image042

2.6. TRANSPORTE DE VESICULAS.

Las MIOSINAS NO CONVENCIONALES no actúan en procesos de contracción. Sirven para transportar vesículas de membrana u orgánulos a lo largo de microfilamentos y generar corrientes citoplasmáticas (ej., miosina I, miosina V).

clip_image044

3. ALCALOIDES QUE HACEN VARIAR EL ESTADO DE POLIMERIZACIÓN DE LA ACTINA.

3.1. CITOCALASINA.

Inhibe la polimerización de los microfilamentos de actina, bloqueando muchos movimientos celulares de vertebrados como, locomoción, fagocitosis, citocinesis, producción de micropuas y lamepidios, y plegamiento en tubo de las hojas epiteliales. No inhiben la separación de los cromosomas por el huso mitótico (depende de los microtúbulos) ni la contracción muscular (depende de filamentos estables de actina).

3.2. FOLOIDINA.

Es un alcaloide muy venenoso del hongo “Amanita phalloides” que estabiliza los filamentos de actina e inhibe su despolimerización.

4. INTERACCIONES COOPERATIVAS Y COMPETITIVAS ENTRE LAS PROTEÍNAS DE UNIÓN A LA ACTINA.

4.1. Formación de haces de filamentos contráctiles de actina

  • Los filamentos de actina se unen a la tropomiosina (unión fuerte).
  • La tropomiosina excluye a la filamina y permite que la alfa-actinina se una sólo al extremo +.
  • La tropomiosina incrementa la unión de miosina para formar los filamentos contráctiles.

4.2. Formación de una trama de filamentos de actina entrecruzados

  • Los filamentos de actina se unen a la filamina (unión fuerte).
  • La filamina excluye, tanto a la tropomiosina como a la alfa-actinina.
  • La unión de la filamina compite con la miosina.

clip_image046

B. FILAMENTOS INTERMEDIOS.

Su principal función es la de brindar sostén estructural a la célula, ya que su gran resistencia tensil es importante para proteger a las células contra las presiones y las tensiones. Hay filamentos intermedios de muchos tipos: de queratina (en las células epiteliales), filamentos de la lámina nuclear (que refuerzan la membrana nuclear), neurofilamentos (ubicados en células nerviosas), etc.

En la mayoría de las células animales forman una cesta que rodea el núcleo y se extiende hacia la periferia celular. Son más abundantes en las células de tejidos sometidos a tensión mecánica, como epitelios, axones y citoplasma de células musculares lisas.

1. ESTRUCTURA.

Son finas fibras proteicas resistentes y duraderas del citoplasma, de muy variados pesos moleculares según la línea celular y que presentan un diámetro intermedio entre los microfilamentos y microtúbulos (8-10 nm). Su estructura general se describen, a manera de cuerdas, constituidas por tetrámeros de proteínas fibrosas en forma de bastoncillos que se encuentran en haces muy empacados con distribuciones helicoidales largas.

clip_image048

Tienen una estructura básica común, formada por dos polipéptidos que se asocian LATERALMENTE. Los filamentos intermedios se forman a partir de dímeros de 2 polipéptidos que forman un helicoide enrollado. Estos se agrupan a su vez en tetrámeros antiparalelos y en protofilamentos. La agrupación de 8 protofilamentos forma un filamento intermedio de 10 nm, con una estructura similar a la de una cuerda formada por las hebras de tetrámeros unidos cabeza con cola. La unidad funcional que se considera precursor, por su elevada estabilidad en el citosol, es el tetrámero.

  • Proteína + Proteína = Dímero [1] (1 cadenas polipeptídica)
  • Dímero + Dímero = Tetrámero [2] (2 cadenas polipeptídicas)
  • Tetrámero + Tetrámero = Protofilamento [3] (4 cadenas polipeptídicas)
  • Protofilamento + Protofilamento = Protofibrillas [4] (8 cadenas polipeptídicas)
  • Protofibrillas + Protofibrillas = Filamentos Intermedios [5] (32 cadenas polipeptídicas)

No requieren para su formación ATP o GTP, y son resistentes a citocalasina B y colchicina. En cambio, son sensibles a la proteolisis.

2. TIPOS.

De cada molécula de proteína del FI, tan sólo una pequeña parte interviene en las interacciones laterales que forman el filamento. Así, el resto de la molécula puede variar sin afectar al conjunto de su estructura. Por lo tanto, hay una gran variedad de polipéptidos en las diferentes células.

TIPO DE FILAMENTO INTERMEDIO COMPONENTE POLIPEPTÍDICO LOCALIZACIÓN
Tipo I Proteína neurofilamentosas Citoesqueleto de los axones y las dendritas de las células nerviosas
Tipo II Desmina (52 Kd) Filamentos de DESMINA de las células musculares. Están asociados a VIMENTINA y SINEMINA
Tipo III Proteína ácida fibrilar glial (45 Kd) Filamentos gliales en los astrocitos y algunas células de Shwamn
Tipo IV Vimentina (53 Kd) Filamentos de VIMENTINA en las células mesemquimáticas (fibroblastos, células endoteliales, glóbulos blancos)
Tipo V Queratinas ácidas (40-70 Kd)Queratinas neutras (40-70 Kd) Filamentos de queratina o tonofilamentos de las células epiteliales y epidérmicas, tales como pelo y uñas
Tipo VI Láminas nucleares A, B y C Lámina nuclear de todas las células

Dada su variedad y estabilidad, los filamentos de queratina proporcionan una “huella digital” característica que es útil para trazar los orígenes de tumores. Se tipifican por inmunofluorescencia, y permite reconocer los grupos tumorales principales y las metástasis.

3. ORGANIZACIÓN DE LOS FILAMENTOS INTERMEDIOS.

Los filamentos intermedios se extienden desde la envoltura nuclear hasta la periferia de la célula.

El patrón de organización es distinto al de otros elementos del citoesqueleto.

Con cierta frecuencia (aunque no siempre) tienen una distribución coincidente con la de los microtúbulos. Se cree que la organización de los filamentos depende de su interacción con los microtúbulos, ya que la despolimerización de los microtúbulos por colchicina ocasiona el colapso de los FI.

La organización de los filamentos también depende de la interacción con la membrana plasmática, a través de proteínas de asociación tipo anquirina. También se cree que los filamentos están unidos a la envoltura nuclear.

El ensamblaje de los filamentos puede estar regulados por fosforilación. Las células pueden regular el número, longitud y la posición de los filamentos, lo cual indica que pueden controlar el ensamblaje de estos filamentos. Ej: control del desensamblaje de la lamina nuclear cada vez que la célula entra en mitosis.

4. FUNCIÓN DE LOS FILAMENTOS INTERMEDIOS.

Su función principal es la de brindar rigidez y sostén estructural a la célula, ya que su gran resistencia tensil es importante para proteger a las células contra las presiones y las tensiones. Esto se debe a diversas proteínas intermedias fijadoras de filamentos. Conforme fijan a los FI, los enlazan en una red tridimensional que facilita la formación del citoesqueleto estableciendo además enlaces cruzados con microtúbulos y filamentos de actina.

En las células epiteliales de la piel, los filamentos de queratina llegan a unirse estrechamente a otras proteínas de unión para formar una capa externa resistente, y por tanto desempeñan un papel estructural importante como barrera impermeable, además de ser la principal proteína constituyente del pelo y uñas.

Una clara asociación de estos filamentos con la membrana plasmática se realiza en los desmosomas membranales, localizados principalmente en las células epiteliales.

clip_image050* clip_image052

En las neuronas, los neurofilamentos tienen unas ramas laterales muy largas, que colaboran en el mantenimiento de la arquitectura cilíndrica de las prologanciones nerviosas cuando quedan expuestas a fuerzas laterales de flexión. También sirven de anclaje a proteínas que son canales iónicos gracias a una proteína de unión denominada anquirina, facilitándose de esta forma la conducción nerviosa.

* En el núcleo, las láminas nucleares forman un enrejado cuadrado en el lado interno de la membrana nuclear, reforzándola, que probablemente actúe con otras proteínas de unión en la organización del núcleo.

Artículos relacionados: