7. Citoesqueleto

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Atlas de Histología Animal y Vegetal CITOSOL CITOESQUELETO Manuel Megías, Pilar Molist, Manuel A. Pombal DEPARTAMENTO DE BIOLOGÍA FUNCIONAL Y CIENCIAS DE LA SALUD. FACULTAD DE BIOLOGÍA.UNIVERSIDAD DE VIGO. (VERSIÓN:OCTUBRE 2017)

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Atlas de Histología Animal y Vegetal

CITOSOL

CITOESQUELETO

Manuel Megías, Pilar Molist, Manuel A. Pombal

DEPARTAMENTO DE BIOLOGÍA FUNCIONAL Y CIENCIAS DE LA SALUD.FACULTAD DE BIOLOGÍA. UNIVERSIDAD DE VIGO.

(VERSIÓN: OCTUBRE 2017)

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ÍNDICE

Introducción .................................................................. 4

Citoesqueleto ................................................................ 5

Filamentos de actina ..................................................... 7

Microtúbulos ................................................................ 11

Filamentos intermedios ............................................... 16

Bibliografía .................................................................... 18

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El citosol es la parte del citoplasma sin losorgánulos y sin el núcleo, mientras que el citoplasma estodo el contenido celular, excepto el núcleo. El citosoles una sustancia acuosa semifluida que rodea a losorgánulos y núcleo, pudiendo representar más de lamitad del volumen celular en las células animales,mientras que en las células vegetales maduras la mayorparte del volumen celular está ocupado por lasvacuolas.

El citosol está formado en su mayor parte por aguaen la que se encuentran disueltas una gran cantidad demoléculas e iones. Tan grande puede llegar a ser laconcentración de moléculas e iones que en muchasocasiones se llega a densidades relativamente viscosas.En comparación con el medio extracelular, el citosoltiene una alta concentración de potasio y una bajaconcentración de sodio y calcio. Es un medio

tamponado con pHs que van normalmente entre 7 y7.4.

Es el medio en el que desarrolla una enormeactividad molecular: muchas reacciones metabólicascomo la glicolisis, la traducción de las proteínas en losribosomas libres, cascadas de señalización resultado dela comunicación celular y de la comunicación entreorgánulos, etcétera. Por el citosol difunden los iones ysegundos mensajeros, y por él se mueven las moléculasy las vesículas que comunican las diferentes partes dela célula.

También en el citosol se encuentra el citoesqueleto,el cual es el esqueleto y los músculos de la células,formado por filamentos proteicos altamente versátiles yplásticos. En el citosol también se acumulan moléculasde reserva en forma de gotas de grasa y de glucógeno.

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El interior de la célula eucariota no es una masaamorfa y gelatinosa donde están diseminados al azar elnúcleo y el resto de los orgánulos. Por el contrario,posee una organización interna establecida por unaserie de filamentos proteicos que forman un entramadodinámico y se extienden a través del citoplasma, sobretodo entre el núcleo y la cara interna de la membranacelular, aunque también los hay intranucleares. A esteconjunto de filamentos se le denomina citoesqueleto.

La palabra citoesqueleto es un término morfológicoy estructural que deriva de las primeras observacionesrealizadas con el microscopio electrónico. Puede llevara engaño puesto que no es una estructura inerte quefunciona únicamente como andamiaje para dar soportea la células y a sus diferentes estructuras. Elcitoesqueleto es una estructura muy cambiante, esdecir, a pesar de su nombre, el citoesqueleto no es sólolos huesos de las células sino también sus músculos.Así, entre sus funciones están que las células se puedanmover, establecer la forma celular y poder cambiarla,establecer la polaridad de algunas células, ladisposición adecuada de los orgánulos, lacomunicación entre ellos, los procesos de endocitosis yexocitosis, la división celular (tanto mesiosis comomitosis), lugar de anclaje de moléculas y orgánulos,resistir presiones mecánicas y reaccionar frente adeformaciones, entre otras muchas más. Elcitoesqueleto parece ser un invento de las célulaseucariotas, aunque se han encontrado proteínashomólogas en las células procariotas. Su funciónmecánica es particularmente importante en las célulasanimales, donde no existe una pared celular que deconsistencia a las células. Sin el citoesqueleto la célulase rompería puesto que la membrana es básicamenteuna lámina de grasa.

Hay tres tipos de filamentos que forman elcitoesqueleto: los filamentos de actina omicrofilamentos, los microtúbulos y los filamentosintermedios. Los filamentos de actina, polímeros cuyaunidad repetida es la proteína actina, son losprincipales responsables de los movimientos celulares,de los procesos de endocitosis y fagocitosis, y de lacitocinesis (última etapa de la división celular). Son losque producen las contracción de las células musculares,también ayudan a la cohesión celular puesto que

contactan con estructuras como las uniones adherentesy con las uniones estrechas, ambas complejos de uniónque unen a las células entre sí. Se denominanmicrofilamentos porque su diámetro es menor que el delos otros componentes del citoesqueleto. Losmicrotúbulos, como su nombre indica, son tubos cuyasparedes están formadas por repeticiones de dímeros dedos proteínas: α­ y β­tubulina. Estos filamentos sonindispensables para el desplazamiento intracelular deorgánulos y vesículas, forman el esqueleto de cilios yflagelos, permiten la segregación de cromosomasdurante la división celular, etcétera. Tanto losfilamentos de actina como los microtúbulos necesitanla ayuda de una proteínas denominas motoras parallevar a cabo sus funciones, las cuales se comportancomo auténticos motores capaces de crear movimiento,cualquiera que éste sea. Estas proteínas arrastran cargassiguiendo la senda de los filamentos de actina o de losmicrotúbulos. Los filamentos intermedios son losresponsables de mantener la integridad celular de lascélulas animales puesto que funcionan a modo decables intracelulares que se enganchan a complejos deunión como los desmosomas y los hemidesmosas, loque permite la cohesión entre células contiguas y portanto la cohesión de los tejidos. Son especialistas enresistir tensiones mecánicas y deformaciones celulares.Al contrario que los otros componentes del

Esquema de la distribución celular de los tres principales

componentes del citoesqueleto de una célula animal. Los

filamentos de actina se disponen sobre todo en las

proximidades de la membrana, los microtúbulos adoptan una

disposición radial partiendo desde el centrosoma, mientras

que los filamentos intermedios se anclan a complejos de

unión de la membrana plasmática y también aparecen en el

interior del núcleo. Hay que tener en cuenta que estas

distribuciones pueden variar según el tipo celular, y es muy

diferente en las células vegetales.

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citoesqueleto, los filamentos intermedios sonpolímeros formados por unidades pertenecientes avarias familias de proteínas entre las que se encuentran

las queratinas, las vimentinas, las láminas de laenvuelta nuclear, etcétera.

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Los filamentos de actina constituyen uno delos componentes del citoesqueleto. En lascélulas animales se encuentran normalmentelocalizados cerca de la membrana plasmáticaformando un entramado cortical que sirve desoporte a la membrana plasmática. En lascélulas de las plantas y en los hongos sudistribución es distinta, puesto que la funciónde soporte la realiza la pared celular.

Los filamentos de actina se forman por lapolimerización de una proteína denominadaactina, que puede aparecer en dos variantes:alfa y beta actina. La beta actina es la másfrecuente y aparece en la mayoría de las

células animales. Su secuencia de aminoácidos difiereligeramente de la alfa actina, la cual abunda en elmúsculo. La actina es una proteína citosólica muyabundante, aproximadamente el 10 % del total de lasproteínas citosólicas. Una parte de las moléculas deactina se encuentra formando parte de los filamentos(F­actina) y el resto son proteínas no polimerizadas (G­actina), disueltas en el citosol. Estas proporcionesvarían según las necesidades celulares, es decir, elnúmero y la longitud de los filamentos de actinacambia por polimerización y despolimerización. Sin laactina una célula no podría dividirse, moverse, realizarendocitosis, ni fagocitosis.

Grandes avances en el conocimiento de lafuncionalidad de la actina se han basado en lautilización que hacen de ella ciertos patógenos parallevar a cabo las infecciones celulares. La

manipulación de estos patógenos y la obtención demutantes ha ayudado a comprender muchos de losaspectos funcionales de los filamentos de actina.

Estructura

Los filamentos de actina poseen unos 7 nm dediámetro. Es el valor más pequeño dentro de losfilamentos que componen el citoesqueleto, por ellotambién se denominan microfilamentos. Poseen unextremo más y otro menos, es decir, son filamentospolarizados. Ello es consecuencia de la disposiciónordenada de las moléculas de actina en el filamento,siempre se ensamblan con la misma orientación. Elextremo más se denomina así porque en él predominala polimerización, adición de nuevas moléculas deactina, respecto a la despolimerización, mientras que enel extremo menos predomina la despolimerización. Elmecanismo de crecimiento y acortamiento de lalongitud de los filamentos de actina es porpolimerización y despolimerización, respectivamente,de monómeros de actina. En la célula se crean y sedestruyen filamentos de actina continuamente. Es elcomponente del citoesqueleto más dinámico. Sinembargo, las condiciones y la concentración de actinaen el citosol impiden que los monómeros se asocienespontáneamente para formar filamentos. Por ello, laformación de nuevos filamentos es posible gracias a lapresencia de complejos proteicos, como los Arp2/3 olas forminas. Los primeros actúan como moldes para laformación de un nuevo filamento, mientras que lassegundas estabilizan uniones espontáneas de proteínas

Esquema de la disposición de los

filamentos de actina en una célula

animal en cultivo.

Imágenes de células en cultivo donde los filamentos de actina,

detectados mediante anticuerpos, aparecen de verde fluorescente.

Nótese su concentración en la zona periférica de la célula. (Imágenes

cedidas por Sheila Castro Sánchez. Depto. Bioquímica, Genética a

Inmunología. Universidad de Vigo).

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de actina, favoreciendo la formación y elongación delmicrofilamento. Esto es tremendamente útil para lacélula puesto que permite crear nuevos filamentos sóloallí donde se necesitan.

Los filamentos de actina son más abundantes, máscortos y más flexibles que los microtúbulos, a los queveremos en el siguiente apartado. Una de sus grandesventajas es la versatilidad con que se crean y sedestruyen, así como por su capacidad de asociarse yformar estructuras tridimensionales muy diferentes.Esto es gracias a las denominadas proteínasmoduladoras de la actina, de las cuales existen más de100 diferentes. Afectan a la velocidad de creación ydestrucción de filamentos, a la velocidad depolimerización, así como a la disposicióntridimensional de los propios filamentos. De hecho,prácticamente no existen ni microfilamentos, niproteínas de actina, "desnudos" en el citosol, sinosiempre unidos a alguna proteína moduladora.

Las proteínas moduladoras se pueden clasificar endiferentes tipos : a) Afectan a la polimerización.Algunas proteínas, como la profilina, se unen a lasproteínas de actina libres y favorecen su unión a

filamentos preexistentes, mientras otras, como latimosina, inhiben su unión, evitando la polimerizaciónespontánea. b) Hay proteínas moduladoras, como lasfimbrina y la α­actinina, que permiten la formación dehaces de filamentos de actina mediante elestablecimiento de puentes cruzados entre filamentos,mientras otras, como la filamina, permiten la formaciónde estructuras reticulares. c) Ciertas proteínasmoduladoras, como la cofilina, la katanina o lagesolina, provocan la rotura y remodelación de losfilamentos de actina; d) También hay proteínas quemedian en la interacción de los filamentos de actinacon otras proteínas relacionadas, como es el caso de latropomiosina, que media la interacción entre actina ymiosina. e) Las proteínas de anclaje permiten la uniónde los filamentos de actina a estructuras celulares comolas membranas o a otros componentes delcitoesqueleto.

Existen factores adicionales que condicionan laacción de estas proteínas moduladoras, como lavariación en la concentración de calcio, proteínas comolas Rho­GTPasas, la presencia de lípidos o la mayor omenor expresión génica de sus ARN mensajeros.También hay drogas que afectan a la polimerización delos filamentos de actina. Por ejemplo, las citocalasinas

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Esquema de un filamento de actina donde se muestra

como las moléculas de actina se disponen de forma

helicoidal. Es una estructura polarizada donde las

constantes de asociación y disociación de la actina son

diferentes en los dos extremos (flechas verdes), aunque en

ambos siempre es mayor la constante de asociación para

la molécula de actina unida al ATP. Una vez polimerizada,

se hidroliza el ATP de la molécula de actina liberando Pi y

quedando por tanto el ADP unido a la molécula de actina

(modificado de Pollard y Earnshaw, 2007).

La polimerización y despolimerización de los filamentos de

actina se ven afectadas por numerosas proteínas

denominadas moduladoras. En este esquema se muestran

algunas de las disposiciones de los filamentos de actina en

la célula, así como ejemplos de las moléculas moduladoras

que los provocan (modificado de Pollard y Earnshaw,

2007).

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impiden la polimerización y las faloidinas impiden ladespolimerización.

Funciones

Movimiento celular. Las células no nadan sino quese desplazan arrastrándose por el medio que las rodea,y ello se hace por un mecanismo de reptación, comoocurre en las células embrionarias durante eldesarrollo, en el desplazamiento de las amebas, en lainvasión de los linfocitos de los tejidos infectados o enlos conos de crecimiento de los axones cuando buscansus dianas. Se sabe que para el desplazamiento celularse necesitan una serie de pasos: extensión deprotrusiones citoplasmáticas hacia la dirección delmovimiento, adhesión de éstas al sustrato y arrastre delresto de la célula mediante tracción hacia esos puntosde anclaje. A estas protrusiones se les denominalamelipodios cuando son de forma aplanada, filopodioscuando son finas y delgadas o lobopodios cuando songruesas y cilíndricas. Cuando a las células enmovimiento se las trata con citocalasinas, inhibidor dela polimerización de los filamentos de actina, lasprotrusiones desaparecen y el desplazamiento sedetiene, luego indica que la actina tiene un papelimportante en su formación. De hecho es lapolimerización de los filamentos de actina lo queempuja y forma estas protrusiones. En la formación delos lamelipodios participa sobre todo los complejosArp 2/3 como centros nucleadores de filamentos deactina. Cuando estas expansiones contactan con algúnlugar del medio extracelular donde se pueden unir,matriz extracelular o la superficie de otras células, lohacen gracias a proteínas de adhesión como lasintegrinas. Una vez anclada, la célula arrastra suscomponentes intracelulares hacia el lugar de adhesióngracias a la actina y a proteínas motoras como lamiosina.

Movimiento intracelular. Los orgánulos se muevenpor el interior de la célula y ciertos cambios de laforma celular requieren reorganizar su contenidointerno. Los filamentos de actina participan en estosmovimientos con ayuda de las proteínas motoras. Elmovimiento organular intracelular es relevante en lascélulas de las plantas, donde los filamentos de actina seencargan de la mayor parte del movimientointracelular, mientras que en las células animales esllevado a cabo sobre todo por los microtúbulos,

ayudados por los filamentos de actina. Las proteínasmotoras que se asocian con al actina para producirmovimiento son de la familia de las miosinas. Laenergía es aportada por el ATP. En las células seencuentran básicamente dos familias de miosinas: tiposI y II. Las moléculas de miosina I tienen una cabezacon la que se unen a los filamentos de actina y una colapara unir otros elementos, los cuales son arrastrados alo largo del filamento de actina. Aparecen en lamayoría de las células y sirven para el desplazamientode ciertos orgánulos o para deformar la propiasuperficie celular.

La familia de la miosina II se encuentrafundamentalmente en el músculo, aunque tambiénaparece en otras células. Se suelen asociar en parejas,unidas a través de sus colas. Así, tiene dos cabezas conactividad motora y capacidad de hidrólisis de ATP. Sinembargo, muchas moléculas de miosina se asocian paraformar los filamentos gruesos de miosina II delmúsculo, los cuales tienen una polaridad como unaflecha de doble cabeza. En el músculo estriado cadauna de estas cabezas arrastra a filamentos de actinahacia el punto intermedio entre ellas, que se traduce enuna contracción celular. En el músculo liso actúa otromecanismo mediante el cual el calcio produce unafosforilación de la miosina II permitiéndole lainteracción con la actina. Este último proceso es muchomás lento porque se necesita que las proteínas quinasaslleguen a sus lugares de acción.

La actina tiene otra forma de mover orgánulos untanto extraña: un filamento de actina corto se une a unorgánulo por uno de sus extremos y es lapolimerización del filamento de actina, sualargamiento, lo que impulsa al orgánulo a través delcitoplasma.

Endocitosis, fagocitosis. Los filamentos de actina seencuentran normalmente en los alrededores de lamembrana plasmática, en la denominada cortezacelular, aunque en menor proporción también aparecenen zonas más internas de la célula. Ésta es unadisposición ideal para participar en procesos deendocitosis y fagocitosis. La formación y escisión devesículas en la membrana plasmática no se realiza si seimpide la polimerización de los filamentos de actina.La emisión de las expansiones celulares que engloban alas moléculas que van a ser fagocitadas dependen de la

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polimerización de de filamentos de actina.

Citocinesis. El estrangulamiento final del citoplasmadurante el proceso de división celular se producegracias a un anillo de actina, que, ayudado por lamiosinas, va estrechando su diámetro progresivamentehasta la separación completa de los dos citoplasmas delas células hijas. En este estrangulamiento participasobre todo la miosina II.

Establecen dominios de membrana. Los filamentosde actina también afectan a la movilidad lateral de lasproteínas de membrana creando barreras a modo decercas en la cara citosólica de la membrana plasmáticaque delimitan áreas. Esto impide largosdesplazamientos laterales por difusión de las proteínasde la membrana.

Formación de microvellosidades. Lasmicrovellosidades son expansiones filiformes estables

que permiten a la célula aumentar enormemente lasuperficie de su membrana plasmática (en torno a un30 %). Aparecen en muchos tipos celulares como lascélulas epiteliales del tubo digestivo, las del tubocontorneado proximal del riñón, y otras muchas. Cadamicrovellosidad tiene de 1 a 2 µm de longitud y 0.1 µmde diámetro, y contiene en su interior varias docenas defilamentos de actina orientados paralelos al ejelongitudinal. Estos filamentos están interconectadospor proteínas como la miosina, fimbrina y vilina, por loque se cree que tienen cierta capacidad de movimiento.Además, se encuentran unidos a la membrana celularpor otras proteínas de enlace. En la base de lasmicrovellosidades aparece un entramado llamado redterminal, formado fundamentalmente por actina,espectrina, miosina II y tropomiosina, el cual estáconectado a la base de los haces de actina que formanlas microvellosidades.

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Los microtúbulos son un componente delcitoesqueleto que tiene un papel organizador internocrucial en todas las células eucariotas. Llevan a cabonumerosas funciones tales como establecer ladisposición espacial de determinados orgánulos, formarun sistema de raíles para la comunicación mediantevesículas o macromoléculas entre compartimentoscelulares, son imprescindibles para la división celularpuesto que forman el huso mitótico, ayudan en eldesplazamiento celular, permiten la polarización deciertos tipos celulares y son esenciales para laestructura y función de los cilios y de los flagelos.

Estructura

Son tubos largos y relativamente rígidos. Susparedes están formadas por dímeros de proteínasglobulares denominadas α y β. Estas parejas se alineanordenadamente, mediante enlaces no covalentes, enfilas longitudinales que se denominan protofilamentos.Un microtúbulo tipo contiene normalmente treceprotofilamentos. Los protofilamentos tienen unapolaridad estructural: la α­tubulina siempre formará unextremo del protofilamento y la β el otro. Todos losprotofilamentos de un microtúbulo están orientados dela misma manera y por tanto el microtúbulo también esuna estructura polarizada. Se denomina extremo menosal formado por las α­tubulinas y más al formado por lasβ­tubulinas. Los microtúbulos son dinámicos ya que sesuceden periodos de adición de nuevos dímeros detubulina con otros de eliminación, es decir,polimerización y despolimerización, respectivamente.Los nuevos dímeros de tubulina se añaden con una

menor eficacia a la α­tubulina que a la β­tubulina, porlo que el extremo más es el lugar preferente decrecimiento del microtúbulo y predomina lapolimerización respecto a las despolimerización. En elextremo menos predomina la despolimerizaciónrespecto a la polimerización. Por ello los microtúbulossuelen crecer por el extremo más y, si no está

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Esquema de la disposición de los

microtúbulos en una célula animal en

cultivo.

Imagen tomada con un microscopio electrónico de

transmisión donde se muestran microtúbulos situados en el

interior de una dendrita (prolongación de una neurona). Los

microtúbulos se disponen paralelos al eje mayor de la

dendrita.

Esquema de la organización de los dímeros de tubulina

en un protofilamento que forma parte de un microtúbulo.

Nótese que la α­tubulina está orientada hacia el extremo

menos y la β­tubulina hacia el extremo más.

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protegido, decrecer por el extremo menos. Sinembargo, el extremo más es muy dinámico y en él sesuceden procesos de polimerización ydespolimerización, algunos tan drásticos que puedenhacer desaparecer por completo al microtúbulo.

Los microtúbulos están continuamentepolimerizando y despolimerizando, fundamentalmenteen su extremo más. En un fibroblasto típico la mitad dela tubulina disponible está libre en el citosol y la otramitad formando parte de los microtúbulos. Estasituación es bastante diferente a la de los filamentosintermedios en los que la mayoría de las subunidadesestán formando parte de dichos filamentos. Hay un ir yvenir de dímeros de tubulina entre el citosol y losmicrotúbulos. Esto es importante para la reordenacióndel sistema celular de microtúbulos cuando esnecesario.

Inestabilidad dinámica

Una vez se ha producido el comienzo de laformación de un microtúbulo la incorporación denuevos dímeros de tubulina al extremo más hace que elmicrotúbulo crezca en longitud. Este crecimiento aveces se detiene repentinamente y el microtúbulocomienza a despolimerizarse, llegando a veces inclusoa desaparecer, o más frecuentemente reinicia el procesode polimerización. A estas alternancias entrepolimerización y despolimerización es a lo que sellama inestabilidad dinámica. ¿Cómo se produce estefenómeno?

Los dímeros de tubulina libres en el citosol seencuentran unidos a una molécula de GTP, que se une ala subunidad β­tubulina. Cuando un dímero se une a unmicrotúbulo en crecimiento se produce una hidrólisisde GTP a GDP. Si la velocidad con la que se produce launión de nuevos dímeros es mayor que la de hidrólisisdel GTP siempre habrá un conjunto de dímeros en elextremo más que tendrán GTP unido. A este conjuntode dímeros­GTP polimerizados se le llama casquete deGTPs. Ésta es una estructura que hace más estable elextremo más. Bajo estas condiciones el microtúbulocrecerá en longitud. La velocidad de polimerización,sin embargo, depende de las condiciones del entornocitosólico en las que se encuentre el extremo más delmicrotúbulo en crecimiento. Si la velocidad depolimerización es ralentizada la velocidad de hidrólisisde GTPs alcanza y supera a la de polimerización. Ello

implica que llegará un momento en el que en elextremo más no habrá dímeros de tubulina­GTP, sinodímeros de tubulina­GDP, los cuales tienen unaadhesión inestable entre ellos cuando se encuentranformando parte del extremo del microtúbulo. Estoprovoca una despolimerización masiva y la liberaciónde los dímeros de tubulina­GDP. Los dímeros detubilina­GDP que quedan libres son convertidosrápidamente en dímeros de tubulina­GTP y por tantopueden volver a unirse al extremo más de otromicrotúbulo en crecimiento.

MAPs

Al igual que ocurre con los filamentos de actina, losmicrotúbulos tienen asociadas otras proteínas que seencargan de controlar la polimerización ydespolimerización, así como su organización espacial.

En este esquema se representan los dos estados en que

se encuentran los dímeros de tubulina en sus formas

unidas a GTP o unidas a GDP. En el citosol se da la

conversión de dímero­GDP en dímero­GTP, mientras que

en el micróbulo ocurre el proceso contrario en el

denominado frente de hidrólisis. Un microtúbulo

despolimeriza cuando los dímeros­GDP se encuentran

ocupando el extremo más, mientras que polimeriza

cuando en el extremo más está formado por los dímeros­

GTP, formando el denominado casquete de GTPs.

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A estas proteínas se les denomina generalmente comoproteínas asociadas a los microtúbulos o MAPs(microtubule associated proteins). La mayoría de ellasinteraccionan con el extremo más donde controlan lainestabilidad dinámica pudiendo favorecer ladespolimerización o el crecimiento alterando laestabilidad del extremo más. Por ejemplo, las proteínasXMAP215 y EB promueven el crecimiento delmicrotúbulo mediante la estabilización de los dímerosde tubulina en el extremo más. Hay otras de acciónmás drástica como la katanina que rompe losmicrotúbulos produciendo trozos que despolimerizanrápidamente o sirven de semillas para formar másmicrotúbulos. Las MAPs también permiten a losmicrotúbulos interactuar con otros elementos celularescomo los orgánulos u otros componentes delcitoesqueleto. Existen sustancias externas que se hanusado como medicamentos o como toxinas y queejercen su acción porque afectan a la polimerización odespolimerización de los microtúbulos. Por ejemplo, lacolchicina impide la polimerización, mientras que eltaxol tiene el efecto contrario, se une fuertemente a losmicrotúbulos impidiendo su despolimerización.

MTOCs

La concentración de dímeros de tubulina que haynormalmente en el citosol no es suficiente para laformación espontánea de microtúbulos. Para que seforme un microtúbulo de nuevo debe ser nucleado oiniciado. Para ello existen los MTOCs (microtubuleorganizing centers), que son centros organizadores demicrotúbulos. Estos son los lugares donde comienza lapolimerización de un nuevo microtúbulo y dondesuelen estar anclados sus extremos menos. En estoscentros existen complejos moleculares especializadosen nuclear microtúbulos. El más común de ellos sonlos anillos de gamma­tubulina, que son estructurascirculares que actúan como moldes sobre los que seinician los nuevos microtúbulos. Pero también puedenexistir otras proteínas como las TPX2 y XMAP125 queposibilitan la nucleación de nuevos microtúbulos.TPX2 y XMAP125 colaboran entre sí y con los anillosde gamma­tubulina en en el centrosoma para nuclearnuevos microtúbulos.

El principal MTOC en las células animales es elcentrosoma, el cual controla el número, localización yorientación de los microtúbulos en el citoplasma. Hayun centrosoma por célula, cuando ésta se encuentra en

la fase G1 o G0 del ciclo celular, y se suele localizarcerca del núcleo. Aunque esta organización no seencuentra en todas las células. Por ejemplo, losmegacariocitos tienen múltiples centrosomas, mientrasque las células musculares carecen de centrosomas ylas neuronas tienen una organización de microtúbulosque no es radial. El centrosoma está formado por doscomponentes: uno central formado por un par decentriolos dispuestos de forma ortogonal y otroperiférico formado por material proteico denominadomaterial pericentriolar. Los centriolos son estructurascilíndricas formadas por 9 tripletes de microtúbulosque forman las paredes. Un centriolo típico tiene 0,5µm de largo y 0,2 µm de diámetro.

En el material pericentriolar hay numerosasmoléculas entre las que se encuentra la γ­ tubulina,formando los anillos denominados anillos de γ­tubulina. Los centriolos, sin embargo, no desempeñanpapel alguno en la polimerización y dirección de losmicrotúbulos, excepto en sus apéndices, distales ysubdistales, que son prolongaciones proteicas ancladasa los centriolos. La misión de los centriolos es todavíaun misterio puesto que las células vegetales carecen deellos y no por eso dejan de dividirse u orientar susmicrotúbulos. Los centriolos son similares a loscuerpos basales, estructuras que están en la base de

El sistema de microtúbulos de las células animales se forma

principalmente a partir del centrosoma, que contiene un par

de centriolos dispuestos perpendicularmente entre sí

rodeados por el material pericentriolar. En este material se

encuentran los anillos de γ­tubulina a partir de los cuales

polimerizan los microtúbulos.

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cilios y flagelos desde los cuales polimerizan losmicrotúbulos que forman el armazón de estasprolongaciones celulares. En condicionesexperimentales se pueden polimerizar microtúbulos deforma espontánea sin presencia de anillos γ­tubulinacuando se coloca una gran cantidad de α­ y β­tubulinaen solución, pero tales concentraciones sondifícilmente alcanzables en la célula.

El centrosoma no sólo participa en la polimerizaciónde los microtúbulos sino que también es importante enla regulación del ciclo celular por la presencia en elmaterial pericentriolar de numerosas proteínas queafectan al avance del ciclo celular y por la organizacióndel huso mitótico. La duplicación de los centrosomasantes de llegar a la mitosis es fundamental paraproducir dos células hijas con "buena salud".Relacionado con esta actividad se ha implicado alcentrosoma en el cáncer puesto que la mayoría de lascélulas tumorales tienen centrosomas supernumerarios,lo que implica husos mitóticos multipolares quepueden llevar a aneuploidías.

Existen otros lugares donde se pueden nuclearmicrotúbulos. Los blefaroplastos son agrupacionesmoleculares que aparecen en células vegetales, yocasionalmente en las animales, y a partir de las cualesse pueden producir microtúbulos, y también centriolosy centrosomas. Las células vegetales, al carecer decentriolos, no forman centrosomas típicos como en lascélulas animales, pero sí tienen anillos de γ­tubulinadispersos por el citoplasma o asociados a la envueltanuclear. Así, las células de las plantas pueden nuclearlos microtúbulos a partir de la envuelta nuclear o partirde blefaroplastos localizados próximos a la superficiecelular. En cualquier caso siempre han de existir anillosde γ­tubulina. En las levaduras el principal centronucleador se denomina cuerpo polar y se localiza en laenvuelta nuclear. Existen otros centros nucleadores demicrotúbulos como son los propios cromosomas, loscuales son capaces de crear un huso mitótico enausencia de centrosomas, como ocurre en las célulasvegetales. Las cisternas del aparato de Golgi puedennuclear microtúbulos que ayudan a mantener laorganización del orgánulo, y también existe lanucleación dependiente de otros microtúbulos.

Función

Organización y movimiento de orgánulos. Los

microtúbulos se pueden clasificar en dos grandesgrupos: aquellos que son estables, presentes en loscilios y flagelos, y otros más dinámicos y cambiantesque se encuentran en el citosol. Aparte del papel de losmicrotúbulos citosólicos en el movimiento de loscromosomas, mediante la formación del huso mitótico,que se verá más adelante, participan en el movimientode orgánulos como las mitocondrias, lisosomas,pigmentos, gotas de lípidos, etcétera. Son tambiénnecesarios para dirigir el tráfico vesicular. Cuando seobservan células en cultivo con el microscopio, losorgánulos visibles muestran movimientos rápidos endirecciones específicas intercalados con periodos deinactividad. A estos movimientos se les llamasaltatorios. En las células de las plantas la mayoría deestos movimientos celulares internos son provocadospor los filamentos de actina. Sin embargo, losmicrotubulos que se disponen en la zona cortical delcitoplasma parecen importantes para determinar laorientación de la fibras de celulosa, lo que determina elcrecimiento de la pared celular y por tanto de la propiacélula.

Los microtúbulos son relativamente inertes en cuantoque no interaccionan directamente con los orgánulos.Los desplazamientos de orgánulos a lo largo de losmicrotúbulos son producidos por una serie de proteínasespeciales llamadas proteínas motoras. Estas proteínaspertenecen a dos familias: quinesinas y dineínas, lascuales se desplazan por el microtúbulo en direccionesopuestas: las quinesinas hacia el extremo más y lasdineínas hacia el extremo menos. Tanto unas comootras tienen dos estructuras globulares y una cola. Laszonas globulares unen ATP e interaccionan con losmicrotúbulos con una orientación determinada,mientras que las colas se unen a las cargas que han detransportar. La cola es lo que determina qué elementoes el transportable. La hidrólisis del ATP en las zonasglobulares provoca el cambio estructural de la proteínay su desplazamiento a lo largo del microtúbulo.Además del transporte, las proteínas motoras tambiénestán implicadas en dar forma y localizar en lugaresdeterminados de la célula a orgánulos grandes como elcomplejo de Golgi y el retículo endoplasmático.Cuando se añade colchicina, que despolimeriza a losmicrotúbulos, ambos orgánulos colapsan y setransforman en pequeñas vesículas que se dispersan porel citoplasma. Cuando se elimina la droga y vuelven apolimerizar los microtúbulos, ambos orgánulos vuelven

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a sus posiciones y formas características. Ello indicaque en sus membranas existen proteínas que sonreconocidas por las proteínas motoras.

Los cilios y flagelos son estructuras que se proyectandesde las células, contienen microtúbulos y estánrodeados de membrana plasmática. Las células utilizanestos apéndices para desplazarse, para remover elmedio que les rodea o como estructuras sensoriales.Los cilios son más cortos que los flagelos, son másnumerosos y se mueven de una manera en la queempujan al líquido en una dirección paralela a lasuperficie de la célula. Los flagelos mueven el líquidoque les rodea en una dirección perpendicular a lasuperficie de la célula.

Los cilios y los flagelos son estructuras complejascon más de 250 proteínas diferentes. Ambos contienenuna estructura central de microtúbulos llamadaaxonema, rodeada por membrana plasmática. Unaxonema consta de 9 pares de microtúbulos exterioresque rodean a un par central. A esta disposición se laconoce como 9x2 + 2. Esta disposición se mantienegracias a un entramado de conexiones proteicasinternas. El axonema crece a partir del cuerpo basal,que tiene la misma estructura que los centriolos(9x3+0), es decir, está formado por 9 tripletes de

microtúbulos formando un tubo hueco. Las parejas demicrotúbulos externos del axonema están conectadasentre sí por una proteína denominada nexina y porradios proteicos a un anillo central que encierra al parcentral de microtúbulos. En los dobletes externosaparece una proteína motora asociada llamada dineína,implicada en el movimiento de los cilios y de losflagelos. La movilidad se produce por el deslizamientode unas parejas de microtúbulos externos respecto aotras, lo que da como resultado que la estructura securve.

Existen cilios, denominados primarios, que nofuncionan como estructuras móviles. Éstos son poconumerosos, a veces aparecen solitarios en las células deprácticamente todos los tejidos estudiados. Poseen ensus membranas numerosos receptores y canalesiónicos, por lo que se ha propuesto un papel sensorial.Hoy en día se atribuye un papel sensorial tanto a loscilios primarios como a los móviles, donde también sehan encontrado numerosos tipos de receptores.

Imágenes obtenidas con un microscopio electrónico de

barrido. Muestran el interior del canal central de una médula

espinal de lamprea. Se pueden observar numerosos cilios

(con más detalle en B) y pequeñas microvellosidades en los

dominios apicales de las células que forman las paredes de

dicho canal.

Esquema donde se indican los principales componentes de

la estructura de un cilio o un flagelo. En los cilios primarios

el par central de microtúbulos está ausente.

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Los filamentos intermedios son componentes delcitoesqueleto cuya principal misión es permitir a lascélulas o estructuras celulares soportar tensionesmecánicas. Esta función es obvia en las célulasanimales, pero no en las células de las plantas donde elpapel de resistencia mecánica lo llevan a cabo lasparedes celulares. En las células de las plantas se handetectado proteínas similares a los filamentosintermedios pero su papel es desconocido.

Se denominan intermedios porque su diámetro es deaproximadamente 8 a 15 nm, que se encuentra entre elde los filamentos de actina (7 a 8 nm) y el de losmicrotúbulos (25 nm). Aparecen en las célulasanimales, aunque no en todas. Forman una red quecontacta con el núcleo y se extiende hasta la periferiacelular. Normalmente están anclados a los complejosde unión (desmosomas, hemidesmosomas, las unionesfocales) que se establecen entre células vecinas y entrelas células y la matriz extracelular (hemidesmosomas)a través de proteínas de unión. También se hanencontrado filamentos intermedios en el núcleo dondeforman la lámina nuclear, un entramado que da forma yaporta cohesión a la envuelta nuclear. Abundan losfilamentos intermedios en las células que estánsometidas a tensiones mecánicas. Por ejemplo en losaxones de las células nerviosas, en las musculares y enlas epiteliales.

En humanos hay 70 genes diferentes que codificanpara las distintas subunidades que al polimerizarforman los filamentos intermedios que se observan enlas células. Pero además se puede dar maduraciónalternativa del ARN mensajero de estos genes(alternative splicing) resultando en más formasproteicas diferentes. Estos monómeros o subunidadesestán formados por una cabeza globular en el extremoamino, una cola globular en el extremo carboxilo y undominio central alargado, o región central, con unos310 a 350 aminoácidos. Las cabezas o zonas globularesson las regiones de la proteína encargadas deinteraccionar con otros componentes celulares. Estascabezas son variables en forma y secuencia deaminoácidos en los distintos tipos de filamentosintermedios. Esta estructura molecular es importantepara que estas proteínas se asocien entre sí de maneraespontánea. La región central se organiza en una hélice

alfa que permite a un monómero unirse a otro paraformar dímeros. Dos de estos dímeros pueden asociarseentre sí de forma antiparalela mediante enlaceseléctricos para formar tetrámeros. Los tetrámeros seasocian lateralmente para formar una estructuralaminada de 8 tetrámeros, que se enrolla sobre símisma, y se une en línea con otras para formar elfilamento intermedio de unos 8 a 10 nm de diámetro.La estructura formada por la longitud de 4 tetrámerosforma la unidad fundamental de ensamblaje de unos 60nm de longitud. Las unidades fundamentales se asocianpor sus extremos para formar los filamentosintermedios a modo de cuerda. Las zonas centrales delos monómeros son muy parecidas entre los distintostipos de filamentos intermedios, en tamaño y secuenciade aminoácidos, por lo que todos tienen un diámetro yforma parecidos.

Los filamentos intermedios son flexibles yresistentes, dos propiedades óptimas para soportar lastensiones mecánicas. Se ha estimado que puedenestirarse entre un 250 y un 350 % de su longitud inicialcuando se someten a fuerzas de tensión. Cuando estoocurre disminuyen su diámetro, por lo que se estimaque los monómeros pueden deslizarse unos sobre otros.Esto contrasta con los microtúbulos y los filamentos deactina, los cuales son relativamente rígidos. Aparte deen esta función de resistencia parece que intervienen enotros procesos celulares. Se les postula como lugar deanclaje de numerosas moléculas de señalización.Además, interaccionan directamente con orgánuloscomo las mitocondrias, el aparato de Golgi y loslisosomas, por lo que pueden afectar a sufuncionamiento y al propio tráfico vesicular. Por

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Esquema de la disposición de los filamentos

intermedios en una célula animal en cultivo.

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ejemplo, se ha encontrado que la vimentina, un tipo defilamento intermedio, interacciona con las proteínasRab, las cuales son necesarias para el reparto de lasvesículas del tráfico vesicular.

Aunque los filamentos intermedios son más establesen el tiempo que los microtúbulos o los filamentos deactina, también pueden desorganizarse y volver apolimerizar bajo ciertas condiciones celulares comodurante el desplazamiento celular, división celular ocuando se responde a cambios en la dirección de lasfuerzas tensoras que soportan las células.

Los filamentos intermedios se clasifican en 6 gruposo clases. I y II son las queratinas ácidas y básicasrespectivamente. Ambos tipos se combinan entre sípara dar las queratinas de las células, es decir, lasqueratinas son heteropolímeros. Las queratinas sonabundantes en las célula epiteliales. III es una claseheterogénea donde destacan la vimentina, desmina,proteína glial fibrilar ácida y la periferina. IV es ungrupo que incluye a los neurofilmentos, típicos deneuronas, a la semina, sincoilina y a la alfa­internexina.V es una clase que incluye a las láminas nucleares queforman la lámina nuclear, son los únicos filamentosintermedios que no se encuentran en el citoplasma. VIes una nueva clase añadida recientemente que incluye aproteinas de las lentes del ojo como filensina y lafaquinina.

La familia de filamentos intermedios con másdiversidad en sus monómeros es la de las queratinas.Así, se han encontrado monómeros diferentes enepitelios diferentes, también aparecen queratinasespeciales en el pelo, las plumas y las uñas. En cadacaso los filamentos de queratina son el resultado de unamezclas de distintos tipos de monómeros de queratinas.

Otros filamentos intermedios también formanheteropolímeros, es decir, asociaciones entre filamentosintermedios correspondientes a clases diferentes.

Los filamentos de queratina en las células epitelialessuelen estar anclados a los desmosomas y a loshemidesmosomas. La importancia de esto quedapatente en una enfermedad llamada epidermolisisbullosa simple, en la cual existen mutaciones quemodifican la formación de los filamentos de queratina.El resultado es una piel muy vulnerable al dañomecánico, es decir, hace falta muy poca presión paraseparar las células y producir descamación. Ésta es sólouna de las más de 75 enfermedades humanas asociadasa defectos en los filamentos intermedios entre las quese encuentran miopatías, esclerosis lateral amiotrófica,Parkinson, cataratas, etcétera.

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Esquema del ensamblaje de los filamentos

intermedios a partir de monómeros.

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