CITOPLASMA – CITOSOL – CITOESQUELETO VÍCTOR HUGO CASCO

Citoplasma

• El citoplasma comprende todo el volumen de la

célula, salvo el núcleo

• Está compuesto por el citosol, una solución

acuosa concentrada que engloba numerosas

estructuras especializadas y orgánulos, y el

citoesqueleto, una red de filamentos proteicos que

se extienden a través del citoplasma de todas las

células eucariotas

MATRIZ CITOPLASMÁTICA (CITOSOL)

• El citosol es principalmente un medio acuoso (~85% de

agua) en la que están disueltas pequeñas sustancias

orgánicas: (aminoácidos, glucosa, ATP, etc.) e inorgánicas

(iones, sales minerales, etc.)

• El citosol tiene una organización muy alta a nivel

molecular

• Es un fluido de “naturaleza gelatinosa” que contiene ~ 20%

de proteínas

MATRIZ CITOPLASMÁTICA (CITOSOL)

• En él están disueltas muchas de las moléculas que la célula necesita para su

metabolismo, entre ellas moléculas orgánicas que son intermediarios del

metabolismo.

• El citosol está repleto de enzimas que dirigen (catalizan) y controlan el

metabolismo celular (glicólisis, gluconeogénesis, vía de las pentosas fosfato,

activación de aminoácidos, síntesis de ácidos grasos, síntesis de nucleótidos etc.),.

• También contiene sistemas de transducción de señales internas (por ej.,

segundos mensajeros, AMPc, GMPc, IP3-inositol trifosfato-etc.),

• Asimismo se encuentran receptores intracelulares de señalización (Por ej.,

factores de transcripción, quinasas proteasas, etc.)

• En el citosol también se pueden encontrar inclusiones de material de reserva: de

lípidos y de glucógeno. Se encuentran los ribosoma libres que realizan la síntesis

de proteínas que serán distribuidas y destinadas a diferentes compartimentos

celulares (mitocondrias, peroxisomas, núcleo)

MATRIZ CITOPLASMÁTICA (CITOSOL)

• Las propiedades coloidales de la célula, como las

transformaciones básicas de SOL-GEL; de “Sol” (una Solución

líquida del citosol más fluida) a “Gel” (un citosol más rígido, sólido y

gelatinoso) son básicas para determinadas actividades básicas

celulares – como las modificaciones de la viscosidad y el movimiento intracelular del citoplasma en

forma de corrientes de fluido citosólico (en inglés: cyclosis o cellular streaming) o

– locomoción celular de tipo ameboideo, la formación del huso mitótico y

– el clivaje (escisión) de la célula madre para dar lugar dos células hijas durante la fase

de citocinesis de la división celular (mitosis),

– el crecimiento y formación sinápticas, y

– liberación de vesículas de neurotransmisores.

MATRIZ CITOPLASMÁTICA (CITOSOL)

• Las transformaciones Sol-Gel que pueden ocurrir

rápidamente (por ej. 40 ciclos sol-gel por segundo)

depende fundamentalmente de los componentes del

citosol, y es causado principalmente por las reacciones

controladas de ensamblaje y desensamblaje

(remodelamiento dinámico) de los elementos del

citoesqueleto (embebidos en el citosol) principalmente

microfilamentos de Actina y microtúbulos y de las

asociaciones contráctiles Actina-Miosina.

Inclusiones transitorias

• Suspendidos en el seno del citosol existe un número

variable de componentes citoplasmáticos que representan

acúmulos de nutrientes o subproductos relativamente

inertes del metabolismo celular.

• Salvo contadas excepciones, no poseen membranas de

recubrimiento.

• Su concentración en las células depende de la edad de las

células, del tipo celular y de su actividad fisiológica.

Partículas Glucógeno

• Cuando la disponibilidad de glucosa es elevada, la glucógeno-

sintetasa elabora grandes polímeros ramificados que constituyen las

moléculas de glucógeno, que es la forma de depósito intracelular de

glucosa transitoriamente inmovilizada

• Los glucosomas o partículas β son estructuras esferoidales de unos

30 nm, formadas por un centro del polisacárido rodeado por una

capa de enzimas que intervienen en su formación y degradación

• Los glucosomas pueden mantenerse como estructuras

independientes o formar acúmulos (partículas α- o rosetas)

• Cuando el contenido es especialmente alto se lo puede visualizar al

MO mediante la técnica de PAS

Inclusiones Lipídicas

• Los acúmulos más comunes son las inclusiones de triglicéridos

• Estas formaciones carecen de membrana y poseen tamaños muy

diversos

• Algunas son visibles sólo con el ME, mientras que otras alcanzan

decenas de micrómetros como las gotas citoplasmáticas de los

adipocitos que son las células especializadas en la acumulación de

lípidos como reserva concentrada de nutrientes para todo el

organismo

• Pese a que las células utilizan ampliamente el colesterol para la

síntesis de sus membranas no existen depósitos visibles de este

esterol, excepto las glándulas endocrinas que sintetizan hormonas

esteroides

Inclusiones cristalinas

• La mayoría de las inclusiones cristalinas son proteínas de función y estructura

desconocidas,

• En algunos casos la composición no es proteica, ejemplo de ello son los cristales

intranucleares de hepatocitos caninos que están compuestos de uratos, lo mismo

que en las células de la cornea humana de individuos que sufren de gota.

• En otros casos la composición proteica de los cristales es bien conocida, por

ejemplo, el complejo de apoferritina y hierro (ferritina), que es la forma intra-

citosólica de depósito del hierro.

• En otros casos, la presencia de cristales constituye una adaptación funcional

importante como en el tapetum lucidum de animales de hábitos nocturnos. Estos

cristales regularmente espaciados, actúan reforzando la sensibilidad de la visión

nocturna.

Pigmentos

• Muchas células poseen granulaciones citoplasmáticas de color pardo, descriptas por los

citólogos clásicos como inclusiones de lipofusina o lipocromo.

• Estas inclusiones no se presentan en células de vida corta o en organismos juveniles,

• Conforme los individuos envejecen su cantidad se incrementa paulatinamente. Ejemplo de

ello se da en las células que como las neuronas y los cardiocitos se encuentran

terminalmente diferenciados y que han perdido su capacidad de dividirse.

• Se tiñen positivamente con la tinción de PAS y débilmente con los colorantes para lípidos.

Estos pigmentos representan los estadios finales de la desintegración en vacuolas

autofágicas que los años se acumulan en forma de residuos no digeribles, son

metabólicamente inertes no son desdoblados por las enzimas lisosómicas.

• Otro pigmento que puede observarse en las células es la melanina. Es un pigmento

derivado del aminoácido tirosina que se sintetiza en células especializadas llamadas

melanocitos.

Componentes del Citoesqueleto eucariota

Red de Actina Microtúbulos

Filamentos intermedios Célula en movimiento

El citoesqueleto es exclusivo de

Eucariotas?

Filamentos helicoidales de la actina bacteriana de

Bacillus subtilis (imagen obtenida con microscopio de

fluorescencia) R. Carballido-López

Citoesqueleto

Filamentos de Actina

Filamentos Intermedios

Microtúbulos

• 7 nm

• Actina G

• 10 nm

• ~ 50 tipos de Proteínas

• 25 nm

• Dímeros de Tubulinas α y β

Citoesqueleto:

Microfilamentos

¿Actinas? bacterianas

Superposición de las estructuras de

Actina libre (ADP) y MreB. A pesar

del bajo porcentaje de identidad en

la secuencia de aminoácidos (~15%)

los plegamientos son prácticamente

Idénticos.

Protofilamento

de actina

Protofilamento

de MreB

Filamentos de Actina (~ 7nm)

Ensamble y estructura del filamento de

actina

Extremo (–)

Extremo (+)

Extremo (-)

Extremo (+)

G-actina Dímero Trímero

F-actina

166o

Monómero de Actina

375 aác.

43kd

Treadmilling

Extremo (+) Extremo (-)

Polimerización de la actina

Efectos de las proteínas de unión a actina

en el recambio del filamento

Cofilina

Profilina

Organización de los filamentos de actina

Manojos Redes

Filamentos

de actina

Filamentos

de actina

Proteína de

entrecruzamiento

Proteína de

entrecruzamiento

Formas de organización de la actina y

proteínas asociadas

Filamentos de actina Filamentos de actina

Fimbrina

-Actinina

Dominios

de unión

a Ca2+ Dominios

de unión

a Ca2+

Dominio espaciador

-helicoidal

Organización de los microfilamentos en las

microvellosidades Extremo (-)

Membrana Plasmática

Filamentos de actina

Brazo lateral Miosina

l-calmodulina

Vilina Fimbrina

red terminal

Redes de actina y filamina

Dominio de dimerización

Dominio de unión a actina

Filamentos

de actina

Dominios espaciadores

Hoja plegada-

Estructura de la espectrina

Cadena beta

Cadena alfa Ca2+

Dominio de hoja

plegada beta

Unión de fibras de estrés a la MP en las

adhesiones focales

Unión de fibras de estrés a la MP en las

adhesiones focales

Anclaje de FA a uniones adherentes

cadherinas

MP

A

Estructura de las células musculares

Músculo

Haz de fibras

musculares

una fibra muscular

(célula muscular)

Núcleo

MP

Miofibrilla Disco Z

Disco Z

Banda A

Sarcómero

Estructura del sarcómero

miosina

Banda A Banda I

Zona H

Sarcómero

actina

Línea M Disco Z

26.000X

Esquema de un sarcómero y sus

componentes 26.000X

Banda A (Oscura)

Banda I (Clara)

Sarcómero

Línea Z Línea M Línea Z

Zona H

Actina (filamento

delgado)

Miosina (filamento

grueso)

Titina y Nebulina

Disco Z actina nebulina Miosina Titina (3000kd)

Deslizamiento de filamentos

Modelo de contracción muscular actina miosina

Línea M

Disco Z

Deslizamiento de

los filamentos contracción

Miosina II

Región de

Cabeza globular Cadena liviana esencial

Cadena liviana regulatoria

Cadena pesada

Colas hélices - coiled coil

Modelo de acción de miosina

Disociación del

complejo A-M

Hidrólisis de ATP

cambio

conformacional

Desplazamiento de

la cabeza de M

La cabeza de miosina

se une a una nueva posición de A

La cabeza de miosina

retorna a la posición orginal

Desplazamiento de actina

Distribución y relaciones de la troponina y

tropomiosina musculares

Asociación de Tropomiosina y troponina

con Filamentos de actina

Tropomiosina

Tropomiosina

Cabeza de miosina Sitio de unión

de miosina

Actina Sitio de unión

de miosina

expuestos

Troponina

Citoesqueleto:

Filamentos Intermedios

Crescentina ¿FI bacterianos?

Filamentos Intermedios ~10 nm

Proteínas de filamentos intermedios Tipo Proteína Tamaño (kd) Sitio de Expresión

I Queratinas ácidas (~ 15 proteínas) 40-60 Células epiteliales

II Queratinas Básicas o neutras (~ 15

proteínas)

50-70 Células epiteliales

III Vimentina

Desmina

Proteína fibrilar ácida gliales

Periferina

54

53

51

57

Fibroblastos, glóbulos

blancos, etc.

Células musculares

Células gliales

Neuronas periféricas

IV Proteínas de neurofilamentos

Internexina

67-200

66

Neuronas

Neuronas

V Laminas nucleares 60-75 Lamina nuclear interna

VI Nestina 200 Células madre del SNC

Estructura de las proteínas de FI

Cabeza

Variable en

estructura

y tamaño

Cola

Variable en

estructura

y tamaño

N-terminal

C-terminal

Dominio central en forma de bastón

Hélices de 310-350 aác.

Ensamble de los FI

Polipéptido

Dímero

Tetrámero

Protofilamento

Filamento

cabeza

cola Coiled coila

Citoesqueleto

Microtúbulos

¿Tubulinas procariotas?

• Dos tipos de homólogos de tubulina: ejemplificados por FtsZ y las

proteínas BtubA and BtubB de Prosthecobacter dejongeii

• Las identidades de secuencia en relación a tubulinas eucarioticas

son de ~17% para FtsZ y ~35% para BtubA/B

• Los análisis filogenéticos sugieren que FtsZ y tubulina habrían

evolucionado de un ancestro común y habrían divergido

tempranamente mientras que BtubA y BtubB lo habrían hecho mas

recientemente siguiendo transferencia horizontal de un precursor

eucarionte

Organización Celular de FtsZ

Microtúbulos ~25 nm

Tipos de MT

• Cilias

• Flagelos

• Corpúsculos basales Microtúbulos del axonema

• Mantenimiento de los axones

• Mantenimiento de la polaridad durante la migración

• Orientación del depósito de las miofibrillas de celulosa

• Formación del huso mitótico y meiótico

• Disposición espacial y movimiento de organelas y vesículas

Microtúbulos citoplasmáticos

Dímero de tubulinas α y β

Diagrama de cintas basado en un modelo de

una resolución de 3.7 Angstrom desarrollado

por científicos del laboratorio de Berkeley, que

muestra que la tubulina es un heterodímero

que consiste de dos monómeros de

estructuras casi idénticas (alfa y beta). Cada

monómero está formado por un núcleo de dos

láminas beta (verde), rodeado por hélices α

(azul), y cada uno se une a un nucleótido

guanina (rosa). Además de un sitio de unión a

un nucleótido, cada monómero tiene otros dos

sitios de unión, uno para proteínas y el otro

para la droga anti-cancerosa taxol

Estructura de los microtúbulos

1 13

12

11

10

9 8 7

6

5

4

3

2

Tubulina- Tubulina-

Estructura de los microtúbulos

Tinción Negativa

Tinción Positiva

Citoesqueleto basado en microtúbulos

Inestabilidad dinámica de los microtúbulos

Alta concentración de tubulina

unida a GTP

Baja concentración de tubulina

unida a GTP

Inhibición de la polimerización por

colchicina

colchicina

Proteínas motoras de microtúbulos

cola Dineína

Quinesina

base

Dominios cabeza

(–)

Cadenas liviana e

intermedia

Coiled – coil

Cadena liviana

(+)

Transporte de vesículas a lo largo de los

microtúbulos

Núcleo

centrosoma

quinesina dineína

Movimiento de los

cromosomas en la

Anafase A

Microtúbulos polares

Microtúbulos

Astrales Microtúbulos

Quinetocóricos

Proteína motora

direccionada hacia

el extremo (-)

cromosoma

Desensamble de MT

Separación de MT polares en anafase tipo

B

Microtúbulos

astrales

Microtúbulos

polares

Microtúbulos

cinetocóricos

Motor direccionador al extremo + Motor direccionador al extremo (–) Motor direccionador al extremo (–)

Cilias y flagelos

Protofilamento

Microtúbulo

protofilamentos Doblete

ciliar Triplete

centriolar

cilio cilio

Doblete

Tiplete

Centríolo

Corte transversal de un cilio

Fibra externa

(doblete)

Membrana

Fibra

central

Cabeza del

Ligamiento

Radial Ligamiento

Radial

Vaina

Central

Puente de

Nexina

Brazo

interno

Brazo

externo

Cilios y Cuerpos basales

a

b

Movimiento de microtúbulos en cílias y

flagelos

(+)

Dineína

Movimiento de la

cabeza de Dineína

hacia el extremo (-)

del tubo B

Ligamiento de

nexina

(–)

curvamiento

de microtúbulo

Centríolos

Los cuerpos basales y centríolos se

replican autónomamente