Citoesqueleto

El citoesqueleto es una red compleja y dinámica de filamentos de proteínas interconectados presentes en el citoplasma de todas las células, excepto las bacterias y las arqueas. Se extiende desde el núcleo celular hasta la membrana celular y se compone de proteínas similares en los diversos organismos. En los eucariotas, se compone de tres componentes principales, microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos, y todos ellos son capaces de crecer o desmontarse rápidamente según los requisitos de la célula.

El citoesqueleto puede realizar una multitud de funciones. Su función principal es dar a la célula su forma y resistencia mecánica a la deformación y, mediante la asociación con el tejido conjuntivo extracelular y otras células, estabiliza tejidos completos. El citoesqueleto también puede contraerse, deformando así la célula y el entorno de la célula y permitiendo que las células migren. Además, participa en muchas vías de señalización celular y en la captación de material extracelular (endocitosis), la segregación de cromosomas durante la división celular, la etapa de citocinesis de la división celular, como andamiaje para organizar el contenido de la célula en el espacio y en el espacio intracelular. transporte (por ejemplo, el movimiento de vesículas y orgánulos dentro de la célula)y puede ser una plantilla para la construcción de una pared celular. Además, puede formar estructuras especializadas, como flagelos, cilios, lamellipodia y podosomas. La estructura, función y comportamiento dinámico del citoesqueleto pueden ser muy diferentes, según el organismo y el tipo de célula. Incluso dentro de una célula, el citoesqueleto puede cambiar a través de la asociación con otras proteínas y la historia previa de la red.

Un ejemplo a gran escala de una acción realizada por el citoesqueleto es la contracción muscular. Esto lo llevan a cabo grupos de células altamente especializadas que trabajan juntas. Un componente principal en el citoesqueleto que ayuda a mostrar la verdadera función de esta contracción muscular es el microfilamento. Los microfilamentos están compuestos por la proteína celular más abundante conocida como actina. Durante la contracción de un músculo, dentro de cada célula muscular, los motores moleculares de miosina ejercen fuerzas colectivamente sobre los filamentos de actina paralelos. La contracción muscular comienza con los impulsos nerviosos que luego provocan que se libere una mayor cantidad de calcio del retículo sarcoplásmico. Los aumentos de calcio en el citosol permiten que comience la contracción muscular con la ayuda de dos proteínas, la tropomiosina y la troponina.La tropomiosina inhibe la interacción entre la actina y la miosina, mientras que la troponina detecta el aumento de calcio y libera la inhibición. Esta acción contrae la célula muscular y, a través del proceso sincrónico en muchas células musculares, todo el músculo.

Historia

En 1903, Nikolai K. Koltsov propuso que la forma de las células estaba determinada por una red de túbulos que denominó citoesqueleto. El concepto de un mosaico de proteínas que coordina dinámicamente la bioquímica citoplasmática fue propuesto por Rudolph Peters en 1929, mientras que el término ( citosquelette, en francés) fue introducido por primera vez por el embriólogo francés Paul Wintrebert en 1931.

Cuando se introdujo por primera vez el citoesqueleto, se pensó que era una sustancia similar a un gel poco interesante que ayudaba a los orgánulos a permanecer en su lugar. Se llevó a cabo mucha investigación para tratar de comprender el propósito del citoesqueleto y sus componentes. Con la ayuda de Stuart Hameroff y Roger Penrose, se descubrió que los microtúbulos vibran dentro de las neuronas del cerebro, lo que sugiere que las ondas cerebrales provienen de vibraciones de microtúbulos más profundas. Este descubrimiento demostró que el citoesqueleto no es solo una sustancia gelatinosa y que en realidad tiene un propósito.

Inicialmente, se pensó que el citoesqueleto era exclusivo de los eucariotas, pero en 1992 se descubrió que también estaba presente en los procariotas. Este descubrimiento se produjo después de darse cuenta de que las bacterias poseen proteínas que son homólogas a la tubulina y la actina; los principales componentes del citoesqueleto eucariota.

Citoesqueleto eucariótico

Las células eucariotas contienen tres tipos principales de filamentos del citoesqueleto: microfilamentos, microtúbulos y filamentos intermedios. En las neuronas, los filamentos intermedios se conocen como neurofilamentos. Cada tipo está formado por la polimerización de un tipo distinto de subunidad de proteína y tiene su propia forma característica y distribución intracelular. Los microfilamentos son polímeros de la proteína actina y tienen un diámetro de 7 nm. Los microtúbulos están compuestos de tubulina y tienen un diámetro de 25 nm. Los filamentos intermedios están compuestos por diversas proteínas, según el tipo de célula en la que se encuentren; normalmente tienen un diámetro de 8-12 nm. El citoesqueleto proporciona estructura y forma a la célula, y al excluir macromoléculas de parte del citosol, aumenta el nivel de aglomeración macromolecular en este compartimento. Los elementos del citoesqueleto interactúan extensa e íntimamente con las membranas celulares.

Las investigaciones sobre trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Huntington y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) indican que el citoesqueleto se ve afectado en estas enfermedades. La enfermedad de Parkinson se caracteriza por la degradación de las neuronas, lo que provoca temblores, rigidez y otros síntomas no motores. La investigación ha demostrado que el ensamblaje y la estabilidad de los microtúbulos en el citoesqueleto se ven comprometidos, lo que hace que las neuronas se degraden con el tiempo. En la enfermedad de Alzheimer, las proteínas tau que estabilizan los microtúbulos funcionan mal en la progresión de la enfermedad, lo que provoca la patología del citoesqueleto. También se propone que el exceso de glutamina en la proteína de Huntington involucrada en la unión de vesículas al citoesqueleto sea un factor en el desarrollo de Huntington.La esclerosis lateral amiotrófica da como resultado una pérdida de movimiento causada por la degradación de las neuronas motoras y también implica defectos del citoesqueleto.

Las proteínas accesorias, incluidas las proteínas motoras, regulan y unen los filamentos a otros compuestos celulares y entre sí, y son esenciales para el ensamblaje controlado de los filamentos del citoesqueleto en ubicaciones particulares.

Se han descubierto varios fármacos citoesqueléticos de molécula pequeña que interactúan con la actina y los microtúbulos. Estos compuestos han demostrado su utilidad en el estudio del citoesqueleto y varios tienen aplicaciones clínicas.

Microfilamentos

Los microfilamentos, también conocidos como filamentos de actina, están compuestos de polímeros lineales de proteínas de actina G y generan fuerza cuando el extremo creciente (más) del filamento empuja contra una barrera, como la membrana celular. También actúan como pistas para el movimiento de las moléculas de miosina que se adhieren al microfilamento y "caminan" a lo largo de ellas. En general, el componente principal o proteína de los microfilamentos es la actina. El monómero de actina G se combina para formar un polímero que continúa formando el microfilamento (filamento de actina). Estas subunidades luego se ensamblan en dos cadenas que se entrelazan en lo que se llama cadenas de actina F. El motor de miosina a lo largo de los filamentos de actina F genera fuerzas contráctiles en las llamadas fibras de actomiosina, tanto en el músculo como en la mayoría de los tipos de células no musculares.Las estructuras de actina están controladas por la familia Rho de pequeñas proteínas de unión a GTP, como la propia Rho para los filamentos contráctiles de acto-miosina ("fibras de estrés"), Rac para los lamelipodios y Cdc42 para los filopodios.

Las funciones incluyen:

• Contracción muscular
• movimiento celular
• Transporte/tráfico intracelular
• Mantenimiento de la forma de las células eucariotas
• citocinesis
• Transmisión citoplasmática

Filamentos intermedios

Los filamentos intermedios forman parte del citoesqueleto de muchas células eucariotas. Estos filamentos, con un diámetro promedio de 10 nanómetros, son más estables (fuertemente unidos) que los microfilamentos y constituyentes heterogéneos del citoesqueleto. Al igual que los filamentos de actina, funcionan en el mantenimiento de la forma celular soportando tensión (los microtúbulos, por el contrario, resisten la compresión pero también pueden soportar la tensión durante la mitosis y durante el posicionamiento del centrosoma). Los filamentos intermedios organizan la estructura tridimensional interna de la célula, anclando orgánulos y sirviendo como componentes estructurales de la lámina nuclear. También participan en algunas uniones célula-célula y célula-matriz. La lámina nuclear existe en todos los animales y en todos los tejidos. Algunos animales como la mosca de la fruta no tienen filamentos intermedios citoplasmáticos.Los filamentos intermedios de queratina en las células epiteliales brindan protección contra diferentes tensiones mecánicas que la piel puede soportar. También brindan protección a los órganos contra el estrés metabólico, oxidativo y químico. El fortalecimiento de las células epiteliales con estos filamentos intermedios puede prevenir el inicio de la apoptosis, o muerte celular, al reducir la probabilidad de estrés.

Los filamentos intermedios se conocen más comúnmente como el sistema de soporte o "andamiaje" para la célula y el núcleo, mientras que también desempeñan un papel en algunas funciones celulares. En combinación con proteínas y desmosomas, los filamentos intermedios forman conexiones célula-célula y anclan las uniones célula-matriz que se utilizan en la mensajería entre células, así como en funciones vitales de la célula. Estas conexiones permiten que la célula se comunique a través del desmosoma de múltiples células para ajustar las estructuras del tejido en función de las señales del entorno celular. Se ha demostrado que las mutaciones en las proteínas IF causan problemas médicos graves, como el envejecimiento prematuro, las mutaciones de desmina que comprometen los órganos, la enfermedad de Alexander y la distrofia muscular.

Los diferentes filamentos intermedios son:

• hecho de vimentinas. Los filamentos intermedios de vimentina están generalmente presentes en las células mesenquimales.
• hecho de queratina. La queratina está presente en general en las células epiteliales.
• neurofilamentos de las células neurales.
• hecho de lamin, dando soporte estructural a la envoltura nuclear.
• hechos de desmina, juegan un papel importante en el soporte estructural y mecánico de las células musculares.

Microtúbulos

Los microtúbulos son cilindros huecos de unos 23 nm de diámetro (diámetro de la luz de aproximadamente 15 nm), que normalmente comprenden 13 protofilamentos que, a su vez, son polímeros de tubulina alfa y beta. Tienen un comportamiento muy dinámico, uniendo GTP para la polimerización. Están comúnmente organizados por el centrosoma.

En nueve juegos de tripletes (en forma de estrella), forman los centriolos, y en nueve dobletes orientados alrededor de dos microtúbulos adicionales (en forma de rueda), forman cilios y flagelos. La última formación se denomina comúnmente disposición "9+2", en la que cada doblete está conectado a otro por la proteína dineína. Como tanto los flagelos como los cilios son componentes estructurales de la célula y se mantienen gracias a los microtúbulos, pueden considerarse parte del citoesqueleto. Hay dos tipos de cilios: cilios móviles y no móviles. Los cilios son cortos y más numerosos que los flagelos. Los cilios móviles tienen un movimiento rítmico de ondulación o latido en comparación con los cilios inmóviles que reciben información sensorial para la célula; procesar señales de las otras células o los fluidos que lo rodean. Además,Además, los brazos de dineína unidos a los microtúbulos funcionan como motores moleculares. El movimiento de los cilios y flagelos es creado por los microtúbulos deslizándose unos sobre otros, lo que requiere ATP. Desempeñan papeles clave en:

• transporte intracelular (asociado a dineínas y kinesinas, transportan orgánulos como mitocondrias o vesículas).
• el axonema de cilios y flagelos.
• el huso mitótico.
• Síntesis de la pared celular en las plantas.

Además de los roles descritos anteriormente, Stuart Hameroff y Roger Penrose han propuesto que los microtúbulos funcionan en la conciencia.

Comparación

Septines

Las septinas son un grupo de proteínas de unión a GTP altamente conservadas que se encuentran en eucariotas. Diferentes septinas forman complejos proteicos entre sí. Estos pueden ensamblarse en filamentos y anillos. Por tanto, las septinas pueden considerarse parte del citoesqueleto. La función de las septinas en las células incluye servir como un sitio de unión localizado para otras proteínas y prevenir la difusión de ciertas moléculas de un compartimento celular a otro. En las células de levadura, construyen un andamiaje para brindar soporte estructural durante la división celular y compartimentar partes de la célula. Investigaciones recientes en células humanas sugieren que los septinos construyen jaulas alrededor de los patógenos bacterianos, inmovilizando a los microbios dañinos y evitando que invadan otras células.

Espectrina

La espectrina es una proteína del citoesqueleto que recubre el lado intracelular de la membrana plasmática en las células eucariotas. La espectrina forma disposiciones pentagonales o hexagonales, formando un andamiaje y desempeñando un papel importante en el mantenimiento de la integridad de la membrana plasmática y la estructura del citoesqueleto.

Citoesqueleto de levadura

En la levadura en ciernes (un organismo modelo importante), la actina forma parches corticales, cables de actina y un anillo citocinético y la tapa. Los parches corticales son cuerpos de actina discretos en la membrana y son vitales para la endocitosis, especialmente para el reciclaje de la glucano sintasa, que es importante para la síntesis de la pared celular. Los cables de actina son haces de filamentos de actina y están involucrados en el transporte de vesículas hacia la tapa (que contiene varias proteínas diferentes para polarizar el crecimiento celular) y en el posicionamiento de las mitocondrias. El anillo citocinético se forma y se contrae alrededor del sitio de división celular.

Citoesqueleto procariótico

Antes del trabajo de Jones et al., 2001, se creía que la pared celular era el factor decisivo para muchas formas de células bacterianas, incluidos bastones y espirales. Cuando se estudiaron, se encontró que muchas bacterias deformes tenían mutaciones relacionadas con el desarrollo de una envoltura celular. Alguna vez se pensó que el citoesqueleto era una característica exclusiva de las células eucariotas, pero se han encontrado homólogos de todas las proteínas principales del citoesqueleto eucariota en procariotas. Harold Erickson señala que antes de 1992, se creía que solo los eucariotas tenían componentes del citoesqueleto. Sin embargo, la investigación a principios de los años 90 sugirió que las bacterias y las arqueas tenían homólogos de actina y tubulina, y que estos eran la base de los microtúbulos y microfilamentos eucariotas.Aunque las relaciones evolutivas son tan distantes que no son obvias solo a partir de las comparaciones de secuencias de proteínas, la similitud de sus estructuras tridimensionales y funciones similares en el mantenimiento de la forma y la polaridad celular proporciona una fuerte evidencia de que los citoesqueletos eucarióticos y procarióticos son verdaderamente homólogos. Tres laboratorios descubrieron de forma independiente que FtsZ, una proteína ya conocida como un actor clave en la citocinesis bacteriana, tenía la "secuencia característica de la tubulina" presente en todas las tubulinas α, β y γ. Sin embargo, algunas estructuras en el citoesqueleto bacteriano pueden no haber sido identificadas hasta el momento.

FtsZ

FtsZ fue la primera proteína del citoesqueleto procariótico en ser identificada. Al igual que la tubulina, FtsZ forma filamentos en presencia de trifosfato de guanosina (GTP), pero estos filamentos no se agrupan en túbulos. Durante la división celular, FtsZ es la primera proteína en moverse al sitio de división y es esencial para reclutar otras proteínas que sintetizan la nueva pared celular entre las células en división.

MreB y ParM

Las proteínas similares a la actina procariótica, como MreB, están involucradas en el mantenimiento de la forma celular. Todas las bacterias no esféricas tienen genes que codifican proteínas similares a la actina, y estas proteínas forman una red helicoidal debajo de la membrana celular que guía a las proteínas involucradas en la biosíntesis de la pared celular.

Algunos plásmidos codifican un sistema separado que involucra una proteína ParM similar a la actina. Los filamentos de ParM exhiben inestabilidad dinámica y pueden dividir el ADN del plásmido en las células hijas en división mediante un mecanismo análogo al utilizado por los microtúbulos durante la mitosis eucariota.

Media luna

La bacteria Caulobacter crescentus contiene una tercera proteína, la crescentina, que está relacionada con los filamentos intermedios de las células eucariotas. La crescentina también participa en el mantenimiento de la forma de las células, como las formas helicoidales y vibrioides de las bacterias, pero el mecanismo por el cual lo hace actualmente no está claro. Además, la curvatura podría describirse por el desplazamiento de los filamentos semilunares, después de la interrupción de la síntesis de peptidoglicano.

Características comunes y diferencias entre procariotas y eucariotas

Por definición, el citoesqueleto está compuesto de proteínas que pueden formar arreglos longitudinales (fibras) en todos los organismos. Estas proteínas formadoras de filamentos se han clasificado en 4 clases. ATPasas del citoesqueleto de Walker A similares a la tubulina, similares a la actina (proteínas WACA) y filamentos intermedios.

Las proteínas similares a tubulina son tubulina en eucariotas y FtsZ, TubZ, RepX en procariotas. Las proteínas similares a actina son actina en eucariotas y MreB, FtsA en procariotas. Un ejemplo de proteína WACA, que se encuentra principalmente en procariotas, es MinD. Ejemplos de filamentos intermedios, que se han encontrado casi exclusivamente en animales (es decir, eucariotas), son las láminas, queratinas, vimentina, neurofilamentos y desmina.

Aunque las proteínas similares a la tubulina comparten cierta similitud en la secuencia de aminoácidos, su equivalencia en el pliegue de la proteína y la similitud en el sitio de unión de GTP es más llamativa. Lo mismo es válido para las proteínas similares a la actina y su estructura y dominio de unión a ATP.

Las proteínas del citoesqueleto generalmente se correlacionan con la forma celular, la segregación del ADN y la división celular en procariotas y eucariotas. Qué proteínas cumplen qué tarea es muy diferente. Por ejemplo, la segregación de ADN en todos los eucariotas ocurre mediante el uso de tubulina, pero en los procariotas se pueden usar proteínas WACA, proteínas similares a la actina o proteínas similares a la tubulina. La división celular está mediada en eucariotas por actina, pero en procariotas generalmente por proteínas similares a tubulina (a menudo anillo FtsZ) y, a veces (crenarchaeota) ESCRT-III, que en eucariotas todavía tiene un papel en el último paso de la división.

Transmisión citoplasmática

El flujo citoplasmático, también conocido como ciclosis, es el movimiento activo del contenido de una célula a lo largo de los componentes del citoesqueleto. Si bien se observa principalmente en las plantas, todos los tipos de células utilizan este proceso para el transporte de desechos, nutrientes y orgánulos a otras partes de la célula. Las células de plantas y algas son generalmente más grandes que muchas otras células; por lo tanto, la transmisión citoplasmática es importante en este tipo de células. Esto se debe a que el volumen adicional de la célula requiere un flujo citoplásmico para mover los orgánulos por toda la célula. Los orgánulos se mueven a lo largo de los microfilamentos en el citoesqueleto impulsados ​​por los motores de miosina que se unen y empujan los haces de filamentos de actina.