Capitulo 7 Citosol y citoesqueleto

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Resumen de Biología – Cuadernillos Negros

Capítulo 7 – Citosol y citoesqueleto El citoplasma está separado del medio extracelular por la membrana plasmática y del nucleo por la envoltura celular. Está constituido por el citoplasma fundamental o citosol, un sistema dinámico de proteínas que forman el citoesqueleto, los ribosomas que son gránulos formados por acido ribonucleico y proteínas, un sistema de membranas intracelulares que constituyen el sistema vacuolar y las demás organelas citoplasmáticas. Forma celular En el curso del crecimiento y maduración de la celula irá adquiriendo la morfología del tipo celular al que pertenece. Este proceso es parte de la diferenciación. En gran medida la forma está mantenida por la estructura del citoplasma, principalmente por su citoesqueleto. Citoplasma fundamental o citosol El citoplasma fundamental es un sistema coloidal con grandes macromoléculas orgánicas como proteínas y ácidos nucleicos, con polisacáridos complejos y algunos lípidos; el solvente es el agua con iones inorgánicos y pequeñas moléculas orgánicas en solución verdadera. Dicha matriz constituye el verdadero medio interno de la celula, donde se producen muchos procesos de síntesis y degradación, ya que contiene enzimas solubles. Las macromoléculas que constituyen la fase dispersa son, como ya hemos visto, polímeros de unidades más pequeñas repetidas, los monómeros, como proteínas fibrilares y globulares. Algunas de las proteínas pueden, a su vez, polimerizarse, es decir unirse en estructuras mayores. Cuando las proteínas se polimerizan dan por ejemplo fibrillas que están formadas por la unión de muchas moléculas de proteínas, dando lugar a estructuras alargadas, a veces ramificadas y relacionadas entre sí. Esta red constituye el citoesqueleto, que contribuyen a mantener la forma de la celula, armando una red bajo la membrana plasmática que también se une a ella. El citoesqueleto participa en la traducción de los mensajes que llegan desde el exterior, posibilita el movimiento de organelas y vesículas y contribuyen a los movimientos de la celula. Ribosomas En la matriz citoplasma, en los espacios entre la red del citoesqueleto hay unos gránulos que son los ribosomas, generalmente agrupados en polirribosomas. Están compuestos por ARN y proteínas distribuidas en dos partículas de distinto tamaño: la subunidad mayor y la menor respectivamente. Las células que producen gran cantidad de proteínas poseen más ribosomas que aquellas en la que la actividad sea menor. Son parte de la maquinaria con que se sintetizan las proteínas, es donde se producen las uniones peptídicas y se van formando las cadenas peptídicas. En el citosol están disponibles otros participantes de la síntesis de proteínas, como los ARNt cargados o no con sus aminoácidos, aminoácidos y enzimas responsables de la unión, las amionacil-ARNt sintetasas. También llegaran los ARNm específicos para las proteínas a sintetizar. Chaperonas y proteasomas Otras reacciones muy importantes desarrolladas en el citosol son el plegamiento o la estructura tridimensional de muchas proteínas, con la participación de otras proteínas específicas: las chaperonas y la degradación de muchas proteínas que en él se encuentran, con intervención del proteasoma. También se degrada una proporción importante de proteínas en los lisosomas y en el RE.

Las chaperonas colaboran con el plegamiento y ensamblado de las proteínas y mantienen su forma, también la protegen de la degradación por las proteasas. Cuando una proteína se ha plegado mal, las chaperonas intentan corregir su forma. Si el error persiste, la proteína será eliminada, siendo etiquetada para ser reconocida para luego ser destruida. Esa etiqueta es un corto polipéptido: la ubiquitina, reconocida por un enorme complejo de proteínas diferentes: el proteasoma, varias de sus proteínas tienen actividad de proteasas y ATPasas. La proteína ubiquitinizada es reconocida y metida en ese espacio, donde será digerida por las proteasas. No solo se degradan proteínas defectuosas o incompletas, también proteínas normales limitando su vida media. Citoesqueleto Microtúbulos Son estructuras submicroscópicas formadas por proteínas, principalmente por tubulina, una proteína globular que, al polimerizarse, se dispone alrededor de un eje central longitudinal determinado por tubos largos, huecos y delgados cuyo largo es variable. Forman los llamados microtúbulos. Los microtúbulos citoplasmáticos se disponen en el citoplasma, justo por debajo de la membrana, paralelos a ella; otros recorren el citoplasma en distintas direcciones determinando en algunos casos canales para el movimiento preferencial de la matriz citoplasmática. Los microtúbulos se fijan en las membranas internas o endomembranas a través de otras proteínas. Actúan como esqueleto y contribuyen al transporte de sustancias desde y hacia el cuerpo de la celula. Hay algunos que se encuentran formando estructuras permanentes como los flagelos, las cilias con sus cuerpos basales y los centriolos. Así, están muy organizados y unidos entre sí de manera peculiar, siendo también más estables que los citoplasmáticos. Funciones de los microtúbulos · Permiten o facilitan el desplazamiento de sustancias, gránulos y vesículas del citoplasma y la consecuente redistribución del material intracelular. · participan en la determinación de la forma celular y su mantenimiento, especialmente en las prolongaciones, proporcionando sostén a las organelas. · intervienen en la movilidad de células aisladas o libres o células móviles de organismos pluricelulares, tanto de la membrana como de otras partes de la celula, y de ésta como un todo. · intervienen particularmente en el movimiento de cilias y flagelos. · tienen un rol importante en la división celular. Los microtúbulos contribuyen al crecimiento y orientación de prolongaciones como las neuronales, mantienen a las organelas en su posición. En las células vegetales se disponen debajo de la membrana plasmática formando la zona cortical. Los microtúbulos se diferencian en cuanto a su estabilidad. El ensamblado de los dímeros de tubulina se produce por uniones no covalentes. Son estructuras dinámicas que están cambiando, siendo ensambladas y desensambladas todo el tiempo. La celula cambia de forma y muchas veces se torna más o menos esférica. Luego se alarga a medida que la división celular progresa. Cuando termina, el huso se desensambla y los microtúbulos del citoplasma se reorganizan, también utilizando los mismos dímeros de tubulina. Los dímeros de tubulina son como los bloquecitos: forman un conjunto de reserva y se encuentran unidos a GTP. Son en general rígidos y fuertes constituyendo un sostén mecánico fundamental, capaz de mantener la forma de la celula y su estructura. Su disposición está en relación con la forma celular y contribuye a definirla y mantenerla. Las organelas viajan unidos a microtúbulos, que

no solo actúan como riel sino también como motor. Para poder funcionar como tales, requieren de otras proteínas asociadas, en particular de la dineína y la kinesina. Dineínas Está formada por diez cadenas o subunidades polipeptídicas y es una de las proteínas citoplasmáticas de mayor tamaño. Tiene un dominio motor, formado por dos cabezas, que se unen a los microtúbulos y se desplazan por ellos. Participan del movimiento de vesículas y organelas. Transportan en un sentido centrípeto o en sentido contrario al transporte por kinesina. Intervienen en el movimiento de los cromosomas sobre los microtúbulos que forman el huso durante la división celular. Kinesinas Es una proteína formada por varias cadenas de polipéptidos, que presenta diferentes dominios o regiones: tiene dos cabezas con estructura globular que se unen a los microtúbulos y constituyen el dominio motor y una cola o dominio de transporte, que “engancha” el elemento a transportar. El transporte por Kinesinas sobre los microtúbulos depende estrictamente de ATP y procede por pasos, como si se saltaran escalones, cada uno del tamaño de un dímero de tubulina. Las cabezas tienen actividad ATPasa, igual que las cabezas de las Dineínas. El transporte por kinesina aleja las vesículas organelas desde el centro de la celula hacia la membrana, y esto tiene que ver con la ubicación de las subunidades de tubulina en el microtúbulo. Organizadores de microtúbulos: centrosomas y cuerpos basales Los microtúbulos se polimerizan y ensamblan a partir de ciertas estructuras que son capaces de organizarlos: los centrosomas y los cuerpos basales. Los microtúbulos citoplasmáticos se forman a partir del centrosoma que está constituido por dos centriolos. Centrosomas Son alargados, en forma de cilindros huecos, sus paredes están formadas por haces de microtúbulos. Son constantes en las células animales y se ubican cerca del nucleo, en el citoplasma; no se han observado en células vegetales. En una sección transversal pueden observarse en la zona periférica, nueve conjuntos de microtúbulos o haces formados por tres microtúbulos cada uno. A su vez, cada haz está conectado a un eje central. Siempre existe al menos un par de centriolos o centrosoma por celula eucarionte animal, disponiéndose en forma perpendicular entre sí. En la división celular, de cada centriolo brota uno nuevo, formándose asi dos centrosomas que se repartirán en las células hijas. Cada centrosoma está formado por un centriolo padre y un centriolo hijo, donde se observa la convergencia de los microtúbulos citoplasmáticos. Alrededor del centrosoma hay material amorfo pericentriolar, que es donde parece organizarse los microtúbulos. Tienen una función importante en la división celular de las células animales. Además parecen estar involucrados en la formación de cilias y flagelos, ya que serían los que originan los cuerpos basales. Cuerpos basales Allí se originan los microtúbulos que constituyen las fibrillas de las cilias o de los flagelos. No poseen microtúbulos centrales. Poseen nueve tripletes de microtúbulos periféricos constituidos por un microtúbulo completo y dos incompletos. Cilios y flagelos

En las células eucariontes de organismos unicelulares encontramos este tipo de organoides que protruyen de la superficie celular. Los cilios están en número abundante sobre la superficie de la celula y su movimiento es coordinado, mientras que el flagelo se presenta aislado, largo y con movimiento ondulante. Ambos tienen estructura similar y se organizan a partir de un cuerpo basal, creciendo hacia fuera, pero siempre rodeados por la membrana plasmática. Regulación y coordinación del movimiento de cilios y flagelos Trozos de membrana aislados con sus cilios o aun flagelos aislados, pueden seguir batiendo de manera saludar a como lo hacían en la celula entera. La regulación y coordinación está ligada entonces a su propia estructura. La velocidad con la que baten los cilios es dependiente de la concentración de AMPc (adenosin monofosfato cíclico), nucleótido con rol fundamental en al transducción de señales que llegan a través de la membrana plasmática, por eso se lo conoce como segundo mensajero o mensajero intracelular fundamentales en las células. El contacto con alguna “sustancia apetecible” con el ciliado producía la hiperpolarización de la membrana plasmática, es decir, que la diferencia de potencial eléctrico a ambos lados se tornaba aun más negativa que el potencial de reposo. Esto se debe a que ciertos canales iónicos se abren. La hiperpolarización estimula la enzima adenilato ciclasa, que se encuentra en la membrana y que así podrá producir AMPc. El aumento de la concentración de este segundo mensajero produce muchos cambios intracelulares, entre los cuales se encuentra la activación de ciertas proteínas kinasas, capaces de fosforilar determinadas proteínas. Parece que la fosforilación de proteínas del axonema de los cilios es capaz de modificar su conformación espacial, acelerando el batido de los mismos. También se demostró que el contacto de un ciliado con un objeto solido, cuando se está desplazando, produce apertura de los canales de Ca2+ sensibles a cambios de voltaje, posibilitando la entrada del catión y aumentando su concentración intracelular. El Ca2+ es también un mensajero intracelular fundamental en la transducción de señales que llegan desde el exterior. A continuación cambia el sentido de batido de los cilios. Cuando el catión desciende nuevamente, vuelve a invertirse el movimiento de los cilios. Microfilamentos Son más pequeños que los microtúbulos, poseen actina y miosina. La primera se encuentra en todas las células y su transformación de una conformación globular a una fibrilar es en gran medida responsable de la transformación del estado sol al del gel de la matriz citoplasmática. Los microfilamentos de actina y miosina son los responsables de la contractilidad de la celula muscular. Se comprueba un movimiento continuo de sus componentes en una celula viva; estas corrientes citoplasmáticas siguen canales definidos pasivamente por los microtúbulos. Los microfilamentos contráctiles parecen estar involucrados en los mecanismos responsables de dichas corrientes y también están relacionados con los movimientos de las células en general. Actina La actina es una proteína que se conoce como responsable de la contracción de las células desde mediados de este siglo. La secuencia de aminoácidos en la actina está muy conservada ya que es similar en vertebrados y en organismos unicelulares. La actina es una proteína globular que a su vez se polimeriza dando largos filamentos. Cada molécula tiene dominios con diferentes funciones, con una “cabeza” y una “cola”, de modo que siempre se une con las demás moléculas de actina siguiendo una dirección determinada. Hay un conjunto (pool) de moléculas de actina aislada que se denomina actina G (globular) que debe unir ATP para formar microfilamentos. Se unen en largas cadenas que, de a dos, forman una doble hélice, la actina F (fibrilar).

Los microfilamentos se están ensamblando y desensamblando todo el tiempo. Las moléculas de actina se unen a otras proteínas pequeñas que son capaces de regular la polimerización. Los microfilamentos de actina se encuentran distribuidos por toda la celula. Son más finos y cortos que los microtúbulos pero también más flexibles y abundantes. La actina es la proteína más abundante en las células eucariontes. La actina alfa es la que se encuentra en las células musculares. Las células no musculares tienen actinas beta y gama, pero todas se ensamblan de forma similar y su secuencia de aminoácidos es muy semejante. Proteínas que se unen a la actina En los glóbulos rojos humanos se describió una compleja red de cortos filamentos de actina que ligan proteínas intrínsecas de la membrana como la banda 3; esta se une a otras proteínas como la espectrina. En otras células, parece que la ATPasa de Na+ y K+ se une a la red cortical de filamentos de actina ligando la membrana al citoesqueleto a través de proteínas del tipo de la ankirina. En los haces contráctiles laxos, abunda la alfa-actinina, mientras que en los haces paralelos muy compactos abunda la fimbrina. Miosina Las moléculas de miosina que se conocen hasta ahora pertenecen a dos tipos: I y II. La de tipo II tiene dominios globulares formados por dos cabezas voluminosas unidas a una larga cadena cada una; estas cadenas se entrelazan formando un alfa-hélice que constituye la cola. La molecula está formada por dos cadenas pesadas, unida cada una a dos cadenas livianas. Las pesadas son las que tienen un dominio globular formando la parte motora de la cabeza y un dominio fibrilar que se entrelaza con el de la otra cadena pesada para formar la cola. Las moléculas de miosina se unen para formar filamentos con las colas hacia adentro y las cabezas hacia la periferia y son las colas las responsables de esta asociación. Es en el dominio globular donde reside la función de motor, que le permite desplazarse sobre los filamentos de actina por un mecanismo dependiente de ATP, donde reside la actividad de ATPasa de la miosina. Es la cola de la molecula la que puede ligar un filamento de actina a la membrana plasmática o unir dos filamentos de actina de modo tal de poder deslizar luego uno sobre el otro , lo que constituye la base de la contracción de cualquier celula. Los microfilamentos de actina y miosina están altamente organizados en las células musculares de miocardio y de musculo esquelético. En las células no musculares son transitorios en sus asociaciones aunque abundantes en la zona cortical. En la división celular son responsables de formar el anillo contráctil que termina separando el citoplasma en dos. Las de tipo I tienen en general una sola cabeza y son menos conocidas pero parecen localizarse preferentemente bajo la membrana plasmática. La región bajo la membrana o cortical es muy activa en cuanto a la endocitosis, exocitosis y emisión de prolongaciones. Filamentos intermedios Son filamentos compactos que se encuentran en las células animales. Están formados por proteínas diversas muy parecidas. Su polimerización no parece requerir de la hidrólisis de nucleótidos. Son muy resistentes a la tracción, insolubles y bastante resistentes al ataque por proteasas. Son estructuras dinámicas que se ensamblan y desensamblan permanentemente. No son contráctiles. Se encuentran en gran proporción en las células de los tegumentos como la piel, constituyendo la capa mas externa, impermeable y protectora. Allí la proteína mas abundante es la queratina.

Son abundantes en las prolongaciones de las células nerviosas donde se conocen como neurofilamentos. Son una parte relativamente pasiva del citoesqueleto, contribuyendo a mantener la forma y la posición de la celula. Pueden intervenir en el transporte de sustancias y en mantener fijos ciertos componentes del citoplasma. Existe una red de filamentos de este tipo por debajo de la membrana plasmática de muchas células, que forma una especie de cesta alrededor del núcleo. Están unidos a proteínas de la membrana plasmática, insertándose en especial en estructura como los desmosomas, que fijan la membrana de una celula a la matriz intracelular. Si tenemos en cuenta que la membrana es fluida, estas uniones contribuirían a anclar las proteínas de la membrana que flotan entre los lípidos. Los constituyentes de estos se han clasificado en seis tipos de proteínas, como las queratinas (tipos I y II), los neurofilamentos (tipo IV), la vimentina y la desmina (grupo II). Se ha visto que estas proteínas no se polimerizan cuando están fosforiladas. Su fosforilación depende de la activación de proteínas kinasas. Movilidad Entonces una celula puede desplazarse o movilizar parte de su citoplasma o del entorno por el movimiento de ciertas organelas o apéndices como cilios y flagelos. La principal responsable de estos movimientos es la actina. La celula debe adherirse fuertemente al sustrato en algún punto, para poder desplazarse sobre él. Se identificaron tres procesos en el desplazamiento sobre el sustrato: protrusión, en que se emiten lamelipodios (pies en forma de lamina) y filopodios (pies muy finos); enganche, en que la actina se conecta con el sustrato, y tracción, en que el cuerpo celular es desplazado hacia adelante. Gracias a la activa polimerización de actina, se producen los lamelipodios y filopodios hacia adelante. Luego actúan motores de miosina I unidos a la membrana que pueden dirigir la celula hacia adelante desplazándose sobre microfilamentos de actina.