Capítulo 16: Citoesqueleto

El citoesqueleto es un sistema dinámico que provee: transporte intracelular de organelos, organización espacial de la célula, movimiento de flagelos y cilios, movimiento de vesículas mediante proteínas motoras y le brinda soporte a la membrana plasmática (entre otras funciones). La respuesta de movimiento en el citoesqueleto se da a través de mencanismos de transducción que median cascadas intracelulares.

-Un ejemplo en el cual se puede apreciar la función del citoesqueleto es en los neutrófilos, los cuales son glóbulos blancos en la sangre que fagocitan microorganismos invasores. Cuando hay microorganismos invadiendo alguna parte del cuerpo los neutrófilos detectan y son atraídos por las señales que libera el microorganismo (factores quimiotácticos). Es por medio de las prolongaciones de actina del citoesqueleto que el neutrófilo logra moverse y fagocitar al organismo. En fin, el neutrófilo utiliza la matriz como riel para migrar hacia la fuente de la cual surgió el estímulo quimiotáctico.
-Otro ejemplo es el de las células cancerosas que metastatizan. Parte de la transformación de estas células requiere que se active el mecanismo de movimiento mediante el citoesqueleto.

El citoesqueleto consta de tres filamentos principales para poder regir una organización espacial y propiedades mecánicas, estos son:
- Microtúbulos: tienen un diámetro de 25 nm, son rígidos y quebradizos (brittle) y están compuestos de tubulina. Usualmente un lado de la fibra está anclada a un centrosoma. Un ejemplo en el cual se pueden observar es en mitosis ya que son los componentes del huso mitótico.
- Microfilamentos: tienen un diámetro de 7-9 nm, son flexibles y están compuestos de actina. Están organizados en "bundles" por la célula y están altamente concentrados justo debajo de la membrana plasmática. También son conocidos como filamentos de actina y están presentes en todas las células pero mayormente en los músculos (actina representa el 10% de todas las proteínas en células musculares). Se pueden describir como dinámicos por la forma en que se polimerizan.
- Filamentos intermedios: tienen un diámetro de 10 nm, son flexibles y fuertes. Le pueden dar fortaleza mecánica a la célula y forman parte de la lámina nuclear, la cual funciona como sistema de anclaje de la envoltura nuclear.

-Los microfilamentos de actina realizan varias funciones:

  • Le dan forma a la célula
  • Movimiento de la célula por medio de pseudópodos, que son como "pies" que se prolongan hacia donde se quieren dirigir.
  • Median contracción muscular
  • Formación de microvellosidades y lamelopodios y proyecciones que salen de estos últimos conocidas como filopodios. Los lamelopodios están compuestos de una lámina citoplasmática y de membrana plasmática. Los filopodios, por otro lado, tienen direccionalidad (son como dedos).
  • Son un componente importante en la división del citoplasma (anillo contráctil en citocinesis).


G-actina y F-actina:

G-actina (actina globular) es una proteína que se polimeriza formando F-actina (actina filamentosa). La F-actina tiene una forma alargada y enroscada (similar a un doble hélice), que es lo que viene a formar el microfilamento. Hay diferentes especializaciones de actina y están en diferentes concentraciones por el citoplasma, los 6 isoformos son:

Para estructuras contráctiles: alpha-esqueletal, alpha-cardiaco, apha-vascular
En la corteza celular: beta-citoplásmica
Fibras estresoras: gamma-entérica, gamma-citoplásmica

La característica más importante de la actina es su capacidad de ATPasa (hidrolizar ATP a ADP) y de intercambiar ADP por ATP. Dependiendo de si tiene ADP o ATP enlazada la conformación de actina varía. Cuando G-actina tiene ATP enlazado (G-actina-ATP) es cuando tiene la capacidad de polimerizarse a F-actina. Esto ocurre porque el hecho de tener ATP enlazado aumenta la probabilidad de que se polimerice la proteína. Se induce entonces la polimerización a F-actina-ATP y ahora esta tiene más capacidad de hidrolizar ATP. Por ende, ahora hay disponibles F-actina-ATP y F-actina-ADP. F-actina-ADP tiene capacidad de depolimerización, haciendo que se cambie a monómeros de G-actina-ADP, que a su vez puede intercambiar ADP a ATP, regresando otra vez a su estado de G-actina-ATP.
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La actina se polimeriza de manera polarizada. Esto significa que a un lado del filamento se encuentran los monómeros de G-actina-ADP, el cual se viene a conocer como el terminal negativo (-), mientras que al otro lado, en el terminal positivo (+), están concentrados los monómeros de G-actina-ATP. Esto se debe a la secuencia de hidrólisis de ATP a ADP.
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Polimerización de actina in vitro:
Hay que tener cierta concentración de G-actina para que se pueda polimerizar en F-actina. Cuando esta condición se da en el sistema in vitro ocurre lo siguiente:
  1. Nucleación - Los monómreos de G-actina se juntan formando un pequeño núcleo.
  2. Alargamiento - Se va añadiendo G-actina a ambos lados del núcleo, alargando la fibra poco a poco. En este punto los monómeros de G-actina a ambos lados todos tienen ATP enlazado.
  3. Estado estable - En este estado del proceso un lado de la fibra se sigue polimerizando mientras que el otro se comienza a depolimerizar (estado de equilibrio). Esto se debe a que inicialmente por ambos lados de la fibra los monómeros tienen igual capacidad de ATPasa, sin embargo llega un momento en que por un lado se comienza a hidrolizar ATP a mayor razón. En este punto es entonces que surge la polarización de la fibra de actina, siendo un lado el terminal negativo y el otro el terminal positivo. En el terminal negativo la presencia de ADP causa que este lado del filamento tienda a depolimerizarse más que el lado positivo, que continúa polimerizándose debido a su alta afinidad para G-actina-ATP. Aún así el terminal negativo continúa su crecimiento solo que a una menor rapidez que el terminal positivo.
  4. Treadmilling - Este proceso se da en el estado estable y lo que ocurre es que el terminal negativo se sigue depolimerizando y las unidades que se desprenden de este se añaden al terminal positivo, el cual entonces sigue creciendo. El resultado final es que las fibras se mantienen del mismo tamaño, aún cuando todavía hay polimerización y depolimerización. Treadmilling se ha estudiado mediante "pulse labeling" y se ha demostrado que la sección marcada del filamento va "desplazándose" del terminal positivo al terminal negativo, demostrando la constancia del tamaño del filamento pero su dinámica a la vez.



¿Cómo estudiar actina?: Decoración de filamentos de actina

El estudio de filamentos de actina se puede hacer mediante la interacción específica de la subunidad S1 de miosina y los filamentos. A la célula se le añaden fragmentos de miosina, específicamente la subunidad S1 de esta. Estos fragmentos se enlazan de una manera única con los filamentos de actina y luego de la polimerización se observa de esta manera la polaridad de los filamentos, la cual anteriormente no se podía distinguir visualmente.
También se necesita incrementar la concentración de G-actina para poder lograr esto. En el terminal negativo se observa una forma de flecha puntiaguda apuntando hacia este, mientras que la parte de "atrás" de la flecha apunta al terminal positivo. O sea, se observa lo siguiente:

(+) ---->>>>>>-------(-)

De esta manera se tiene la direccionalidad del filamento y se sabe entonces cómo crece este. No es necesario marcar todo el filamento para estudiarlo, solo se necesita una pequeña porción del mismo para obtener una gran cantidad de información del mismo.


Polimerización de actina in vivo:

Hay diferentes proteínas involucradas en el proceso:
  • Proteínas que secuestran G-actina. Ej.: timosinas, enlazan G-actina a ATP y al tenerla secuestrada el polímero no se puede formar. Por lo tanto, timosina interfiere con la polimerización porque esta depende de si hay o no G-actina-ATP disponible.
  • Proteínas nucleadoras. Ej.: Arp2/3, provee un templado donde los monómeros de G-actina se pueden ir añadiendo, de manera que promueve que se formen ramas a los lados del núcleo de monómeros. Otro ejemplo seria Formin que genera filamentos no ramificados.
  • Proteínas que anclan el filamento para que no se depolimerice
  • Capping proteins - regulan el largo de los filamentos formando un "cap". Ej.: CapZ y tropomodulina, Bloquean terminales de los filamentos preveniendo su crecimiento (en músculo estriado).
  • Proteínas que favorecen polimerización. Ej.: profilina, aumenta capacidad intercambio de G-actina-ADP por G-actina-ATP. Al profilina estar inactiva, se favorece el secuestro de G-actina.
  • Proteínas que favorecen depolimerización. Ej.: cofilina, aumenta capacidad de ATPasa de actina. Puede fragmentar el terminal negativo o promover depolimerización en el terminal positivo.
  • Cross-linking proteins - Ayudan en formación de redes de filamentos de actina (bundles). Ej.: filamina, fimbrina, alpha-actinina.
  • Proteínas para la depolimerización instantánea. Ej.: gelsolina, induce cascada de apoptosis.

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-In vivo la profilina se puede encontrar en la membrana anclada a fosfatidil inositol bifosfato (PIP2). Por medio de un mensajero primario, la cascada de las proteínas acopladas G se activa especificamente G alpha q y la fosfolipasa C rompe a PIP2 en dos productos: IP3 y DAG. Este cambio hace que se desprenda la profilina del PIP2 para así formar el complejo de actina-profilina. Este proceso promueve la polimerización cerca de la membrana plasmática.

- ¿Qué pasaría si hay más timosina en el proceso de polimerización? En este caso el proceso de polimerización disminuye en rapidez, ya que eventualmente las actinas que se liberen en la depolimerización van a ser secuestradas por la timosina promoviendo la depolimerización total del filamento.

Estudio de soporte de membrana y citoesqueleto:
Eritrocitos (globulos rojos) son muy útiles para esto debido a que tienen gran capacidad de deformación. Los eritrocitos tienen que deformarse para pasar por áreas muy pequeñas, por lo que tienen un sistema de citoesqueleto y anclaje muy eficiente.
Debajo de la membrana, el citoesqueleto está compuesto por actina en forma de red.

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I –Contracciòn Muscular

A –Músculo Esqueletal

La proteína motora en el músculo esqueletal es miosina. Existen varios tipos de miosina, pero el Tipo II está involucrado en los músculos. El músculo esqueletal es un tipo de músculo estriado que tiene como unidad funcional el sarcómero, el cual está hecho de filamentos de miosina y actina (estos filamentos mantienen una estructura fija gracias a tropomodulina (-) y cap Z (+) ) intercalados. El sarcómero está delimitado por dos discos Z que se encuentran estabilizados por la proteína Cap Z. El sarcómero además tiene bandas A y bandas I, la banda A está compuesta de filamentos gruesos de miosina, mientras la banda I está compuesta de filamentos delgados de actina. Muchos sarcómeros forman una miofibrilla, que son filamentos largos y gruesos en los músculos.
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B - Proteínas Asociadas

Hay diferentes proteínas relacionadas a la unidad del sarcómero:
  • Tropomiosina - Estabiliza los filamentos de actina y bloquea la interacción de miosina con F-actina enmascarando e; lugar de enlace.
  • Troponina - Compuesta de 3 unidades:
TnT - Se enlaza a tropomiosina
TnI - Rol inhibitorio. Enlaza a actina.
TnC - Se enlaza a calcio y causa un cambio en conformación de las proteínas donde se desliga tropomiosina del filamento y expone el lugar de
enlace de miosina, haciendo que miosina se enlace a actina y cause la contracción de las fibras.
  • CapZ - estabiliza el extremo ( + ) lo que permite mantener una estructura fija del filamento.
  • Z disk - Tropomodulin - estabiliza el extremo ( - ) y también permite mantener una estructura fija del filamento.
  • Nebulina - Unido al disco Z y la actina, le sirve como proteccion para la actina.
  • Titina -Tiene función muy importante en el juego elástico cual favorece el relajamiento de musculo después de contraer y evita que se contraigan mucho los músculos.. Además es una de las proteínas más grandes descritas hasta ahora.
  • Ej: El no poder levantar una pesa al hacer ejercicio se debe a que los músculos están demasiados estirados y en consecuencia no tienen el solape óptimo que permite una buena contracción.
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Cuando hay una sinapsis entre las neuronas y los músculos se libera calcio. Esto se debe a que el primer mensajero que envía la neurona es acetilcolina la cual interacciona con el receptor nicotínico del retículo sarcoplásmico, el cual tiene una red que "abraza" a las miofribilas. Abre canal que genera corriente eléctrica con Na+ generando un potencial de acción. Los canales de calcio asociados al receptor se abren debido a el potencial de acción que se genera a partir del voltaje y, por ende, se depolimeriza la membrana. Próximo, los iones de calcio interaccionan con troponina la cual expone los sitios activos de actina y, por lo tanto relaja el músculo. Es por eso que el Botox, que tiene el mismo efecto que las toxinas de Botulismo, relaja los músculos faciales evitando la contracción, ya que no permite la sinapsis entre neurona y músculo (evita fusión de vesículas).
Ej: El calentamiento es necesario antes de realizar ejercicio porque suelta el calcio en el músculo y promueve el solape óptimo entre actina y miosina.

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C- Mecanismo general de las proteínas motoras:

Los sarcómeros estan compuestos de filamentos delgados y filamentos gruesos alternados los cuales interaccionan entre sí. Los filamentos delgados consisten de actina, troponina y tropomiosina, mientras que los filamentos gruesos consisten principalmente de miosina. Tanto la actina como la miosina son fundamentales en la contracción de la fibra. Cuando ocurre contracción la longitud de ninguno de los filamentos se cambia sino que ellos se superponen. La molécula de miosina contiene dos cadenas pesadas (con función estructural) y cuatro cadenas ligeras (con función reguladora). La molécula es un dímero que consiste en una cola, dos cuellos y dos cabezas globulares que actúan independientemente como sitios de unión con la actina cuando ocurre contracción muscular. La miosina al tener ligado ADP y fosfato (pi) tiene poca afinidad con actina. Cuando una de las cabezas logra ubicarse en actina el pi se libera y se logra afinidad. Cuando se unen, miosina empuja el filamento de actina hacia una sola dirección. Luego el ADP ligado se disocia y se enlaza ATP la cual induce la separación de la cabeza de miosina del filamento de actina. La cabeza de miosina tiene actividad de ATPasa e hidroliza el ATP, formando así ADP y pi y regresando a su conformación original, por ende, esa actividad es una dependiente de actina. En fin, el deslizamiento de actina requiere unos cambios de estados de conformación en miosina los cuales tienen baja o alta afinidad con actina dependiendo de la unión que esté presente de ADP o ATP.


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II –Resumen
  • A Secuencia de Contracción
  1. El potencial de acción se transmite a través del sistema tubular T
  2. Se libera Ca2+
  3. Los iones de Calcio se unen a troponina C
  4. Se debilita el enlace entre troponina I y actina
  5. Se desplaza la tropomiosina
  6. Se descubren los lugares de enlace para miosina
  7. Una de las cabezas de miosina entra en contacto con actina
  8. Se libera el fosfato inorgánico de la miosina y se unen actina y miosina
  9. La miosina ahora enlazada a actina, empuja esta ultima causando un movimiento unidireccional (“power stroke”)
  10. Se libera el ADP de la cabeza de la miosina y se liga ATP
  11. Cuando se liga ATP, se separan los filamentos de actina y miosina
  12. Se hidroliza ATP y la miosina regresa a su conformación original (“recock”)

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  • B Secuencia de Relajación
  1. El retículo sarcoplásmico comienza a acumular calcio nuevamente a través de transporte activo, mediado por la bomba de Ca2+ , una ATPasa de tipo P.
  2. Bajan la concentración de calcio en el citosol. El calcio deja de ligarse a troponina.
  3. Se detiene la acción de actina y miosina
  4. El músculo se relaja.

III – Casos

A – Rigor Mortis
Rigor mortis es la rigidez corporal que muestran los cadáveres horas después de la muerte; se debe a una serie de reacciones bioquímicas que se producen en los músculos y se caracteriza por rigidez (de ahí el nombre) e inflexibilidad en las extremidades.

En un músculo en reposo el calcio esta almacenado en el retículo sarcoplasmático, la actina está enlazada a tropomiosina y la miosina tiene ADP y Pi ligados.
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En contraste, cuando el organismo muere, la membrana del retículo sarcoplasmático se hace semipermeable, se liberan iones de calcio al citosol, estos causan un cambio en conformación en la troponina, se mueve la tropomiosina y se descubre el lugar de enlace para miosina. Miosina lleva a cabo el “binding and power stroke”, libera ADP y Pi, sin embargo al poco tiempo se acaba el ATP, y sin más fuentes para reponer ese ATP, la miosina no logra soltarse de la actina.
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No es hasta que las enzimas comienzan a degradar las proteinas que permanece la rigidez corporal. Está rigidez puede durar hasta 24 horas.

B - Miastenia Gravis

La miastenia gravis, es un desorden neuromuscular autoimune caracterizado por la debilidad muscular que surge como resultado de que el impulso nervioso que inicia o mantiene el movimiento no llega adecuadamente a las células del músculo. Esto sucede porque las células inmunitarias producen anticuerpos que bloquean los receptores de acetilcolina, impidiendo que las células musculares reciban mensajes químicos (neurotransmisores) desde la neurona, lo cual evita que ocurra la contracción muscular.
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IV – Músculo Liso

El músculo liso contiene filamentos de actina y de miosina. Tal como en el caso anterior, el proceso contráctil se activa por iones de calcio, y la energía para la contracción proviene de ciclos de hidrólisis y fosforilación (ATP –> ADP y vice versa). Al igual que en el músculo esquelético se encuentra la tropomiosina ligada a actina, sin embargo hay ausencia de troponina que es la encargada de unirse al calcio y descubirir el sitio de unión entre la actina y la miosina, bloqueado por la tropomiosina. En estas células, en cambio, se encuentra la calmodulina la cual se une al calcio produciendo la fosforilación de la miosina generándose la contracción muscular, desplazamiento de las fibras de actina sobre las de miosina. Estas células están adheridas para que el tejido lleva a cabo la contracción de manera uniforme, además este tipo de acción contráctil se caracteriza por ser más lenta y duradera.

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V - Otros movimientos mediados por filamentos de actina

Algunos ejemplos de otros tipos de movimiento no-muscular son:

  1. Corrientes citoplasmáticas: movimiento de organelos en las células vegetales a través de filamentos de actina que se encuentran en áreas alrededor de la vacuola.
  2. Movimiento ameboide: se produce mediante la emisión de pseudópodos. El citoplasma se va desplazando hacia el pseudópodo y se forma una especie de nudo que permite que la célula avance; este movimiento implica la transición de una red de filamentos de actina a cortos filamentos o monómeros de actina.
  3. Surco de Segmentación: En la citocinesis del ciclo celular, se forma un anillo contráctil de actina y miosina debajo de la membrana en el plano equatorial, la contracción de este anillo forma el surco de segmentación, este se hace más y más profundo hasta que la célula se divide en dos.

VI - Roles de Actina

Otro de los roles discutidos es:
  • Migración - también conocido como arrastre celular, comienza con la extensión de protuberancias en la superficie delantera la célula , conocidas como: lamelopodio o filopodios entre otros. Los filamentos de actina se encuentran concentrados justo por debajo de la membrana celular, formando parte de esas protuberancias citoplasmáticas transitorias que generan un movimiento.

VII - Estudio de Actina
Los métodos de estudio de las funciones y comportamiento de actina, incluyen el uso de drogas provenientes de plantas, hongos u otros organismos. Estas drogas detienen el movimiento de la célula e incluyen a:
  • Cytochalasins - metabolitos de hongos que se enlazan al polo positivo e inhiben la polimerización y elongación del filamento de actina .
  • Latrunculin - una familia de toxinas producidas por ciertas esponjas; su efecto es secuestrar los monómeros de actina e inhibir la polimerización.
  • Phalloidin - se enlazan a la actina y estabiliza los filamentos previniendo la depolimerización, a menudo produciendo un efecto letal a la célula. La estabilización es mala debido a que al estar estable evita tanto la polimerización como la depolimerización. Los investigadores usan fluoróforos para marcar los filamentos de actina en una célula.