Sem. 7.2 BC – Aprobemos Juntos

Seminario de integración 7: Dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas: Estructura y polaridad celular, transporte intracelular, migración y división celular

Programa:

-Migración celular direccional: señalización extracelular, adhesión celular, dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas.

-Microtúbulos: polimerización y despolimerización, estabilización diferencial por proteínas asociadas, proteínas motoras y transporte de vesículas y de componentes del citoesqueleto.

-Microfilamentos: polimerización y despolimerización, estabilización diferencial por proteínas asociadas, proteínas motoras y transporte de vesículas y de componentes del citoesqueleto.

-Aparato de Golgi y distribución de biomembranas. Endosomas y reciclado de membranas, exocitosis, endocitosis.

-Concepto de nanotubos: ultraestructura y dinámica.

-Concepto de exosomas (vesículas liberadas al espacio extracelular): ultraestructura y dinámica.

-Contracción muscular: señalización inter e intracelular, dinámica del citoesqueleto y adhesión celular.

-Membrana plasmática y permeabilidad. Retículo endoplasmático y regulación de la concentración de calcio

-Microfilamentos y miosina como proteína motora. Filamentos intermedios (desmina) y anclaje y adhesión celular.

-Epitelios: polaridad celular, adhesión de larga duración y resistencia mecánica.

-Centrosoma, microtúbulos y polaridad celular. Filamentos intermedios y moléculas de adhesión como mediadores de resistencia mecánica,

-Fecundación: dinámica de biomembranas y citoesqueleto. Reacción acrosómica y reacción cortical como ejemplos de exocitosis. Fusión de membranas.

-División celular: dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas.

Exosomas: ultraestructura y dinámica

Los exosomas son nanovesículas constituidas (al igual que las membranas celulares) por una bicapa lipídica, con un diámetro entre 50 y 100 nm

Estas vesículas extracelulares tienen origen endocítico, es decir se producen por el proceso de incorporación de moléculas al interior celular englobadas por membranas, normalmente vesículas. Se encuentran en la mayoría de los fluidos corporales y son capaces de trasladar diferentes biomoléculas como proteínas, lípidos, ADN, ARNm y ARN no codificante, variando su contenido dependiendo de las condiciones y del tipo de célula de origen

Los científicos están investigando activamente el papel que los exosomas pueden desempeñar en la señalización de célula a célula, con la hipótesis de que debido a que los exosomas pueden fusionarse y liberar sus contenidos en células distantes de su célula de origen (ver tráfico de vesículas de membrana), pueden influir en los procesos de la célula blanco. Por ejemplo, el ARN que se transmite de una célula a otra, conocido como «ARN lanza exosómico», podría afectar la producción de proteínas en la célula receptora. Al transferir moléculas de una célula a otra, los exosomas de ciertas células del sistema inmune, como las células dendríticas y las células B, pueden desempeñar un papel funcional en la mediación de respuestas inmunes adaptativas a patógenos y tumores

Por el contrario, la producción y el contenido del exosoma pueden verse influidos por señales moleculares recibidas por la célula de origen. Como evidencia de esta hipótesis, las células tumorales expuestas a la hipoxia secretan exosomas con mayor potencial angiogénico y metastásico, lo que sugiere que las células tumorales se adaptan a un microambiente hipóxico secretando exosomas para estimular la angiogénesis o facilitar la metástasis en un ambiente más favorable. Recientemente se ha demostrado que el contenido de proteína exosomal puede cambiar durante la progresión de la leucemia linfocítica crónica

Un estudio hipotetizó que la comunicación intercelular de los exosomas tumorales podría mediar más regiones de metástasis para el cáncer. Hipotéticamente, los exosomas pueden plantar información sobre el tumor, como el ARN contaminado, en nuevas células para prepararse para que el cáncer viaje a ese órgano en busca de metástasis. El estudio encontró que la comunicación exosomal tumoral tiene la capacidad de mediar metástasis a diferentes órganos. Además, incluso cuando las células tumorales tienen una desventaja para la replicación, la información sembrada en estas nuevas regiones, órganos, puede ayudar en la expansión de la metástasis específica de órganos

Contracción muscular: señalización inter e intracelular, dinámica del citoesqueleto y adhesión celular

Durante el proceso de contracción muscular, las fibras que componen un músculo esquelético se acortan. Este acortamiento se debe a una disminución de la longitud de numerosos sarcómeros. A nivel ultraestructural, la expresión de este acortamiento es una menor distancia entre los discos Z contiguos.

Si bien la contracción muscular es el resultado final del acortamiento de los sarcómeros, este proceso se produce como consecuencia de varios eventos ordenados en el tiempo y el espacio dentro de cada microfibrilla. La secuencia de eventos es la siguiente:

El mecanismo responsable del acortamiento del sarcomero se inicia en la placa neuromuscular. Cuando un impulso nervioso provoca la descarga de acetilcolina en la placa neuromuscular, la unión de este neurotransmisor con su receptor produce la despolarización de la membrana plasmática de la fibra por la entrada de sodio a través de canales de receptores ionotrópicos; de este modo, el interior de la célula se hace más positivo, es decir, que la célula se despolariza
Este cambio de polaridad se extiende rápidamente en forma de onda de despolarización a lo largo de toda la membrana plasmática y, a través de los tubos T, llega a la profundidad de la fibra muscular
En los tubos T existen complejos moleculares que se consideran marcadores de canales de calcio y se ubican enfrentados a subunidades proteicas equivalentes en las cisternas terminales del retículo sarcoplásmico. Al producirse la despolarización de la fibra muscular, se da un cambio conformacional de los receptores presentes en los tubos T que, como ya se ha mencionado, están estrechamente relacionados con las cisternas terminales. Este cambio conformacional provoca la activación de canales de calcio presentes en las cisternas del retículos sarcoplásmico y la salida de este ión, difundiéndose rápidamente hacia todo el sarcoplasma
El calcio así liberado por el retículo sarcoplásmico se une a la troponina C presente en los filamentos finos del sarcómero (actina), lo que genera un cambio conformacional de esta molécula
Este cambio de conformación de la troponina C tracciona otro componente de ese complejo proteico, la troponina T, que se encuentra unida a la Se produce así un deslizamiento de la tropoomiosina hacia el surco existente en la doble cadena de actina del filamento fino; de este modo libera los sitios de unión de la actina con la miosina y permite la unión de estas dos moléculas
Incialmente, la miosina se une fuertemente a la actina. La cabeza globular de la miosina en esta etapa se mantiene en un ángulo de 90° con relación a su porción fibrilar, y en esta posición acumula energía generando un estado de tensión
Es en este momento cuando el ATP se fija a la región con actividad ATPasa de la cabeza de miosina. Se hidroliza el ATP generando ADP, y la energía liberada promueve una modificación de la posición de la cabeza de miosina con relación a su porción fibrilar pasando de 90° a 45°, produciendo un desplazamiento de 10 nm hacia el centro del sarcómero. Disminuye entonces la afinidad de la unión entre la miosina y la actina y ambas moléculas se separan
Al recuperar su posición original en un ángulo de 90° con relación a su porción fibrilar, la cabeza de miosina se desplaza enfrentándose a un nuevo sitio de unión con la actina del filamento fino
En este momento, la cabeza de la miosina se encuentra enfrentada (no unida) a la actina y ante la presencia de calcio se une fuertemente a ella y vuelve a iniciarse el ciclo (puntos 6-7)
Este ciclo se repite numerosas veces y con cada ciclo los filamentos de actina son traccionados por la miosina una y otra vez hacia el centro del sarcómero
La contracción cesa con la repolarización de la membrana plasmática de la fibra muscular y el reingreso de calcio desde el sarcoplasma hacia la luz del retículo sarcoplásmico. La relajación del músculo estriado esquelético es pasiva y se debe a la contracción del músculo antagónico

Membrana plasmática y permeabilidad. Retículo endoplasmático y regulación de la concentración de calcio

La permeabilidad de las membranas es la facilidad de las moléculas para atravesarla. Esto depende principalmente de la carga eléctrica y, en menor medida, de la masa molar de la molécula. Moléculas pequeñas o con carga eléctrica neutra pasan la membrana más fácilmente que elementos cargados eléctricamente y moléculas grandes. Además, la membrana es selectiva, lo que significa que permite la entrada de unas moléculas y restringe la de otra

Posee receptores químicos que se combinan con moléculas específicas que permiten a la membrana recibir señales y responder de manera específica, por ejemplo, inhibiendo o estimulando actividades internas como el inicio de la división celular, la elaboración de más glucógeno, movimiento celular, liberación de calcio de las reservas internas

Retículo endoplasmático

En las células musculares lisas y estriadas se encontraron una forma especializada de retículo endoplásmico liso conocida como retículo sarcoplásmico el cual es un importante almacén del calcio que se utiliza en el proceso de contracción muscular

Las cisternas del retículo endoplásmico liso también están especializadas en el secuestro y almacenamiento de calcio del citosol, gracias a las bombas de calcio ubicadas en sus membranas. Este calcio puede emerger masivamente en respuesta a señales extra o intracelulares a través de cascadas de segundo mensajero, y desencadenar respuestas de células tales como exocitosis. Otro ejemplo notable es el retículo sarcoplásmico (un nombre que recibe el retículo endoplasmático liso en las células musculares) que secuestra el calcio a través de una bomba de calcio en sus membranas. La secuenciación y la salida de calcio del retículo sarcoplásmico se produce en cada ciclo de contracción de la célula muscular

Microfilamentos y miosina como proteína motora. Filamentos intermedios (desmina) y anclaje y adhesión celular

Los filamentos intermedios son componentes del citoesqueleto cuya principal misión es permitir a las células o estructuras celulares soportar tensiones mecánicas. Esta función es obvia en las células animales, pero no en las células de las plantas donde el papel de resistencia mecánica lo llevan a cabo las paredes celulares

Se denominan intermedios porque su diámetro es de aproximadamente 8 a 15 nm, que se encuentra entre el de los filamentos de actina (7 a 8 nm) y el de los microtúbulos (25 nm). Aparecen en las células animales, aunque no en todas. Forman una red que contacta con el núcleo y se extiende hasta la periferia celular. Los filamentos intermedios son flexibles y resistentes, dos propiedades óptimas para soportar las tensiones mecánicas

Los filamentos intermedios se clasifican en 6 grupos o clases.

I y II son las queratinas ácidas y básicas respectivamente. Ambos tipos se combinan entre sí para dar las queratinas de las células, es decir, las queratinas son heteropolímeros. Las queratinas son abundantes en las células epiteliales.
III es una clase heterogénea donde destacan la vimentina, desmina, proteína glial fibrilar ácida y la periferina
IV es un grupo que incluye a los neurofilmentos, típicos de neuronas, a la semina, sincoilina y a la alfainternexina
V es una clase que incluye a las láminas nucleares que forman la lámina nuclear, son los únicos filamentos intermedios que no se encuentran en el citoplasma
VI es una nueva clase añadida recientemente que incluye a proteinas de las lentes del ojo como filensina y la faquinina. La familia de filamentos intermedios con más diversidad en sus monómeros es la de las queratinas. Así, se han encontrado monómeros diferentes en epitelios diferentes, también aparecen queratinas especiales en el pelo, las plumas y las uñas. En cada caso los filamentos de queratina son el resultado de una mezcla de distintos tipos de monómeros de queratinas

Epitelios: polaridad celular, adhesión de larga duración y resistencia mecánica

Las células epiteliales están polarizadas en la mayoría de los casos, es decir, tienen:

Un polo luminal o apical cuya superficie está en contacto con el exterior del cuerpo o con la luz del conducto o cavidad. Las especializaciones apicales son modificaciones que comprenden a la membrana citoplasmática y a la porción apical del citoplasma ellas son:

Microvellosidades: Son expansiones citoplasmáticas cilíndricas limitadas por la unidad de membrana cuya principal función es aumentar la superficie de absorción

Estereocilias: Son microvellosidades largas que se agrupan en forma de manojos piriformes. Son inmóviles, estarían relacionados con la absorción y transporte de líquidos. Se ubican en el epitelio del epidídimo o plexos coroideos

Cilios: Formaciones celulares alargadas dotadas de movimiento pendular u ondulante. Son más largas que las microvellosidades

Flagelos: Su estructura es semejante a la de una cilia aunque de longitud mayor

Un polo basal cuya superficie está en contacto y paralela a la lámina basal sobre la que se apoya la célula. Pueden existir:

Invaginaciones: Son repliegues de la membrana más o menos profundos que compartimentan el citoplasma basal

Hemidesmosomas: Son desmosomas monocelulares que posibilitan la unión del epitelio a la lámina basal

Superficies laterales que mantienen unidas las células entre sí, mediante las uniones celulares

Otros filamentos intermedios también forman heteropolímeros, es decir, asociaciones entre filamentos intermedios correspondientes a clases diferentes. Los filamentos de queratina en las células epiteliales suelen estar anclados a los desmosomas y a los hemidesmosomas. La importancia de esto queda patente en una enfermedad llamada epidermolisis bullosa simple, en la cual existen mutaciones que modifican la formación de los filamentos de queratina. El resultado es una piel muy vulnerable al daño mecánico, es decir, hace falta muy poca presión para separar las células y producir descamación. Ésta es sólo una de las más de 75 enfermedades humanas asociadas a defectos en los filamentos intermedios entre las que se encuentran miopatías, esclerosis lateral amiotrófica, Parkinson, cataratas, etcétera

Esta polaridad espacial afecta a la disposición de los orgánulos y a las distintas funciones de las membranas en las distintas superficies celulares

Centrosoma, microtúbulos y polaridad celular. Filamentos intermedios y moléculas de adhesión como mediadores de resistencia mecánica

La concentración de dímeros de tubulina que hay normalmente en el citosol no es suficiente para la formación espontánea de microtúbulos. Para que se forme un microtúbulo de nuevo debe ser nucleado o iniciado. Para ello existen los MTOCs (microtubule organizing centers), que son centros organizadores de microtúbulos. Estos son los lugares donde comienza la polimerización de un nuevo microtúbulo y donde suelen estar anclados sus extremos menos. En estos centros existen complejos moleculares especializados en nuclear microtúbulos. El más común de ellos son los anillos de gammatubulina, que son estructuras circulares que actúan como moldes sobre los que se inician los nuevos microtúbulos

El principal MTOC en las células animales es el centrosoma, el cual controla el número, localización y orientación de los microtúbulos en el citoplasma. Hay un centrosoma por célula, cuando ésta se encuentra en la fase G1 o G0 del ciclo celular, y se suele localizar cerca del núcleo. El centrosoma está formado por dos componentes: uno central formado por un par de centriolos dispuestos de forma ortogonal y otro periférico. El centrosoma no sólo participa en la polimerización de los microtúbulos sino que también es importante en la regulación del ciclo celular por la presencia en el material pericentriolar de numerosas proteínas que afectan al avance del ciclo celular y por la organización del huso mitótico. La duplicación de los centrosomas antes de llegar a la mitosis es fundamental para producir dos células hijas con «buena salud»

Aunque los filamentos intermedios son más estables en el tiempo que los microtúbulos o los filamentos de actina, también pueden desorganizarse y volver a polimerizar bajo ciertas condiciones celulares como durante el desplazamiento celular, división celular o cuando se responde a cambios en la dirección de las fuerzas tensoras que soportan las células

Fecundación: dinámica de biomembranas y citoesqueleto. Reacción acrosómica y reacción cortical como ejemplos de exocitosis. Fusión de membranas

Al producirse la unión primaria entre la zona pelúcida y el espermatozoide, se desencadena la reacción acrosómica en varios puntos de la cabeza del espermatozoide. Esto produce una fusión entre la membrana plasmática del ovocito secundario y la membrana externa del acrosoma, liberando el contenido de éste al medio externo y dejando al espermatozoide protegido por la membrana acrosomal interna

El contenido de la vesícula (acrosoma) está compuesto esencialmente por enzimas hidrolíticas como la hialuronidasa, acrosina y tripsina, las cuales ayudan al espermatozoide a avanzar por la zona pelúcida (disolviendo la matriz intercelular de las células que rodean al ovocito) a razón de 1 μm/min hacia el ovolema; además de proteínas que ayudan a la fusión de la membrana interna del acrosoma a ésta capa con la consecuente liberación del contenido del espermatozoide (mitocondrias, flagelo, núcleo condensado y centrosoma del cuello) al citoplasma del ovocito. Las mitocondrias y el flagelo serán degradados, mientras que el resto de componentes tendrán importante función en la concepción

Es necesario que se produzca una correcta capacitación previa del espermatozoide para que se produzca esta reacción acrosómica. También algunas glicoproteínas de la zona pelúcida inducen la activación de la reacción acrosómica (ZP3), y se ha demostrado que otras participan en la interacción entre las membranas (ZP2)

Para evitar la polispermia, apenas llega el primer espermatozoide a la membrana plasmática del huevo y comienza la integración, se liberan los gránulos corticales los cuales contienen enzimas que evitan la unión de otros espermatozoides con la zona pelúcida. A diferencia de otros organismos como los erizos de mar, en mamíferos no se presenta un cambio de potencial de membrana

División celular: dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas

Profase

Se produce en ella la condensación del material genético (ADN), para formar unas estructuras altamente organizadas, los cromosomas. Como el material genético se ha duplicado previamente durante la fase S de la Interfase, los cromosomas replicados están formados por dos cromátidas, unidas a través del centrómero por moléculas de cohesinas
Uno de los hechos más tempranos de la profase en las células animales es la duplicación del centrosoma; los dos centrosomas hijos (cada uno con dos centriolos) migran entonces hacia extremos opuestos de la célula. Los centrosomas actúan como centros organizadores de unas estructuras fibrosas, los microtúbulos, controlando su formación mediante la polimerización de tubulina soluble. De esta forma, el huso de una célula mitótica tiene dos polos que emanan microtúbulos
En la profase tardía desaparece el nucléolo y se desorganiza la envoltura nuclear

Prometafase

La envoltura nuclear se ha disuelto, y los microtúbulos (verde) invaden el espacio nuclear. Los microtúbulos pueden anclar cromosomas (azul) a través de los cinetocoros (rojo) o interactuar con microtúbulos emanados por el polo opuesto. La envoltura nuclear se separa y los microtúbulos invaden el espacio nuclear
Cada cromosoma ensambla dos cinetocoros hermanos sobre el centrómero, uno en cada cromátida. Un cinetocoro es una estructura proteica compleja a la que se anclan los microtúbulos. Aunque la estructura y la función del cinetocoro no se conoce completamente, contiene varios motores moleculares, entre otros componentes
Cuando un microtúbulo se ancla a un cinetocoro, los motores se activan, utilizando energía de la hidrólisis del ATP para «ascender» por el microtúbulo hacia el centrosoma de origen. Esta actividad motora, acoplada con la polimerización/despolimerización de los microtúbulos, proporciona la fuerza de empuje necesaria para separar más adelante las dos cromátidas de los cromosomas

Metafase

A medida que los microtúbulos encuentran y se anclan a los cinetocoros durante la prometafase, los centrómeros de los cromosomas se congregan en la «placa metafásica» o «plano ecuatorial», una línea imaginaria que es equidistante de los dos centrosomas que se encuentran en los 2 polos del huso. Este alineamiento equilibrado en la línea media del huso se debe a las fuerzas iguales y opuestas que se generan por los cinetocoros hermanos

Anafase

Cuando todos los cromosomas están correctamente anclados a los microtúbulos del huso y alineados en la placa metafásica, la célula procede a entrar en anafase
Es la fase crucial de la mitosis, porque en ella se realiza la distribución de las dos copias de la información genética original
Entonces tienen lugar dos sucesos. Primero, las proteínas que mantenían unidas ambas cromátidas hermanas (las cohesinas), son cortadas, lo que permite la separación de las cromátidas. Estas cromátidas hermanas, que ahora son cromosomas hermanos diferentes, son separados por los microtúbulos anclados a sus cinetocoros al desensamblarse, dirigiéndose hacia los centrosomas respectivos
A continuación, los microtúbulos no asociados a cinetocoros se alargan, empujando a los centrosomas (y al conjunto de cromosomas que tienen asociados) hacia los extremos opuestos de la célula. Este movimiento parece estar generado por el rápido ensamblaje de los microtúbulos

Telofase

Es la reversión de los procesos que tuvieron lugar durante la profase y prometafase
La envoltura nuclear se reforma alrededor de ambos grupos cromosómicos, utilizando fragmentos de la envoltura nuclear de la célula original
Ambos juegos de cromosomas, ahora formando dos nuevos núcleos, se descondensan de nuevo en cromatina

Citocinesis

La citocinesis es un proceso independiente, que se inicia simultáneamente a la telofase. Técnicamente no es parte de la mitosis, sino un proceso aparte, necesario para completar la división celular
Anillo contráctil de actina en el lugar donde estuvo la placa metafásica, estrangulando el citoplasma y aislando así los dos nuevos núcleos en dos células hijas. Tanto en células animales como en plantas, la división celular está dirigida por vesículas derivadas del aparato de Golgi, que se mueven a lo largo de los microtúbulos hasta la zona ecuatorial de la célula

Bibliografía recomendada:

La Célula, por Cooper & Hausman. 6ta Edición. Capítulo 12

Histología médico-practica, por H.A. Brusco. 1era Edición. Capítulo 6, tejido muscular

Paper: atlas-celula-07-citoesqueleto

Algunos links:

Exosomas: https://es.quora.com/Qu%C3%A9-son-los-exosomas

Exosomas: https://en.wikipedia.org/wiki/Exosome_(vesicle)

Permeabilidad: https://es.wikipedia.org/wiki/Membrana_plasm%C3%A1tica#Permeabilidad

RE: https://es.wikipedia.org/wiki/Ret%C3%ADculo_endoplasm%C3%A1tico

División celular: https://es.wikipedia.org/wiki/Mitosis