El citosol de las células eucariotas se sostiene por una estructura compleja de fibras que se ramifican. Está constituido por proteínas filamentosas que se encuentran en el citoplasma, formando una red que da la forma a la célula y permite:
Los movimientos intracelulares
La organización de los cromosomas durante la división celular
La unión con otras células para constituir los órganos y tejidos en los organismos multicelulares.
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La Figura 2.14 muestra las moléculas implicadas en el movimiento tanto en plantas como en animales. Las principales proteínas del citoesqueleto son: Microfilamentos, Filamentos Intermedios y Microtúbulos (Figura 2.15).
Proteínas del Citoesqueleto: Microfilamentos: Se componen de moléculas de actina, esta proteína se encuentra en todas las células eucariotas. Los monómeros solubles de actina globular (G) se polimerizan para formar actina filamentosa (F). La polimerización de la actina G a F depende del magnesio; la despolierización por el contrario es dependiente de calcio; estos cambios en la polimerización permiten el movimiento reptante que es controlado por proteínas de unión a la actina y se acopla a la hidrólisis de ATP a ADP.
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FIGURA 0.15: PRINCIPALES COMPONENTES DEL CITOESQUELETO.MICROFILAMENTOS, FILAMENTOS IINTERMEDIOS Y
MICROTÚBULOS (FUENTE:AUDERSIK,2001)
Es importante resaltar que la polimerización y despolimerización está regulada por la Gelsolina y el calcio; en este sentido, una baja concentración de calcio implica la polimerización; por el contrario, una baja concentración de calcio permite la despolimerización de la actina (Figura 2.16). Filamentos Intermedios: Son más gruesos que los microfilamentos y más delgados que los Microtúbulos. Tienen como característica ser los elementos menos solubles pero más estables del citoesqueleto. Las proteínas de los filamentos intermedios tienen tamaños variables, se distribuyen ampliamente encontrándose en animales invertebrados y vertebrados, también en plantas.
Las funciones de los filamentos intermedios dependen del tipo de tejido, la Figura 2.17 muestra algunas proteínas que conforman los filamentos intermedios. Microtúbulos: Son estructuras huecas y cilíndricas presente en todas las células eucariotas. Los microtúbulos no sólo hacen parte del citoesqueleto sino que además forman el huso mitótico y constituyen el núcleo central de los cilios y flagelos. Están compuestos por heterodímeros de tubulina α y β.
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FIGURA 0.16:REGULACIÓN DE LA POLIMERIZACIÓN Y DESPOLIMERIZACIÓN DE LA MOLÉCULA DE ACTINA
Los microtúbulos tienen como función: 1. Proporcionar estructura y permiten mantener la posición de los organelos subcelulares. 2. Hacen parte del mecanismo que permite desplazar materiales y organelos dentro de la célula. 3. Permiten el movimiento de cilios y flagelos. 4. Componentes primarios del mecanismo encargado de la mitosis y la meiosis (Figura 2.18).
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FIGURA 0.17:DIFERENTES TIPOS DE FILAMENTOS INTERMEDIOS Y SU RELACIÓN CON LA DIFERENCIACIÓN EN CÉLULAS DE MAMÍFEROS
Motores Moleculares: Son proteínas encargadas de convertir energía química en mecánica. Estas proteínas que actúan en conjunto con las del citoesqueleto se agrupan en tres familias muy amplias: Cinesinas, dineínas y miosisnas. Las cinesinas y dineínas se desplazan a lo largo de vías que están conformadas por microtúbulos; por el contrario las miosinas se relacionan con microfilamentos. Estas proteínas al desplazarse a lo largo de las vías interactúan y experimentan cambios conformacionales constituyendo el ciclo mecánico, estos se acoplan con el ciclo químico que proporciona la energía necesaria para el movimiento. El ciclo químico implica: - Enlace de la molécula de ATP al motor, - Hidrólisis de ATP con formación de ADP y liberación de productos del motor y 3. Enlace de una nueva molécula de ATP.
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FIGURA 0.18:SE OBSERVAN LOS MICROFILAMENTOS CONFORMADOS POR MONÓMERO DE ACTINA, FILAMENTOS INTERMEDIOS POR SUBUNIDADES FIBROSAS Y MICROTÚBULOS POR HETERODÍMEROS DE TUBULINA.
Cinesinas: Proteína estructuralmente conformada por dominios diferentes, que incluyen un par de cabezas y una cola; las cabezas generan la fuerza y la cola enlaza la carga que debe desplazar. Experimentalmente esta proteína se identifico en células nerviosas; sin embargo, proteínas similares se han encontrado en todas las células eucariotas. La cinesina también se relaciona con los movimientos de vesículas derivadas del retículo endoplasmático, endosomas, lisosomas y gránulos secretorios. Dineínas citoplásmicas: en 1963 se descubrió la primera proteína relacionada con el movimiento de cilio y flagelos, denominándosele dineína. Veinte años después se identificaron una gran variedad de proteínas semejantes a la dineína en diferentes tipos celulares. Esta proteína es de gran tamaño y se le han atribuido dos grandes funciones: -agente generador de fuerza para el movimiento de cromosomas durante la división celular y – Motor necesario para el movimiento de vesículas y organelos membranosos a través del citoplasma. La dineína que permite el movimiento de cilios y flagelos recibe el nombre de dineína ciliar, es una proteína que sirve de puente entre las moléculas de tubulina α y β permitiendo en desplazamiento de estas moléculas y generando el movimiento de estas estructuras presentes en las células eucariotas
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Bases Moleculares de la Contracción: El músculo y el sistema nervioso generan el movimiento, característica que diferencia a los animales de las plantas; este proceso consiste de manera general, en producir un cambio en la energía biológica gracias a una transformación quimiomecánica. El proceso molecular básico es el mismo para todas las células musculares y permite que ciertas proteínas puedan deslizarse y de esta manera se pueda generar el movimiento. La unidad contráctil se denomina sarcómero, cada sarcómero esta demarcado por la línea Z, que separa cada uno de los sarcómeros que hacen parte de la fibra muscular; a esta unidad contráctil se unen los filamentos delgados, los cuales están conformados por las proteínas actina, tropomiosina y troponina; la primera, tiene unos sitios de unión para la proteína miosina y las dos últimas forman un complejo. La troponina presenta unos sitios de unión del calcio implicados en la contracción-relajación; por lo tanto, esta proteína tiene una función reguladora en el movimiento. Existen también filamentos gruesos constituidos por la miosina, esta molécula es grande, compleja y está formada por tres regiones específicas que determinan una cola, un cuello y una cabeza; las colas se agrupan y forman el filamento grueso, mientras que el cuello y la cabeza se proyectan de manera lateral para formar un puente cruzado. Cada cabeza tiene un sitio de unión a la actina y un sitio enzimático que permite que se lleve a cabo la hidrólisis del ATP.
Este complejo de proteínas permite que se genere un ciclo específico de movimiento, el cual está conformado por cuatro pasos esenciales, el primero se produce cuando el calcio se une al punto de unión presente en la troponina, esto ocasiona el segundo paso que es un cambio conformacional en el complejo tropomiosina-troponina que permite que la actina deje expuestos los puntos de unión a la miosina, una vez estos puntos de unión se encuentran libres se produce el tercer paso que consiste en que la cabeza de miosina se une a la actina gracias a la hidrólisis de ATP y por último, después de esta unión se genera un deslizamiento que permite el movimiento del filamento delgado sobre el filamento grueso. De esta forma, cuando no se da un aporte energético se produce rigidez muscular, que es lo que ocurre cuando se da la muerte (rigor mortis).
Para generar el proceso, denominado acoplamiento excitación- contracción, que acopla el potencial de acción, el ciclo de puente cruzado y la contracción, se requieren tres procesos: 1. Traducción de señal a la membrana celular, 2. Generación de un segundo mensajero que actúa como regulador y 3. Control del ciclo de los puentes cruzados en las miofibrillas. De esta forma, gracias a un estímulo se genera traducción de señal en la membrana lo cual permite que ingrese calcio al sarcoplasma y a la vez se abran canales en el retículo sarcoplásmico interno que libera gran cantidad de calcio que activa la contracción por difusión de calcio, en favor de gradiente electroquímico, a las miofibrillas. Una vez se ha cambiado el potencial de acción, el retículo sarcoplásmico produce una recaptación de calcio y además se activa el transporte de sodio al interior del sarcoplasma permitiendo la salida de calcio; por consiguiente, no se difunde calcio a la miofibrilla y no hay unión entre filamentos delgados y gruesos. (Figura 2.19).
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Componentes de la Matriz Extracelular: La matriz extracelular está constituida por diversas proteínas, las cuales son secretadas de manera local por las células y tienen como función servir de soporte y mantener la estructura propia de cada uno de los tejidos presentes en el organismo, además influyen en la diferenciación, migración y proliferación de la célula con la que está en contacto.
Dentro de los componentes básicos de la matriz extracelular se encuentran proteínas fibrosas como el colágeno y la elastina; proteínas estructurales o de adhesión como la fibronectina y la laminina y los proteoglicanos y los glucosaminoglicanos los cuales atrapan moléculas de agua para formar una sustancia basal altamente hidratada y gelificante que junto con las proteínas proporcionan fuerza, rigidez y resistencia (Figura 2.20).
FIGURA 0.19:BASE MOLECULAR DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR.(ADAPTADO DE PURVES ET AL,2001)
El colágeno conforma una amplia familia de proteínas con la función de dotar de resistencia tensiva a los tejidos, existen diversos tipos con morfología y
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distribución diversa. Dentro de este grupo los más relevantes son el colágeno tipo I que se caracteriza por presentar fibras grandes, estriadas y se localiza a nivel de córnea, dermis cutánea, tendón, ligamento y cartílago fibroso; el colágeno tipo II conformado por fibras estriadas pequeñas y cuya localización se da a nivel de humor vítreo, discos vertebrales y cartílago elástico; el Colágeno Tipo III igualmente presenta fibras estriadas y pequeñas pero se ubica en vasos sanguíneos, médula ósea, tejidos linfoides, nervios y pulmón entre otros; el colágeno tipo IV está constituido por capas laminares a nivel de cápsula del cristalino, membranas basales y láminas externas; el colágeno tipo V conformado por fibrillas cortas que se ubican en membrana basal placentaria, músculo liso y esquelético.
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La fibrilina una glucoproteína que forma fibrillas las cuales son constituyentes de las fibras elásticas y favorecen la adhesión entre los distintos componentes de la matriz extracelular. Estas microfibrillas conforman las fibras suspensorias del cristalino y hacen parte de las matrices extracelulares de los glomérulos renales, del pulmón, de la piel y de los vasos sanguíneos. La elastina es una proteína hidrofóbica que se caracteriza por ser el componente principal de las fibras elásticas. La interacción entre elastina y fibrilina permiten la formación y el normal funcionamiento de la fibra elástica cuya función básica es permitir que los tejidos recuperen la forma después del estiramiento.
La fibronectina y laminina son otras proteínas de la matriz extracelular. La fibronectina se caracteriza por ser una glucoproteína multifuncional de la que existen tres formas principales: 1. Proteína plasmática circulante, 2. Proteína que se fija de forma transitoria a diversas células y 3. Fibrillas insolubles que hacen parte de la matriz extracelular. La importancia de la fibronectina radica en la capacidad que esta tiene para adherirse a diversos componentes de los tejidos por las zonas de unión al colágeno, la heparina y las moléculas de adhesión celular. La laminina es una glicoproteína sulfatada y conforma la membrana basal, además tiene la capacidad de unirse a receptores celulares específicos como las integrinas, heparan sulfato, colágeno y entactina (proteína que permite unir la laminina y el colágeno).
Los glicosaminoglicanos son grandes cadenas de polisacáridos constituidos por unidades de disacáridos y presentan las siguientes propiedades: posee cargas negativas, lo que permite que su comportamiento sea hidrofílico y retienen iones positivos y agua, manteniendo la arquitectura tisular. Pueden dividirse por su estructura en sulfato de condroitina, queratansulfato presentes en córnea; dermatansulfato, heparansulfato, ácidos hialurónico y heparina.
Otro componente importante, además de la matriz extracelular, es el fluido extracelular; este se compone principalmente de agua y en él se encuentran inmersos otros componentes como: gases, especialmente O2 y CO2; iones
inorgánicos, en cantidades apreciables se encuentran Na+, K+, Cl-, Ca+, HCO3- y PO4 y en mínimas cantidades Zn++, Mn++, Co++; lípidos, aminoácidos, azúcares, vitaminas y hormonas.
Para mantener la estructura de las células y la forma básica de cada tejido además de la matriz extracelular es necesaria la presencia de las moléculas de adhesión como las integrinas, selectinas y cadherinas entre otras, las cuales permiten que las células se puedan adherir unas con otras y con la matriz extracelular. La integridad estructural se mantiene gracias a varias uniones como son: los hemidesmosomas, que fijan la membrana basal de las células con la
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matriz extracelular; desmosomas, que establecen uniones entre las células, contactos focales, que fijan el citoesqueleto de filamentos intermedios de las células a la membrana basal. La Tabla 2.4 muestra las diversas uniones y su función.
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CAPÍTULO 3: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS