Filamentos intermedios (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Biologia Celular
Año del apunte 2014
Páginas 9
Fecha de subida 01/11/2014
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Apuntes de Biologia celular para todos los grados de Biociencias (biologia, biomedicina, genetica, nanotecnologia, microbiologia, biotecnologia, bioquimica)

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37 Biología Celular II Filamentos Intermedios Características generales.
Clasificación según su localización Los filamentos intermedios son estructuras parecidas a cuerdas, de un diámetro de unos 10nm. Están formados por las proteínas de los filamentos intermedios, que constituyen una familia numerosa y heterogénea de proteínas.
Uno de los tipos de filamentos, los filamentos nucleares, forma una malla llamada lámina nuclear que se localiza debajo de la membrana nuclear interna, formando una red protectora para el DNA.
Los filamentos citosólicos forman una red que contacta con el núcleo y se extiende hasta la periferia celular. Normalmente están anclados a los complejos de unión que se establecen entre células vecinas, en las uniones focales y entre célula y matriz extracelular a través de proteínas de unión. Para ello se unen a las proteínas transmembranales en lugares especiales de la membrana celular (desmosomas y hemidesmosomas). Abundan los filamentos intermedios en las células que están sometidas a tensiones mecánicas. Por ejemplo en los axones de las células nerviosas, en las musculares y en las epiteliales. Además permiten formar apéndices resistentes como cabellos y uñas.
Funciones Los filamentos intermedios son flexibles y resistentes, dos propiedades óptimas para soportar las tensiones mecánicas. Se ha estimado que pueden estirarse entre un 250 y un 350 % de su longitud inicial cuando se someten a fuerzas de tensión. Cuando esto ocurre disminuyen su diámetro, por lo que se estima que los monómeros pueden deslizarse unos sobre otros. Además de soporte estructural, parece que intervienen en otros procesos celulares. Se les postula como lugar de anclaje de numerosas moléculas de señalización. Además, interaccionan directamente con orgánulos como las mitocondrias, el aparato de Golgi y los lisosomas, por lo que pueden afectar a su funcionamiento. 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 de dirección las fuerzas tensoras que soportan las células.
Resumen de funciones:  Dar rigidez a la celula y soporte estructural  Resistir diferentes tipos de tensiones  Formar desmosomas y hemidesmosomas 38 Biología Celular II Diferencias con microfilamentos y microtúbulos.
Microfilamentos Microtúbulos Proteína que lo forma Monómero de actina Heterodímeros (α,β) Genes codificantes 6 (en humanos) 6 para α y 6 para β 70 Diámetro 5-9 nm 25 nm 10 nm Formacion Polimerización Polimerización Interacciones hidrofóbicas Movimiento celular, endocitosis y fagocitosis.
Movimiento intracelular, segregación de cromosomas y formación de cilios y flagelos.
Cohesión celula-celula y celulamatriz, soporte estructural y resistencia mecánica.
Forma radial centrosomas Desde el núcleo hasta los complejos de unión y en el interior de este.
Funciones de la Filamentos intermedios de tubulina desde los Tetrámero (diferentes proteínas) Disposición Proximidades membrana Polaridad estructural Si Si No Presencia eucariotas Si Si Excepto plantas y hongos Unión a ATP/GTP ATP GTP Ninguno Los filamentos de actina se disponen sobre todo en las proximidades de la membrana, los microtúbulos adoptan una disposición radial partiendo desde el centrosoma, mientras que los filamentos intermedios se anclan a complejos de unión de la membrana plasmática y también aparecen en el interior del núcleo. Hay que tener en cuenta que estas distribuciones pueden variar según el tipo celular, y es muy diferente en las células vegetales.
Estructura y composición Tipos de proteínas de los filamentos intermedios (FI) Los FI están compuestos por diferentes tipos de proteinas que se agrupan formando tetrámeros, que posteriormente se agrupara para formar otras estructuras hasta llegar al filamento. La siguiente tabla muestra las diferentes proteínas que lo conforman.
En las células epiteliales de la piel, los FI de queratina llegan a unirse estrechamente a otras proteínas de unión para formar una capa externa resistente, y por tanto desempeñan un papel estructural importante como barrera impermeable, además de ser la principal proteína constituyente del pelo y uñas. Una clara asociación de estos filamentos con la membrana plasmática se realiza en los desmosomas membranales, localizados principalmente en las células epiteliales.
39 Biología Celular II En las neuronas, los neurofilamentos tienen unas ramas laterales muy largas, que colaboran en el mantenimiento de la arquitectura cilíndrica de las prolongaciones nerviosas cuando quedan expuestas a fuerzas laterales de flexión. También sirven de anclaje a proteínas que son canales iónicos gracias a una proteína de unión denominada anquirina, facilitándose de esta forma la conducción nerviosa. En el núcleo, las láminas nucleares forman un enrejado cuadrado en el lado interno de la membrana nuclear, reforzándola, que probablemente actúe con otras proteínas de unión en la organización del núcleo.
Tipo Polipéptido Localización Nuclear Laminas A, B y C Revestimiento interno envuelta nuclear la Formar aminas nucleares que refuerzan la membrana nuclear.
Vimentina, Fibroblastos, cél. Endoteliales y leucocitos Anclaje para el soporte de orgánulos intracelulares Desmina Células musculares Mantener en su sitio las miofibrillas para coordinas la contracción de las células.
Glial acidica fibriliar Cel. Gliales (astrocitos y células de Schawan) Mantener estructura, comunicación celular.
Epitelial Queratinas Células epiteliales, pelo y uñas Barrera impermeable (estructural) Axonal Neurofilamentos Neuronas Mantener estructura y transporte axonal Vimentina Función de movimiento, Estructura Los polipéptidos individuales de los filamentos intermedios son moléculas alargadas que presentan un dominio central en α-hélice que se enrosca con otro monómero igual formando un dímero con una super hélice. Dos dímeros se asocian de modo antiparalelo formando un tetrámero escalonado e inestable. Dicho tetrámero representa la subunidad soluble que sería análoga al dímero de tubulina o al monómero de actina. No tienen ningún lugar de unión para nucleósidos trifosfato. Los extremos de este dímero son iguales porque los dímeros que lo conforman están orientados hacia direcciones opuestas.
Los tetrámeros se empaqueten lateralmente entre si dando lugar al filamento, formado por ocho protofilamentos en paralelo.
En total, cada filamento tiene una sección transversal de 32 hélices enrolladas. Este gran número de polipéptidos alineados, unidos entre sí mediante interacciones hidrofóbicas laterales proporciona a los filamentos intermedios su apariencia de cuerda. Se pueden deformar fácilmente pero es difícil romperlos.
Proteína + Proteína = Dímero (1 cadenas polipeptídica) Dímero + Dímero = Tetrámero (2 cadenas polipeptídicas) Tetrámero + Tetrámero = Protofilamento (4 cadenas polipeptídicas) *Protofilamento + Protofilamento = Protofibrillas (8 ) *Protofibrillas + Protofibrillas = Filamentos Intermedios (32) 40 Biología Celular II Polimerización de los filamentos intermedios Mecanismo de polimerización Todavía se tiene muy poca información acerca del mecanismo de ensamblaje y desensamblaje de los filamentos intermedios, pero algunos tipos incluyendo a la vimentina forman estructuras altamente dinámicas en células tales como fibroblastos. En condiciones normales es probable que su desensamblaje está regulado por la fosforilación de proteínas de la misma forma que a fosforilación regula el desensamblaje de las laminas nucleares durante la mitosis. Numerosos experimentos muestran como proteínas previamente marcadas se incorporan rápidamente a los filamentos intermedios preexistentes En cuanto a la estabilidad o cuan dinámicos pueden llegar a ser lo filamentos intermedios se sabe que la mayoría son estables. No hay un centro organizador que genere el ensamblaje de filamento intermedios en la celula y están anclados algún lugar específico de la celula. Sin embargo se sabe de algunas partículas que se encuentran mayormente en la superficie de la celula vivas y están en constante ensamblaje y desensamblaje. El dinamismo puede ser a través de glucosilaciones y fosforilaciones mediadas por kinasas modificando los microfilamentos. Pero su remodelación es controlada y remodelada de manera local.
41 Biología Celular II No se conocen drogas que los despolimericen, aunque en células tratadas con colchicina estos filamentos se colapsan sobre el núcleo sin desensamblarse, por lo que se ha observado que la organización de los microtúbulos controla la organización de los filamentos intermedios y entonces la colchicina, al desensamblar los microtúbulos, produce un colapso de la red de filamentos intermedios. Este proceso es reversible y tanto los filamentos como los microtúbulos se reorganizan al quitarse la colchicina. Sin embargo, no se han hallado los cofactores que participan en la reorganización de filamentos intermedios.
Proteinas asociadas a los filamentos intermedios Funciones generales Hay también proteínas asociadas a filamentos intermedios. Sin embargo, su función específica es poco clara todavía, ya que los filamentos intermedios son muy estables, aunque podrían intervenir en interacciones entre filamentos y otros componentes del citoesqueletos, asi como diferentes orgánulos, incluidas partes de la membrana en donde tienen lugar las uniones (desmosomas y hemidesmosomas) en células epiteliales. Durante los últimos años se ha visto que las IFAPs no solo sirven como unión para organizar los filamentos, sino que incluyen también grupos de chaperonas, enzimas, adaptadoras y receptoras. Los filamentos se podrían considerar entonces entrelazados desde donde las proteínas asociadas se organizan para regular el metabolismo celular.
En algunas enfermedades, como la de Alzheimer, se ha demostrado que las proteínas de los filamentos intermedios están alteradas. La fosforilación de las proteínas que forman a los filamentos intermedios está relacionada con algunas de sus funciones, es reversible y se observa cuando las células cambian de forma o se reestructura un componente celular, como sucede con la envoltura nuclear.
Puesto que los filamentos se encuentran formando parte de complejos de unión, las proteínas asociadas a FI se encontraran mayoritariamente unidas a proteínas transmembranales de adhesión. Los filamentos intermedios participan en las uniones celulacelula (unión comunicante) y en las uniones celula-matriz (unión de anclaje).
42 Biología Celular II Plectina (Hemidesmosomas) Además de empaquetar los filamentos intermedios, la plectina también los une a los microtúbulos, a los filamentos de actina y a los filamentos de proteína motora miosina II. Permite la unión de los haces de filamentos intermedios a las estructuras adhesivas de la membrana plasmática (desmosomas y hemidesmosomas).
Los hemidesmosomas son complejos multifuncionales y multiproteína de gran importancia para la integridad de los epitelios. Ejercen de mediadores de la adhesión celular y confieren resistencia al estrés mecánico, al unir la matriz extracelular con los filamentos intermedios de queratina. Están formados por tres componentes transmembrana: integrina, un tipo de colágeno y tetraspanina asociada a integrinas. La integrina es un receptor para lamininas, así como una proteína de la membrana basal epidérmica que se une al filamento de queratina a través de la plectina. La plectina es esencial para la estabilidad del hemidesmosoma y se cree que es el inicio del ensamblaje de estos complejos de adhesión que anclan las células epiteliales a la membrana basal.
Mutaciones en el gen de la plectina causan una devastadora enfermedad que combina los efectos de la epidermólisis bullosa (provocada por una alteración de los filamentos de queratina de la piel) con los de la distrofia muscular (a causa de una alteración de los filamentos de desmina) y con una neurogeneración (provocada por una alteración de los neurofilamentos). Esto se debe a que la plectina tiene una acción de entrecruzamiento de filamentos vital para proporcionar a las células la fuerza que necesitan para superar el estrés mecánico.
Anquirina (Eritrocitos) Las anquirinas son las principales proteínas de la membrana de eritrocitos incolucrada en la inserción del esqueleto de espectrina en la membrana. La espectrina es una proteína que forma una red que sostiene la membrana plasmática de los eritrocitos y preserva la forma del eritrocito. La anquirina contiene dos dominios funcionales: 1) Un segmento positivamenten cargado donde la anquirina se une al segmento citoplasmático del transportador de aniones, que sirve además como lugar de anclaje.
2) Un dominio neutro donde la proteína se une con una alta afinidad a la espectrina, anclando asi el esqueleto a la membrana.
Para poder ligar la espectrina a la membrana, la anquirina necesita una proteína transmembranal llamada Banda 3, una proteína multipaso que transporta oxigeno de la sangre a los tejidos y dióxido de carbono de los tejidos a la sangre. Se encuentra ligado a proteínas 4.2 y anquirina.
43 Biología Celular II Alteraciones en la anquirina causan Esferocitosis Hereditaria (EH), una anemia hemolítica congénita muy frecuente entre los caucasianos.
Placoglobina y desmoplaquina(Desmosomas) Los desmosomas están compuestos por tres familias de proteínas: 1) Las plaquinas, especialmente las desmoplaquinas, que se unen a los filamentos intermedios de queratina.
2) La familia de las proteínas de anclaje: incluye la placoglobina que actúan como puentes entre la desmoplaquina intracelular y las cadherinas.
La placoglobina funciona por tanto como puente de unión entre las proteínas transmembranales del desmosoma (cadherinas) con el citoesqueleto de filamentos intermedios, mediado por desmplaquina.
3) La familia de las cadherinas, formada por desmocolinas y desmogleínas que se unen a sus homólogas en las células vecinas, formando así una unión de anclaje o adherencia.
El Pénfigo es una enfermedad en la que el propio individuo genera anticuerpos que actúan sobre la cadherina que une la placoglobina de ambas células. Dichos anticuerpos reconoces y degradan las uniones desmosomales que mantienen unidas a las células epidérmicas, pues es en el tejido epitelial donde encontramos uniones de este tipo. La enfermedad provoca un grave trastorno de la piel con formación de ampollas y pérdida de fluidos corporales.
44 Biología Celular II Filagrina La filagrina agrega los filamentos de queratina en fibrillas de queratina. Cuando se produce su destrucción durante la descamación de la piel, origina diferentes sustancias que atraen el agua hacia las células de la piel y favorecen por tanto la hidratación de la misma. El gen que codifica la filagrina está ubicado en el cromosoma 1 humano.
La filagrina posee una importante función para la creación de la barrera epidérmica. . Los monómeros de queratina están ligados por moléculas de filagrina. Su función principal es la organización de la estructura tridimensional interna de la célula, forman una barrera rígida que evita la entrada de microorganismos.
Mutaciones en el gen que la codifica se han relacionado con la dermatitis atópica y algunas formas de ictiosis, enfermedad donde la piel se vuelve escamosa. Además de provocas picor, es fácil que se produzcan otras infecciones ya que la barrera primaria cutánea se debilita en este caso.
Funciones de los filamentos intermedios Funcion de los filamentos intermedios nucleares.
La lámina nuclear es una red entremezclada de filamentos intermedios compuestos por laminas A, B y C situadas en la periferia del nucleoplasma. La lámina nuclear confiere estabilidad mecánica a la envoltura nuclear. La lámina nuclear resulta fundamental tanto para la formación de los cromosomas y desensamblaje de la envoltura durante la división, como para la formación de la nueva envoltura tras acabar la división.
Todas las laminas presentan un dominio globular en su extremo C-terminal y otro en el N-terminal. A través del C-terminal, excepto las laminas C, unen una molécula llamada farnesilo (proceso denominado farnesilación) que permite el anclaje de las laminas a la membrana nuclear interna. Esta unión permite que se formen dímeros, luego tetrámeros, protofilamentos, filamentos y por último el retículo que constituye la lámina nuclear.
Los filamentos de la lámina nuclear sufren los siguientes cambios: 1) Durante la interfase, las laminas nucleares interaccionan por su lado externo con las proteínas específicas incluidas en la membrana interna de la envoltura nuclear. Por su lado interno, algunos componentes de la lámina se fijan a puntos específicos de la cromatina. Durante la interfase las láminas nucleares crecen, al igual que lo hacer otras membranas, incluyendo la nuclear.
2) En la profase de la mitosis, el factor promotor de la mitosis desencadena la despolimerización de las laminas por una fosforilación transitoria de grupos NH2 de serinas especificas en estos polipéptidos. Este desembalaje causa la disgregación y desaparición de la envoltura nuclear, que se fragmenta en vesículas a las que quedan 45 Biología Celular II asociados los fragmentos de lamina B durante la mitosis. Las laminas A y C son solubles y se distribuyen por el citoplasma.
3) Al final de la mitosis la desfosforilación de las laminas provoca su repolimerización en la superficie de los cromosomas, permitiendo que la envoltura nuclear se forme de nuevo. Las vesículas de la ex-envoltura nuclear se unen a la lamina y se fusionan entre sí para formar una envoltura alrededor de cada cromosoma, y dichas envolturas se fusionan para crear la envoltura nuclear definitiva Existen numerosas enfermedades genéticas ligadas a un mal funcionamiento de las laminas, lo cual desemboca en un núcleo frágil y una muerte celular acelerada. Un ejemplo seria la llamada Progeria. Los afectados por esta enfermedad semejan ancianos durante su niñez, tienen una cabeza de gran tamaño, un cuerpo delgado y pequeño, una nariz delgada, ojos saltones y sufren alopecia. Las posibilidades de tener un ataque de corazón a edad temprana son elevadas.
Funciones de los filamentos intermedios citosólicos Dependiendo del tejido en el que se encuentre, los filamentos intermedios estarán por una determinada proteína u otra. Los filamentos de queratina se encuentran principalmente en las células epiteliales. Los epitelios más simples, como el de los embriones tempranos o el hígado disponen de un solo tipo de queratina; otros como el de la lengua o el de la vejiga contienen más de 6 tipos diferentes.
Los filamentos de vimentina son los más abundantes y se encuentran en la mayoría de las células de origen mesodérmico, incluyendo fibroblastos, células endoteliales y leucocitos. La desmina se encuentra principalmente en las fibras musculares distribuida por todo el citoplasma de las fibras musculares lisas y se une a las miofibrillas adyacentes. Las células nerviosas disponen de una variedad única de filamentos intermedios, que se expresan en distintas regiones del sistema nervioso central. Los neurofilamentos son los más abundantes, se extienden a lo largo del axón y forman su componente citoesqueletico primario.
Su principal función, como ya se ha dicho en la introducción, es la de dar soporte estructural.
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