Tema 14 (2012)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura Biología Celular
Año del apunte 2012
Páginas 8
Fecha de subida 21/02/2015
Descargas 5
Subido por

Vista previa del texto

Tema 14: Els elements del citoesquelet TEMA 14: ELS ELEMENTS DEL CITOESQUELET Els elements del citoesquelet són xarxes proteiques que es situen al citosol dels eucariotes, n’hi ha diferents tipus: -Microtúbuls: són els mes grans.
-Microfilaments d’actina: els mes petits.
-Filaments intermedis: són els que es troben entremig.
Els filaments intermedis no es troben en totes les cèl·lules.
Els microfilaments es troben formant el còrtex cel·lular per sota la membrana plasmàtica que dona forma a la cèl·lula (tant en cèl·lules en moviment com estàtiques).
Els microfilaments són dinàmics, també poden formar microvellositats i extensions de la membrana plasmàtica que permeten que la cèl·lula es desplaci.
Els microtúbuls surten del centrosoma i irradien tota la cèl·lula, estan relacionats amb el moviment, però també tenen funció estructural (les projeccions dels axons es mantenen per microtúbuls, o els cilis i flagels).
Els filaments intermedis són molt poc dinàmics i la seva funció és de suport.
Microfilaments d’actina: estan formats per actina (globular), la polimerització de dos filaments d’actina globular enrotllats en forma d’hèlix genera el microfilaments. Estan relacionats amb contracció muscular, moviment ameboide, contracció cèl·lula, divisió del citoplasma de la cèl·lula, donar forma i suport a la cèl·lula en animals. Tenen de 7 a 9 nm de diàmetre.
Microtúbuls: són dímers d’ αβ tubulina, un microtúbul és un cilindre buit composat per 13 protofilaments. Estan relacionats amb moviment de cilis i flagels, de l’interior de la cèl·lula (cromosomes, orgànuls)… Tenen uns 25 nm de diàmetre.
Filaments intermedis: estan formats per diferents proteïnes que canvien en funció del teixit. Estan formats per la polimerització de 16 protofilaments que s’ensamblen els uns als altres. Nomes estan relacionats amb suport estructural, embolcall nuclear, axons neuronals, musculatura no esquelètica... Tenen uns 10 nm de diàmetre.
EL CITOESQUELET BACTERIÀ: PROTEÏNES HOMÒLOGUES Els procariotes no tenen citoesquelet com a tal però tenen proteïnes homòlogues de la tubulina, l’actina i relacionades amb els filaments intermedis.
1 Tema 14: Els elements del citoesquelet MICROFILAMENTS D’ACTINA PRINCIPIS BÀSICS Estan presents en tots els eucariotes. Estan molt relacionats amb moviments perquè l’actina globular pot formar filaments dinàmics: L’actina pot polimeritzar cap a diferents bandes o despolimeritzar. Això fa que pugui empènyer la membrana i que la cèl·lula s’ancli a la superfície i es mogui. Durant la fagocitosi els pseudòpots es formen gràcies a la polimerització dels microfilaments d’actina . L’actina també serveix per separar la cèl·lula en dos (citocinesi), l’anell contràctil es forma a la telofase i permet trencar la membrana fins a separar cèl·lules, aquest estrenyement de la membrana es fa gràcies a que l’actina s’associa a les ABPs que s’uneixen a l’actina i modulen les seves funcions (estabilitzen, permeten la polimerització) també permeten fer xarxes, feixos… Hi ha microfilaments d’actina que estan estabilitzats i formen estructures permanents (microfilaments estables…) hi ha també microfilaments inestables que formen estructures cel·lulars temporals (com l’anell contràctil).
ESTRUCTURA I COMPOSICIÓ L’actina té un solc al mig on hi ha un nucleòtid que pot ser ATP o bé ADP. Hi ha diferents formes (α actina- musculatura esquelètica- β, γ...). Les subunitats d’actinaG(globular) tenen aquest solc i en funció de a quin nucleòtid estigui unida l’actina té una conformació determinada, L’actina dins un filament és actina F on tenim les proteïnes globulars unides formant un filament, l’estructura/disposició és sempre igual , per tant sempre acaba amb una cua i comença amb un cap. Com que acaba i comença amb dues estructura diem que està polaritzada, i diem que té dos pols (negatiu i positiu). Al pol positiu hi trobem la cua de l’actina i al pol negatiu el cap.
Polimerització in vitro (al laboratori) Els estudis de polimerització in vitro han vist que la polimerització de l’actina es produeix en tres fases: -Nucleació -Creixement -Equilibri Fase de nucleació: els microfilaments d’actina no sorgeixen espontàniament, primer s’han de fer uns nuclis (trímers o bé de quatre actines), sobre aquests trímers formats pot créixer el microfilament bidireccionalment (pels dos pols). Si no hi ha aquests nuclis, el microfilament es forma més tard.
Fase de creixement: el creixement del filament es produeix als dos pols però la velocitat de creixement no es equivalent. El creixement en el pol positiu es 5-10 vegades mes ràpida que en el pol negatiu, això es deu a: -Manera que entren les subunitats de l’actina G a formar part del polímer d’actina F: el canvi conformacional que fa una actina G per entrar al pol positiu 2 Tema 14: Els elements del citoesquelet es molt petit i pot entrar ràpidament, en canvi el canvi conformacional que ha de fer l’actina G per entrar al pol negatiu és major i per tant es polimeritzarà més lent. Quan l’actina G està unida a ATP té molta afinitat per les altres subunitats de l’actina G i per tant té més capacitat d’entrada, un cop ha polimeritzat es produeix la hidròlisi de l’ATP ( no és obligatori que això passi) un cop això succeeix, l’actina està unida ADP, per la qual cosa fa que tingui poca afinitat per unir-se amb altres actines i per tant es despolimeritza. Si en un medi hi ha molt ATP, les actines tindran molta afinitat per elles mateixes, de manera que polimeritzarà més ràpid que la velocitat en que s’hidrolitza l’ATP, de manera que es forma un casquet d’actines unides a ATP que promou l’activitat. A l’altre pol el canvi conformacional es mes lent, per tant l’actina G unida a ATP tarda molt a entrar al polímer i per tant la velocitat en que entra és major a la que s’hidrolitza l’ATP, de manera que s’alenteix la polimerització.
Fase d’equilibri: el nombre de subunitats que entren per un pol són les mateixes que les que surten. A aquest estat s’hi arriba a una concentració determinada d’actina.
L’estat d’equilibri és una concentració d’actina anomenada concentració crítica, si aquesta concentració puja, el microfilament creixerà, si és menor, el microfilament decreixerà.
Els pols, per això, creixen a velocitats diferents, Això suposa que el pol negatiu i positiu tenen concentració crítica diferent, si es bloqueja un extrem (negatiu) es veu que la concentració critica d’actina és 0’1 micromolar, si es bloqueja l’extrem positiu i s’observa la concentració critica d’actina és 0’6 micromolar. Això implica que per fer créixer el microfilament pel pol negatiu ens cal molta més actina que pel pol positiu.
Això també implica un fenomen anomenat intercanvi rotatori o equilibri dinàmic: -Quan la concentració d’actina es troba entre les dues concentracions critiques dels pols el que succeeix és que un creix i l’altre decreix, per tant en condicions absolutes no creix ni decreix. Així doncs es produeix un equilibri dinàmic, el microfilament no creix ni decreix però hi ha un flux de subunitats a través del microfilament (sembla que les subunitats recorrin tot el microfilament).
Al laboratori es fan servir agents per manipular els microfilaments, per exemple la fal·loïdina el que fa es adherir-se als microfilaments i el que fa és que no puguin despolimeritzar. La citocalasina bloqueja tots els filaments (en l’extrem positiu), s’utilitza per bloquejar la citocinesi (es bloqueja l’anell contràctil).
In vivo: proteïnes d’unió a l’ACTINA In vivo, la concentració d’actina a les cèl·lules és molt gran (200 i 500 micromolar) això implica que la major part de l’actina d’una cèl·lula hauria d’estar polimeritzada, però això no succeeix, Podríem dir que la meitat està polimeritzada i la meitat estan en forma d’actina G, això succeeix gracies a que hi ha unes proteïnes (ABPs) que s’uneixen a l’actina tant en filaments com en subunitats i en modifiquen les seves funcions.
Si tenim microfilaments i s’hi uneixen aquestes proteïnes, per exemple la timosina (segresta l’actina que està unida a ATP), si s’uneix a aquesta actina que està preparada per polimeritzar, aquesta no polimeritzarà i per tant el filament no creixerà.
Algunes proteïnes, com la profilina faciliten el creixement del filament, el que fa es que quan l’actina surt del microfilament (que està unida a ADP) la profilina s’hi uneix i promou l’intercanvi del nucleòtid per ATP.
3 Tema 14: Els elements del citoesquelet PROTEÏNES NUCLEADORES DE MICROFILAMENTS D’ACTINA N’hi ha dos tipus: Formina: Forma microfilaments llargs Complex ARP: Forma filaments amb estructura de xarxa FORMINA Es un dímer que està compost pel domini FH2(anell) i té dos braços (domini FH3). El domini s’instal·la al pol positiu d’una actina G i es va desplaçant de tal manera que sempre la tenim al pol positiu del filament. En els braços de la formina s’hi enganxa la profilina (promou l’intercanvi d’ADP per ATP) de manera que tenim una font insaciable d’actines G-ATP preparades per polimeritzar.
COMPLEX ARP Està format per tres proteïnes (subunitats) diferents: -Complex ARP2 i ARP3, que no tenen gaire capacitat de nucleació.
-WASp, quan s’activa permet la interacció amb el complex ARP2 i ARP3, i indueix un canvi conformacional que fa que siguin funcionals i generin microfilaments. Els microfilaments d’actina sempre van cavalcats a un preformat que fa que tinguin disposició de xarxa.
PROTEÏNES MOTORES DE MICROFILAMENTS D’ACTINA MIOSINES: El moviment dels microfilaments ve donat per les proteïnes motores, les que s’uneixen als microfilaments són les miosines, la seva característica principal és que mitjançant la hidròlisi d’ATP generen un moviment. Les miosines podem dir que tenen un cap i una cua. El cap té capacitat d’unió i hidròlisi d’ATP i s’uneix sempre a microfilaments d’actina, per contra, la cua el que fa és unir-se a diferents tipus d’estructures (altres microfilaments, vesícules, membranes...).
Hi ha diferents tipus, la miosina 1 (o minimiosina) per exemple es pot unir a vesícules i fer moure-les. Té una cadena pesada i una lleugera.
Les miosines estan formades per una o dues cadenes pesades i una o més cadenes lleugeres o reguladores. (vermell=pesades, blau= lleugeres).
Les miosines normalment viatgen, caminen o es desplacen cap al pol positiu del microfilament (la miosina 4 va cap al pol negatiu!).
Tant la minimiosina com la miosina II són miosines que s’uneixen al microfilament es mouen i s’alliberen i això ho fan successivament, per contra, la miosina V no abandona mai el microfilament d’actina, quan avança ho fa deixant un cap enganxat al microfilament. Les passes que fan les miosines varien segons el diàmetre entre els caps. Les miosines V van fent passes per sobre les actines, no sempre estan sobre les mateixes actines.
4 Tema 14: Els elements del citoesquelet La miosina 2 la troben formant el sarcòmer muscular, cinturó cel·lular, bandes d’adhesió, i anell contràctil. Està formada per dues cadenes pesades i dues cadenes lleugeres. Normalment la miosina la trobem amb les potes plegades (inactiva), perquè es desplegui s’han de fosforilar les cadenes lleugeres (2 fosforilacions) això provoca que les cadenes pesades es despleguin i per tant la miosina s’activi. Això es important per estructures que són transitòries.
Les miosines quan es fosforilen i es despleguen poden formar filaments bipolars de miosina II, aquests filaments bipolars són els que es situen entremig de dos microfilaments amb polaritats oposades. La miosina dos avança (hidrolitzant ATP i movent els caps) cap al pol positiu, però quan avancin tiraran el microfilament enrere per les dues bandes, això es el que genera un lliscament dels microfilaments.
La miosina quan no està unida al nucleòtid, està unida fortament al microfilament d’actina, quan entra ATP, el cap es desenganxa de l’actina i es produeix un canvi conformacional que provoca un moviment del cap cap endavant (hidròlisi d’ATP), llavors la miosina es queda unida a una actina de més endavant, a continuació s’allibera el fosfat, el que produeix un moviment del microfilament cap enrere. Això va passant successivament i el microfilament es va movent.
L’estructura on hi ha filaments bipolars de miosina amb microfilaments d’actina està a l’anell contràctil, el sarcòmer muscular, el cinturó cel·lular i les bandes d’adhesió.
ESTRUCTURES FORMADES PER MICROFILAMENTS Cèl·lules musculars esquelètiques Les miofibril·les, formades per sarcòmers, són microfilaments d’actina que estan estabilitzats per les dues bandes, entremig hi ha els filaments bipolars de miosina que són estables. Les zones fosques representen el solapament de les dues fibres, i les zones més clares els llocs on només hi ha microfilaments d’actina. La contracció consisteix en reduir la mida del sarcòmer respecte al sarcòmer relaxat, això es deu a que els caps de les miosines avancen cap al pol positiu, llavors els filaments bipolars s’estrenyen per la qual cosa s’estreny el sarcòmer. Per tal de fer la contracció es necessita ATP i la presència de Calci.
En el sarcòmer muscular relaxat hi ha dues proteïnes més: la tropomiosina i el complex de les troponines (troponina I-inhibidora, troponina C-d’unió al calci i troponina T-d’unió a la tropomiosina). Quan no hi ha calci, la tropomiosina (en verd al dibuix) està bloquejant el lloc específic on la miosina s’uneix a l’actina . Quan s’allibera calci, el complex de les troponines es desplaça: la troponina C s’uneix al calci, provoca un canvi conformacional al complex que permet a la tropomiosina desplaçar-se i deixar a la vista el lloc d’unió actina-miosina.
Cèl·lules no musculars En elles els microfilaments d’actina poden formar diferens complexs: -Xarxes (redes): microfilaments d’actina entrelligats (de manera no organitzada), són típiques del còrtex (rodegen per sota de la membrana), o en els lamelipodis.
L’espectina per exemple, pot unir petits microfilaments d’actina.
5 Tema 14: Els elements del citoesquelet -Feixos paral·lels : interaccionen amb unes determinades proteïnes.
-Rígids: una proteïna que els forma és la fimbrina, que té dos llocs d’unió al microfilament. Formen les microvellositats i els filopodis.
-Contràctils: són feixos paral·lels, però les proteïnes que uneixen els microfilaments tenen peculiaritats, la α actinina, per exemple, només es pot unir a un microfilament, llavors es fan dímers d’α actinina de polaritats oposades. Es troben a les bandes d’adhesió, fibres d’estrès i anell contràctil.
La diferencia entre feixos rígids i contràctils es la presència o no de proteïnes motores.
En els rígids, els microfilaments estan tant empaquetats un sobre de l’altre que i permeten l’entrada de filaments de miosina , els contràctils són prou grans per deixar que entrin els filaments de miosina.
En general podem parlar d’estructures estables i no estables: Les microvellositats o bé les bandes d’adhesió en les cèl·lules són estables i hi són sempre presents, el dinamisme entre els filaments que els formen és molt baix. En el còrtex cel·lular, els microfilaments sempre hi són però estan en constant dinamisme de polimerització i despolimerització.
Alhora, tenim estructures que es formen en un determinat moment i després desapareixen (no estables): -Anell contràctil: nomes es forma en la mitosi.
-Lamelipodis i filopodis: es formen només quan una cèl·lula ha de moure’s per una superfície.
-Fibres d’estrès: molt abundants quan les cèl·lules estan adherides en una superfície.
BANDES D’ADHESIÓ (feixos paral·lels contràctils) Són unions cèl·lula-cèl·lula que depenen de microfilaments d’actina. Aquestes unions es formen en les cèl·lules epitelials i estan formades per proteïnes transmembranals que es connecten d’una cèl·lula a una altra. Les proteïnes transmembranals estan connectades als microfilaments d’actina, aquests, recorren per sota la membrana plasmàtica (com un cinturó) tota la cèl·lula epitelial, de tal manera que es connecta tot un epiteli. Les bandes d’adhesió poden ser contràctils, és important en els següents processos: -Gastrulació embrionària: quan es formen les tres capes en l’embrió, es deforma l’epiteli formant una invaginació (gastrulació) -Formació del tub neural: l’ invaginació es separa de l’epiteli i forma el tub neural.
Tot això es possible pel lliscament d’actines sobre miosines.
6 Tema 14: Els elements del citoesquelet FIBRES D’ESTRÈS (feixos paral·lels contràctils) Participen en unions cèl·lula-matriu: contactes focals o plaques d’adhesió. La membrana plasmàtica té proteïnes transmembranals que reconeixen components de la matriu a la que s’enganxen (com per exemple la integrina). Les proteïnes transmembranals també poden estar connectades amb el citoesquelet de microfilaments d’actina (si estan units a filaments intermedis parlem d’hemidesmosomes). Els microfilaments d’actina van d’una placa d’adhesió a una altra. Així formen les fibres d’estrès.
ANELL CONTRÀCTIL (feixos paral·lels contràctils) Es fa i es desfà, apareix al final de l’anafase i quan la cèl·lula es divideix desapareix.
L’anell contràctil es forma gràcies a processos de senyalització cel·lular i es necessiten microfilaments d’actina i filaments bipolars de miosina. El procés està mediat per la GTPasa anomenada Rho que s’activa en un determinat moment i que mitjançant la activació de diferents proteïnes activa feixos paral·lels de miosina i actina, Quan Rho està activa, activa la formina, una proteïna nucleadora de microfilaments d’actina.
Mitjançant l’activació d’altres proteïnes activem la cafena o fosforilem la cadena lleugera de la miosina II, quan la cadena lleugera esdevé fosforilada es deplega i forma filaments bipolars de miosina que es cavalquen entre els d’actina. La Rho nomes s’activa al lloc on es produeix la citocinesi.
MICOVELLOSITATS (feixos paral·lels rígids) Formades per 30-40 microfilaments d’actina que formen feixos gracies a proteïnes que els uneixen que tenen el seu pol positiu a l’extrem de la microvellositat on hi ha una substància amorfa, tenen capacitat de polimeritzar. Els microfilaments entren cap a dins la cèl·lula i interaccionen amb el còrtex XARXES (còrtex cel·lular) Formen el còrtex cel·lular. Existeixen diferents proteïnes que entrecreuen els microfilaments. Els microfilaments d’actina estan connectats entre ells gràcies a la proteïna d’unió a l’actina que és l’espectrina, els microfilaments d’actina es connecten a la membrana gràcies a la interacicó amb altres proteïnes (espectrina gràcies a banda 41 s’uneix a la glucoforina). Aquesta xarxa que està fixada i pot ser dinàmica, permet més tensions en una banda i que la membrana es remodeli i pugui suportar tensions.
MOVIMENTS CEL·LULARS Desplaçament de fibroblasts en cultiu: Tenim un fibroblast sobre un substrat, perquè una cèl·lula camini ha de fer 4 passos: -Extensió de la membrana plasmàtica: s’allarga gracies a la polimerització dels microfilaments, gracies a aquesta força, es desplaça la membrana cap endavant.
-Falcar la prolongació de la superfície: es generen contactes focals i es formen fibres d’estrès.
-Moviment o retracció de la resta de la cèl·lula cap endavant (translocació): les fibres d’estrès de miosina II pateixen una contracció que tira la cèl·lula endavant.
7 Tema 14: Els elements del citoesquelet -Trencament de les adhesions cel·lulars: els contactes focals desapareixen.
Lamelipodis i filopodis: Per tal de generar les protuberàncies s’ha de polimeritzar l’actina, es formen dues estructures: -Lamelipodis: xarxes de filaments d’actina laxes.
-Filopodis: són digitacions (feixos) de filaments d’actina paral·lels i rígids. A la punta dels filopodis es formaran els contactes focals.
Si fem una immunofluorescència veiem que el complex ARP es troba en el front d’avançada. També veiem que hi ha cofilina però no just davant del front d’avançada.
En el front d’avançada el complex ARP nuclea els microfilaments perquè puguin formar xarxes, per tant necessito molta actina unida a GTP, el que fa la cèl·lula es despolimeritzar la xarxa final gracies a la cofilina i hi ha un flux de nucleòtids (GTP) que permet que les actines tornin a polimeritzar just en el front d’avançada.
La miosina II es situa darrere perquè ha de produir la contracció.
Reorganització del citoesquelet prèvia a la divisió cel·lular: A la divisió cel·lular és necessari que la cèl·lula es desenganxi de la superfície on està adherida per tal de dividir el seu citoplasma. En aquest cas parlem d’un cultiu cel·lular on les cèl·lules estan enganxades a la superfície per contactes focals, en la divisió les cèl·lules del cultiu es desenganxen de la superfície i es tornen més arrodonides (es pot veure un canvi de morfologia en un m.o de contrast de fases).
Ex/La listeria té unes cues d’actina que gràcies a la seva polimerització es pot moure dins la cèl·lula, la listeria pot polimeritzar l’actina gràcies a que té una proteïna que activa les proteïnes ARP de la cèl·lula.
8 ...