Interacción celular
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INTERACCIÓN DE LAS CÉLULAS Y SU ENTORNO y CITOESQUELETO Y MOTILIDAD CELULAR El espacio extracelular. Fuera de las células existen diferentes tipos de materiales que la rodean y que ayudan a su interacción con otras células; como por ejemplo los carbohidratos adheridos a proteinas integrales de membrana que forman una delgada capa en el exterior de la célula denominado Glicocáliz, además de esto la célula secreta otros materiales distintos a carbohidratos que junto con estos conforman un material extracelular de diferente densidad según el tipo celular, este material media gran numero de interacciones célula−célula y célula−matriz, además de esto el Glicocáliz suministra protección mecánica a la célula y sirve como barrera contra partículas que lleguen hasta la membrana. La MEC es una red organizada de materiales extracelulares que se hallan relativamente mas lejos de la membrana plasmática, y consta de proteinas y polisacáridos; esta MEC también adopta diferentes configuraciones morfológicas que dependen de la actividad de la célula y por ende del tejido. Lamina Basal Capa de unos 50 a 200 nm que rodea células musculares y adiposas y que cubre la superficie basal de los tejidos epiteliales, se cree que la membrana basal participa en el mantenimiento de la polaridad de las células epiteliales, en la migración celular, en la compartamentalización de órganos en desarrollo y además servir como barrera al paso de macromoléculas, como por ejemplo en la sangre evitando que las proteinas salgan cuando fluyen a través de los poros de las paredes capilares (riñón), la MEC también sirve para evitar la invasión tisular de células cancerosas errantes. Las MEC muy extensas pueden observarse en tejidos conectivos como cartílago, hueso, tendones y el estroma de la cornea. En estos tejidos las células que secretan la MEC son pocas en relación con el tejido; gracias a lo cual confieren las características tipicas de estos tejidos (dureza, elasticidad, transparencia etc.) a pesar de que las características de las MEC son diferentes; la mayoría esta constituida por un grupo cerrado de familias moleculares escritas a continuación: Colágeno Es una familia de glucoproteinas fibrosas, que se caracterizan por su alta resistencia a fuerzas de tensión y de tracción, el colágeno constituye la proteína simple mas abundante del cuerpo humano (25% del total de proteinas) A nivel estructural una molécula de colágeno está compuesta por tres polipéptidos, (de igual o diferente composición de aminoácidos) que se enrollan paralelamente para formar una hélice de 3.3 residuos por giro. Esta estructura secundaria es característica de la colágena y por ende se ha dado en llamarla la hélice de colágena. El colágeno es producido en su mayoría por fibroblastos en los tejidos conectivos, se han identificado aproximadamente 15 tipos de colágeno; que se caracterizan por restringirse a una zona especifica del cuerpo, aunque también se encuentran asociados en algunas MEC estos tipos de colágeno pueden estar constituidos por un solo tipo de cadena o por varios, como por ejemplo el colágeno tipo I que esta constituido por dos cadenas I y una II, algunos de los miembros de esta familia se caracterizan por constituir fibras (I, II, III) Las moléculas de colágeno no se alinean de forma paralela sino escalonada; esta disposición le permite proveer de resistencia mecánica al complejo; además de esto las moléculas de colágeno se unen transversalmente de manera covalente gracias a la lisina e hidroxilisina de moléculas adyacentes. 1 Otra de las funciones del colágeno dentro de la matriz extracelular es la de constituir una armazón insoluble que determina las propiedades mecánicas de la matriz así como las propiedades particulares de algunos tejidos. Proteoglicanos Además del colágeno las MEC contienen un complejo característico proteinicopolisacárido llamado proteoglicano que consta de una proteína central a la cual se unen moléculas de glicosaminoglicanos (GAG) cada molécula de estos GAGs posee la estructura A−B−A−B donde A y B representan dos azucares diferentes, los GAGs son ácidos debido a la presencia de grupos sulfato y carboxilo unidos a los anillos de los azucares. Los proteoglicanos se asocian con el colágeno dentro de la MEC para caracterizar a un tejido, por ejemplo en el tejido cartilaginoso, el colágeno forma la matriz extracelular al ser expulsado por los condrocitos que quedan aprisionados en sus propias secreciones, y los Proteoglucanos forman una matriz amorfa que llena el espacio extracelular, debido a la carga negativa generadas por los GAGs los Proteoglucanos pueden enlazarse a numerosos cationes, que a su vez arrastran moléculas de agua formando con esto un gel poroso hidratado resistente a fuerzas de compresión; es decir que en conjunto el colágeno y los proteoglicanos proveen de resistencia a la deformación a tejidos como el cartílago. Una de las familias mas importantes de proteoglicanos constituyentes de MEC son los heparina sulfato proteoglicanos (HSPG) que también desempeñan funciones de superficie, esta familia incluye también Sindícanos, Betaglicanos y el CD44 la proteína central de esta familia rodea a la membrana plasmática en tanto los GAGs se unen al dominio extracelular de la proteína, se cree que el domino citoplasmático de la proteína se une al citoesqueleto y que el dominio extracelular(el GAG unido a la proteína) se une a proteinas de la MEC, además de factores de crecimiento, moléculas difusibles y enzimas. Las HSPG son un ejemplo de moléculas que forman un puente de comunicación entre el exterior y el interior celular, ya que su disposición permite la transmisión de señales extracelulares que pueden influir en el comportamiento celular; como motilidad, adherencia, crecimiento, diferenciación e incluso apoptosis. Fibronectina, Laminina y Otras La Fibronectina es una proteína extracelular constituyente de la MEC que posee varios dominios con funciones particulares: 1) tiene dominios que se enlazan a otros componentes de MEC como colágeno y GAGs específicos ayudando así al mantenimiento de la morfología de la matriz 2) Sitios de enlace para receptores situados sobre la superficie celular que sirven para mantener una unión estable entre la MEC y la célula. La Fibronectina es por tanto muy importante en procesos activos de los tejidos, como las observadas durante el desarrollo embrionario, el desarrollo se caracteriza por la migración celular que obligan a las células a dirigirse hacia diferentes sitios del embrión, muchos estudios muestran que las fibrillas de Fibronectina a menudo se sitúan en las vías que las células prefieren para desplazarse, por ejemplo las células de la cresta neural que se desplazan afuera del sistema nervioso en desarrollo hacia las demás cavidades del embrión atraviesan vías ricas en Fibronectina lo cual puede inhibirse agregando anticuerpos específicos para el dominio de reconocimiento dichas fibronectinas. La Laminina es otra glucoproteina de MEC, que también posee varios sitios de unión específicos, además de enlazarse fuertemente a receptores de superficie celular puede unirse con otras lamininas, a moléculas de 2 heparan sulfato proteoglicanos y a colágeno tipo IV formando con estas ultimas una armazón porosa, además de esto la Laminina tiene capacidad reguladora e influye en el crecimiento y diferenciación celular, tiene gran importancia como guía del trayecto de axones durante el desarrollo embrionario, y también se cree que juega un papel importante en la diseminación de células cancerosas, la MEC también cuenta con proteinas como la Tenasina, Entactina y trombospondina la Tenasina es una proteína oligomerica grande que se observa en la superficie de células embrionarias y tumorales, se cree que el papel de la Tenasina es netamente antiadherente, la entactina es componente de la membrana basal en donde se enlaza a la Laminina, se cree que juega un papel importante en la adherencia y penetración del embrión primitivo por su parte la Trombospondina se encuentra en concentraciones importantes en la MEC que rodea el revestimiento de los vasos sanguíneos maduros en donde parece inhibir la angiogenesis CITOESQUELETO Y MOTILIDAD CELULAR Motores Moleculares Las principales familias de proteinas motoras son Miosinas, Quinesinas y Dineinas. De estas familias las Quinesinas y las Dineinas se mueven a lo largo de vías consistentes en microtubulos en tanto que las miosinas se desplazan a lo largo de vías formadas por microfilamentos, en la actualidad no se conocen proteinas motoras que utilicen filamentos intermedios para su desplazamiento, las proteinas motoras del citoesqueleto son transductores mecanoquimicos ya que convierten la energía química en energía mecánica que se emplea para desplazar las cargas celulares fijas al motor (vesículas, mitocondrias, lisosomas, cromosomas e incluso filamentos), se cree que las proteinas motoras se mueven en una sola dirección a lo largo del citoequeleto y de un lado a otro, a lo largo de su recorrido la proteína sufre cambios conformacionales que constituyen un ciclo mecánico que acoplado al ciclo químico proporciona la energía necesaria para actuar como combustible del movimiento. Ciclo químico Enlace de ATP al motor ! hidrólisis de ATP para formar ADP y Pi!liberación de productos del motor!enlace de un nuevo ATP, este ciclo se repite una y otra vez con el fin de transportar la carga a lo largo del microtubulo. Microtubulos Los microtubulos son estructuras cilíndricas huecas, cuya polimerización puede dar lugar a variadas estructuras como el citoesqueleto, el huso mitótico y el núcleo central de los cilios y flagelos. Los microtubulos tienen un diámetro externo de 24nm, una pared de 5nm y su longitud es muy variable, la pared del microtubulo a su vez esta compuesta por subunidades globulares, cada subunidad consta de una molécula de Tubulina. Las subunidades se disponen en hileras longitudinales llamadas Protofilamentos, alineados paralelamente al eje mayor del túbulos, los microtubulos tienen casi siempre 13 subunidades que rodean la pared. El ensamble de los microtubulos ocurre por incorporación de bloques dimericos, conformados cada uno por una alfa y una beta Tubulina, es decir que es un heterodimero por lo cual el protofilamento presenta una estructura asimétrica con alfa Tubulina en un extremo y beta Tubulina en el otro, es decir un extremo mas y un extremo menos. Proteinas Relacionadas con Microtubulos (PRM) La mayor parte de PRM se encuentran en el tejido cerebral, sin embargo la PRM4 se encuentra ampliamente distribuida, algunos de los miembros de esta familia se caracterizan por tener una porción globular de fijación 3 al microtubulo y una porción filamentosa que se extiende hacia fuera de la superficie del microtubulo; las PRM también pueden interconectar microtubulos entre si, otras PRM pueden incrementar la estabilidad de los microtubulos, aumentan la velocidad de ensamblado o alteran su rigidez, la funcionalidad de las PRM es controlada principalmente por la adición o eliminación de grupos fosfato por quinasas en un residuo particular aminoácido. Proteinas PRM1A PRM1B (PRM5) Vesiquina PRM2A PRM2B PRM4 PRM3 Dinamina PRM tau Peso molecular kD 350 325 295 270 270 200 180 100 70 50−65 Presencia Tejido nervioso Tejido nervioso Tejido nervioso Tejido nervioso Tejido nervioso Ampliamente distribuido Ampliamente distribuido Tejido nervioso Tejido nervioso Tejido nervioso Función de los Microtubulos • Constituyen el esqueleto interno o armazón que da apoyo estructural y ayuda a mantener la posición de los organelos • hacen parte del mecanismo que desplaza cargas dentro de la célula • elementos móviles de cilios y flagelos • componentes importantes del mecanismo de meiosis y mitosis Microtubulos Como Apoyo Estructural • Los microtubulos suministran apoyo mecánico, resistiendo fuerzas de compresión, como las ejercidas por el citoplasma durante su contracción. • La distribución de los microtubulos citoplasmáticos define la morfología de la célula • Ayudan al mantenimiento de la polaridad de algunos tipos celulares • Tienen gran importancia en el mantenimiento de los axones neuronales y para el desplazamiento de partículas y vesículas citoplasmáticas a lo largo del axón. • Durante el desarrollo del embrión los microtubulos mantienen la forma del axón a medida que esta crece hacia los tejidos embrionarios periféricos, se ha demostrado que la ausencia de los microtubulos durante este periodo ocasiona el retorno del axón a la célula y el cese de la prolongación. Microtubulo en la Motilidad Intracelular Gracias a los microtubulos las macromoléculas y organelos pueden moverse en el interior de la célula, esto es necesario para que los distintos sustratos lleguen a los organelos específicos o viceversa. Por ejemplo el transporte vesicular de un compartimento al otro en una célula depende de microtubulos, así mismo en el transporte axonal la célula sintetiza múltiples productos dentro del cuerpo celular pero debe transportarlos hacia y a lo largo del axón, en un proceso en el que intervienen ampliamente los microtubulos, además de esto este transporte es llevado a cabo de manera muy rápida y eficiente, lo cual permite ver la importancia de los microtubulos en el SNC, se dice que los materiales que viajan desde el cuerpo celular hacia el extremo de la neurona lo hacen de manera anterograda y otros materiales como vesículas endociticas formadas por el axon que transportan factores reguladores de células especificas, se mueven en dirección 4 retrograda desde la sinapsis hacia el cuerpo celular. Los axones poseen gran cantidad de material citoesquelético como haces de microfilamentos, filamentos intermedios y microtubulos interconectados entre si de diferente manera. Motores Microtubulares y Motilidad Las proteinas encargadas del movimiento de materiales a lo largo de los microtubulos son las Quinesinas y las Dineinas citoplasmáticas: Quinesinas La quinesina es una proteína grande compuesta por varios dominios, que incluyen dos cabezas (cadena pesada) que actuan como motores generadores de fuerza y una cola en forma de abanico que se engancha a la carga que debe arrastrar, esta proteína pertenece a una familia llamada Proteinas Parecidas a Quinesinas (PPQ o QRP), el dominio motor de los miembros de esta familia tiene una secuencia de a.a semejante, lo cual deja ver la similitud en su función de movimiento sobre los microtubulos, en tanto que las colas tienen diversas secuencias directamente relacionadas con la carga especifica que deben enlazar. Además de esto se ha podido demostrar que las Quinesinas se mueven hacia el extremo mas del microtubulo, se cree por tanto que la quinesina es responsable del transporte axonal retrogrado. Las Quinesinas funcionan a través de un puente transverso dependiente de la hidrólisis de ATP. A lo largo de un protofilamento solo puede desplazarse una quinesina con velocidad proporcional a la hidrólisis de ATP es decir hasta 900nm/seg como máximo. La quinesina no se desplaza de manera continua sino más bien por pasos separados de 8 ml, lo que corresponde a la longitud de un dimero de Tubulina, esto sugiere que las Quinesinas se desplazan sobre los microtubulos avanzando cada vez sobre dos subunidades globulares. La actividad de las Quinesinas no se restringe a las células del sistema nervioso, pues también se han encontrado en otras células donde su papel principal es el de transportar vesículas hacia la membrana plasmática celular. Dineina Citoplasmática Se cree que la dineina citoplasmática es una proteína ubicua entre todos lo ecucariotas, ya que aunque primero fue descrita como una proteína causante de la motilidad de cilios y flagelos, después fueron hallados polipéptidos similares en el citoplasma de gran numero de células. Estructuralmente la Dineina es una proteína muy grande que pesa mas de un millón de Daltons, y que esta compuesta por unas 9 o 10 cadenas polipeptídicas. Uno de sus dominios lo constituyen dos cabezas globulares que funcionan como motores generadores de fuerza en dirección menos; esto sugiere dos funciones como minimo: • Agente generador de fuerza para el movimiento de cromosomas durante la mitosis • Motor dirigido al extremo menos del microtubulo para el movimiento de vesículas y organelos membranosos a través del citoplasma. A partir de esto se puede plantear un modelo muy simple en donde la quinesina transporta materiales hacia el extremo mas y la dineina lo hace hacia el extremo menos de un mismo microtubulo. El centrosoma es una estructura compleja que contiene dos centríolos en forma de barril rodeados por 5 material pericentriolar, los centríolos son estructuras cilíndricas de unos 0.2 micrómetros de diámetro y 0.4 de largo, los centríolos contienen nueve fibrillas espaciadas a una misma distancia, estas fibrillas pueden apreciarse como tres microtubulos (A, B y C) conectados al centro del organelo mediante un rayo radial. Los centríolos casi siempre se encuentran en pares sujetados en angulo recto entre si, generalmente el centrosoma se ubica al lado del núcleo, siendo este un lugar en donde convergen muchos microtubulo. A pesar de ser constituyentes principales del centrosoma, los centríolos no parecen establecer una unión con los microtubulos, sino que mas bien estos empiezan a polimerizarse desde la matriz pericentrional del centrosoma de el extremo menos al más Propiedades Dinámicas de los Microtubulos Aunque los microtubulos son morfológicamente parecidos sea cual sea su localización, hay diferencias importantes en la establidad de los polimeros, por ejemplo los microtubulos del huso mitótico son muy susceptibles a desensamblaje, los de las neuronas son mas estables y los de los cilios y flagelos son muy estables. Existen varios factores que pueden afectar la establildad de los microtubulos: • temperaturas frias • la presion hidrostática • concentraciones elevadas de Ca2+ y el empleo de sustancias químicas como la colchicina, la vinblastina, vincristina, nocodazol y podofilotoxina el Taxol interrumpe la actividad dinámica de los microtubulos de forma diferente, enlazándose al polímero y evitando su desensamblaje. La polimerización de los microtubulos ocurre por medio de interacciones no covalentes, esto es muy importante ya que la inestabilidad de los microtubulos permite cambios dinámicos en su estado y organización estructural lo cual resulta de gran utilidad para múltiples funciones celulares. Tanto la polimerización como el desensamblado de los microtubulos puede ocurrir en cualquiera de los dos extremos, aunque estos dos procesos ocurren de manera más rápida en el extremo más, además de esto se cree que en los sistemas in vivo estos procesos ocurren predominantemente en el extremo mas. El ensamblaje de los microtubulos requiere de la unión de GTP a la unidad B de los dimeros de Tubulina, sin embargo no requiere de la hidrólisis de GTP sino que mas bien el GTP se hidroliza a GDP después de que el dimero se ha ensamblado al microtubulo, después el GDP permanece enlazado al polímero ensamblado. Cuando un dimero se desensambla del microtubulo el GDP es intercambiado por un nuevo GTP para volverse a unir a un microtubulo. La célula utiliza este método probablemente por que al ser tan costoso energéticamente puede ser igualmente regulado tanto en su ensamblado como en su desensamblado, de manera independiente, es decir un dimero se añade unido a GTP y por tanto tiene mayor afinidad por las subunidades que poseen GTP que por las que poseen GDP, como resultado es de esperar que la presencia de Tubulina y GTP en un extremo del protofilamento favorezca la unión de otro dimero en tanto que un dimero de GDP favorecería su liberación. Cilios y Flagelos Son organelos móviles en forma de pelo proyectados desde la superficie de gran cantidad de células eucariota, los cilios y los flagelos comparten la misma estructura, pero utilizan metodos diferentes de movimiento, los 6 cilios pueden compararse con remos ysuelen encontrarse en gran numero sobre la superficie de la célula, en los organismos multicelulares los cilios son usados para desplazar liquido y partículas a través de conductos, por ejemplo los cilios presentes en el epitelio que reviste el conducto respiratorio impulsa hacia fuera el moco y los desperdicios atrapados. Los flagelos son mas largos que los cilios y presentan menor numero en la superficie celular, para imprimir movimiento el flagelo hace un movimiento ondulatorio arrastrando a la célula en dirección paralela al eje longitudinal del flagelo. Estructura de Cilios y Flagelos Toda la extensión del cilio o del flagelo esta cubierta por membrana plasmática, el centro del cilio (axonema) contiene microtubulos que corren longitudinalmente a través de todo el organelo, el axonema consta de nueve microtubulos periféricos dobles con la misma polaridad, (su extremo mas en la punta de la prolongación y su extremo menos en la base) cada doblete periferico consta de un microtubulo completo Túbulo A y uno incompleto o Túbulo B que contiene de 10 a 11 subunidades en vez de las 13 habituales, los dobletes se unen entre si por medio de un puente de nexina, tanto los cilios como los flagelos son originados a partir de un centro organizador de microtubulos particular llamado Corpúsculo Basal que al igual que los cilio y flagelos contiene nueve fibras periféricas pero cada una consta de tres microtubulos uno completo A y dos incompletos B y C. Brazos de Dineina La dineina es una proteína motora encargada de convertir energía química (ATP) en energía mecánica para el movimiento ciliar. Mecanismo de locomoción de Cilio y Flagelos El movimiento ciliar puede explicarse como el desplazamiento relativo de dobletes Microtubulares adyacentes, en este modelo los puentes de dineina actuan como puentes transversales que al retorcerse generan la fuerza requerida para el movimiento. El túbulo A se fija al túbulo B de un doblete adyacente, sufriendo un cambio conformacional que provoca que el túbulo A se deslice a una distancia considerable hacia la base del túbulo B al que esta fijo el brazo de dineina, se desprende del túbulo B e inicia un nuevo ciclo para que el desplazamiento de los microtubulos incline el cilio o el flagelo, alguna sección del axonema mostrar resistencia al desplazamiento, por esto se cree que los enlaces entre dobletes y/o los rayos radiales suministran dicha resistencia. Los microfilamentos miden aproximadamente 8 nm de diámetro y están compuestos por Actina, que es una proteína con dos dominios separados por una hendidura profunda y conectados entre si corta sección o bisagra del eje longitudinal, en presencia de ATP las subunidades de actina pueden polimerizarse para formar un filamento flexible formado por dos cadenas de moléculas de actina entrelazadas en doble hélice, cada filamento de actina posee la misma polaridad y por tanto el microfilamento que constituyen también la tiene, dependiendo esta polaridad de la función celular en que esta implicado el microfilamento. La mayoría de especies evolucionadas poseen genes que codifican para actinas que constituyen una familia de proteinas con características y secuencias similares, pero especializados en diferente tipo de motilidad. Ensamblado y Desensamblado de Microfilamentos Los monómeros de actina requierende AT para ensamblarse, auque su ensamblaje no requiere de la hidrólisis 7 de ATP sino que mas bien el ATP se hidroliza a ADP luego de la incorporación, por consiguiente durante un ensamblado rápido el extremo del filamento tiene un casquete Actina−ATP que ayuda a mantener ensamblada la estructura. El microtubulo también posee un extremo de ensamblado rápido y otro de ensamblado lento es decir un extremo más y un extremo menos, siendo el extremo menos el lugar de desensamblaje y el extremo más el lugar de adhesión en un proceso continuo que se conoce como trafico. De lo anterior se entiende que los microfilamentos también presentan un comportamiento dinámico y regulado como los microtubulos, y tal como estos algunas condiciones de la célula pueden interferir en la estabilidad del microtubulo, como la citocalacina que se une a los microfilamentos aumentando la velocidad de despolarización, o la faloidina que estabiliza los microfilamentos haciéndolos inservibles para las actividades dinámicas de la célula. Polimerización De Actina Para La Generación De Fuerza La fuerza generada para algunos procesos celulares es directamente obtenida de la polimerización de microfilamentos de actina, por ejemplo durante la reacción acrosomica en la cual crecen filamentos en el extremo frontal del espermatozoide, estos filamentos acrosomicos efectúan el contacto inicial con la superficie del óvulo. Miosina Las miosinas son proteinas motoras que actuan junto con los filamentos de actina, es decir que la única función conocida de la miosina es actuar como un sistema generador de fuerza en presencia de actina. Las miosinas se mueven hacia el extremo más de los microfilamentos, La miosina convencional es la de tipo II y la no convencional es la tipo I, ambos tipos están presenten en las células eucariotas: Miosina II Las miosinas de tipo II generan fuerza en diferentes tejidos musculares y en algunas actividades celulares como la citosinesis. Estructuralmente consta de seis cadenas polipeptídicas (un par de cadenas pesadas y dos pares ligeras), cada molécula contiene una cola en forma de varilla fija a dos cabezas globulares, la cola es conformada por el entrelazamiento de secciones alfa helicoidales formando una espiral. Se a podido determinar que el mecanismo requerido para la actividad motora esta incluido en un solo domino de la cabeza, la porción fibrosa de la cola media el ensamblaje de miosina en filamentos. Las moléculas de miosina se ensamblan de modo que los extremos de las colas apunten hacia el centro del filamento. Miosina I Esta misosina solo tiene una cabeza y es incapaz de formar filamentos por polimerización, las miosinas de tipo I se caracterizan por poseer una sola cadena pesada y una o varias cadenas ligeras. La miosina I también es capaz de generar movimiento dependiente de ATP a lo largo de los filamentos de actina 8
