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Tomado de La Célula
de Cooper. Marban
00, 2da edición
11 Citoesqueleto y movimiento celular
(segunda parte)
Filamentos intermedios
Los filamentos intermedios tienen un diámetro de unos 10 nm, el cual es intermedio entre los diámetros
de los otros dos elementos principales del citoesqueleto, los filamentos de actina (de unos 7 nm)
y los microtúbulos (de unos 25 nm).
TABLA 11.1 Proteínas de los filamentos intermedios
Tipo
Proteína
Tamaño (Kd)
Queratinas ácidas (∼ 15
I
40-60
proteínas)
Queratinas neutras o básicas (∼ 15
50-70
II
proteínas)
Vimentina
54
Desmina
Proteína ácida fibrilar glial
Perinefrina
Proteínas de neurofilamentos
NF-L
NF-M
NF-H
α-Internexina
53
51
57
67
150
200
66
V
Láminas nucleares
60-75
VI
Nestina
200
III
IV
Lugar de expresión
Células epiteliales
Células epiteliales
Fibroblastos, glóbulos
blancos sanguíneos y
otros tipos de células
Células musculares
Células gliales
Neuronas perifericas
Neuronas
Neuronas
Neuronas
Neuronas
Lámina nuclear de todo
tipo celular
Células madre del sistema
nervioso central
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A diferencia de los filamentos de actina y de los microtúbulos, los filamentos intermedios no
están directamente implicados en los movimientos celulares.
Parecen desempeñar básicamente
un papel estructura¡ proporcionando resistencia mecánica a las células y tejidos.
Proteínas
de
intermedios
los
filamentos
Mientras que los filamentos de actina y los microtúbulos son polímeros constituidos por un solo tipo
de proteínas (actina y tubulina, respectivamente), los filamentos intermedios están compuestos por
diversas proteínas que se expresan en distintos tipos de células. Más de 50 proteínas diferentes de
filamentos intermedios han sido identificadas y clasificadas en seis grupos en función de las
similitudes entre sus secuencias de aminoácidos (Tabla 11.1). Los tipos I y II son dos grupos de
queratinas, constituidos cada uno por aproximadamente 15 proteínas diferentes, que se expresan en las
células epiteliales. Cada tipo de célula epitelial sintetiza al menos una queratina de tipo I(ácida) y
una de tipo II (neutra/básica), que copolimerizan para formar filamentos. Algunas queratinas de tipo
I y II (denominadas queratinas duras) son constituyentes de estructuras tales como pelo, uñas y
cuernos. Las otras queratinas de tipo I y II (queratina blandas) son abundantes en el citoplasma de
las células epiteliales, expresándose queratinas diferentes en los distintos tipos celulares diferenciados.
Las proteínas tipo III de filamentos intermedios incluyen a la vimentina, que se encuentra en
diferentes tipos de células, incluyendo fibroblastos, células de músculo liso y glóbulos blancos
sanguíneos. Otra proteína tipo III, la se expresa de manera específica en las células musculares, donde
conecta los discos Z de los elementos contráctiles individuales. Una tercera proteína tipo III de
filamentos intermedios se expresa de forma específica en las células gliales, y una cuarta en neuronas
de¡ sistema nervioso periférico.
Las proteínas tipo IV de filamentos intermedios incluyen a las tres proteínas de neurofilamentos
(NF) (designadas NF-L, NF-M, y NF-H de light -ligera-, medium -media-, heavy -pesado-,
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respectivamente). Estas proteínas forman los filamentos intermedios principales de muchos tipos de
neuronas maduras. Abundan principalmente en los axones de las neuronas motoras y se piensa que
desempeñan un papel crítico en el sostén de estás prolongaciones largas y delgadas, que pueden
extenderse más de un metro de longitud. Otra proteína tipo IV (a-internexina) se expresa en una etapa
anterior de¡ desarrollo neurona¡, previa a la expresión de las proteínas de neurofilamentos. La única
proteína tipo Vi de filamentos intermedios (nestina) se expresa en una etapa anterior del desarrollo de
las neuronas, en las células madre del sistema nervioso central.
Las proteínas tipo V de filamentos intermedios son las láminas nucleares, que se encuentran en la
mayoría de las células eucariotas. En vez de ser parte del citoesqueleto, las láminas nucleares son
componentes de la envoltura nuclear (véase Fig. 8.3). También difieren de las otras proteínas de
filamentos intermedios en que se ensamblan formando una malla ortogonal debajo de la membrana
nuclear.
Fig 11.31: Estructura de las proteínas de filamentos intermedios. Las proteínas de filamentos intermedios
contienen un dominio en α-hélice como eje central de, aproximadamente, 310 aminoácidos (350 aminoácidos en las
láminas nucleares). El domnio de cabeza N-terminal y el dominio de cola C-terminal varían en tamaño y forma
A pesar de la considerable diversidad en el tamaño y en la secuencia de aminoácidos, las
diferentes proteínas de filamentos intermedios muestran una organización estructura¡ común (Fig.
11.31). Todas las proteínas de filamentos intermedios tienen un dominio en, a-hélice como eje central
de aproximadamente
310 aminoácidos (350 aminoácidos en las láminas nucleares). Este dominio de eje central está
franqueado por dominios amino- y carboxilo- terminales, que varían entre las diferentes proteínas
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de filamentos intermedios en tamaño, secuencia y estructura secundaria. Como se tratará a
continuación, el dominio central en a-hélice juega un papel fundamental en el ensamblaje de los
filamentos, mientras que los dominios variables de la cabeza y la cola presumiblemente determinan
las funciones específicas de las diferentes proteínas de los filamentos intermedios.Ensamblaje de los
filamentos intermedios
El primer paso en el ensamblaje de los filamentos es la formación de dímeros en los cuales los dominios
de eje central de dos cadenas polipeptídicas están enrollados uno alrededor de¡ otro en una
estructura de espiral enrollada (coiled-coil), similar a la formada por las cadenas pesadas de la miosina
II (Fig. 11.32). Los dímeros entonces se asocian de un modo escalonado antiparalelo para formar
tetrámeros, que se ensamblan extremo con extremo para formar protofilamentos. El filamento
intermedio resultante contiene aproximadamente ocho protofilamentos enrollados uno alrededor de¡
otro en una estructura a modo de cuerda. Debido a que el ensamblaje se produce a partir de
tetrámeros antiparalelos, ambos extremos de los filamentos intermedios son equivalentes. Por lo tanto, y
a diferencia de los filamentos de actina y de los microtúbulos, los filamentos intermedios son apolares;
no tienen diferenciados un extremo «más» y «menos».
Fig 11.32: Ensamblaje de los filamentos
intermedios. Los dominios del eje central de
dos polipéptidos se enrollan uno con otro en
una estructura espiral enrollada (coiled-coil)
para formar dímeros. Los dímeros se asocian
entonces de un modo escalonado antiparalelo
para formar tetrámeros. Los se asocian
extremo con extremo para formar
protofilamentos y lateralmente par formar
filamentos.
Cada
filamento
contiene
aproximadamente ocho protofilamentos
enrollados uno alrededor del otro en una
estructura a modo de cuerda.
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El ensamblaje de filamentos requiere interacciones entre los tipos específicos de proteínas de
filamentos intermedios. Por ejemplo, los filamentos de queratina siempre se ensamblan a partir de
heterodímeros que contienen un polipéptido de tipo I y uno de tipo II. Por el contrario, las
proteínas de tipo III pueden ensamblarse en filamentos constituidos por un único polipéptido (p. ej.,
vimentina) o constituidos por dos proteínas de tipo III diferentes (p. ej., vimentina más desmina). Sin
embargo, las proteínas de tipo III no forman copolímeros con las queratinas. Entre las proteínas de tipo
IV, la a-internexina puede ensamblarse en filamentos consigo misma, mientras que las tres proteínas de
neurofilamentos copolimerizan para formar heteropolímeros.
Los filamentos intermedios suelen ser más estables que los filamentos de actina o los microtúbulos y
no exhiben el comportamiento dinámico asociado a estos otros elementos de¡ citoesqueleto (p.
ej., el intercambio rotatorio de los filamentos de actina que se muestra en la Fig. 11.4). Sin
embargo, las proteínas de filamento intermedio suelen ser modificadas por fosforilación, que
puede regular su ensamblaje y desensamblaje en la célula. El ejemplo más claro es la fosforilación de
las láminas nucleares (véase Fig. 8.31), que da como resultado en el desensamblaje de la lámina
nuclear y la disgregación de la envuelta nuclear durante la mitosis. Los filamentos intermedios
citoplasmáticos, como la vimentina, también se fosforilan en la mitosis, lo que produce su
desensamblaje y desorganización en las células en división.
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Organización intracelular de los filamentos
intermedios
Los filamentos intermedios forman una elaborada red en el citoplasma de la mayoría de las
células, extendiéndose a partir de un anillo que rodea al núcleo hasta la membrana plasmática (Fig.
11.33). Tanto los filamentos de queratina como los de vimentina se fijan a la envuelta nuclear,
aparentemente con la función de posicionar y anclar el núcleo dentro de la célula. Además, los
filamentos intermedios pueden asociarse no sólo con la membrana plasmática sino también con los
otros elementos del citoesqueleto, filamentos de actina y microtúbulos. Por lo tanto, los filamentos
intermedios proporcionan un andamiaje que integra a los componentes del citoesqueleto y organiza la
estructura interna de la célula.
Fig 11.33: Organización intracelular de los filamentos
de queratina. Micrografía de células epiteliales teñida con
anticuerpos fluorescentes contra la queratina (verde). El
núcleo se ha teñido de azul. Los filamentos de queratina se
extienden a partir de un anillo que rodea al núcleo hasta la
membrana plamática. (Nancy Kedersha/ Inmunogen/Photo
Researches, Inc.)
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Fig 11.34: Fijación de los
filamentos intermedios a los
desmosomas y hemidesmosomas.
(A)
Micrografía
electrónica
mostrando filamentos de queratina
(flechas) unidos a placas densas de
proteínas intracelulares a ambos
lados de un desmosoma. (B)
Esquema de un desmosoma. Los
filamentos
intermedios
estan
anclados a lugares de adhesión
célula-célula
mediante
la
desmoplaquina. (C) esquema de un
hemidesmosoma.Los
filamentos
intermedios estan unidos unidos a la
integrina por la plectina.(A. Don
Fawcett/Photo Researchers, Inc.)
Los filamentos de queratina de las células epiteliales están fuertemente anclados a la membrana
plasmática en dos áreas especializadas de contacto celular, los desmosomas y hemidesmosomas (Fig.
11.34). Los desmosomas son uniones entre células adyacentes, en las que los contactos célula-célula
están mediados por proteínas transmembrana relacionadas con las cadherinas. En su lado
citopiasmático, los desmosomas se asocian con una placa densa característica de proteínas
intracelulares, a la que se anclan los filamentos de queratina.
Estos anclajes están mediados por
la desmoplaquina, un miembro de una familia de proteínas denominadas plaquinas, que unen
filamentos intermedios y los vinculan a otras estructuras celulares. Los hemidesmosomas son
uniones morfológicamente similares entre las células epiteliales y el tejido conectivo subyacente, en las
que los filamentos de queratina se unen a las integrinas a través de otros miembros de la familia
de las plaquinas (p. ej., plectina). Por lo tanto, los desmosomas y hemidesmososmas unen los
filamentos intermedios a regiones de contacto célula-célula o célula-sustrato, respectivamente, de forma
similar a como se une el citoesqueleto de actina a la membrana plasmática en las uniones adherentes y
en las adhesiones focales. Es importante destacar que los filamentos de queratina anclados a ambos
lados de los desmosomas sirven como un nexo mecánico entre las células adyacentes de una capa
epitelial, lo que proporciona estabilidad mecánica a todo el tejido.
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Fig 11.35:Micrografía electrónica de puentes de plectina entre filamentos intermedios y
microtúbulos. Micrografía de un fibroblasto teñido con un anticuerpo contra la plectina. La
micrografía ha sido coloreada artificialmente para mostrar la plectina (verde), los anticuerpos
contra la plectina (amarillo), Los filamentos intermedios (azul), y los microtúbulos (rojo).
(Cortesía de Tatiana Svitkina y Gary Borisy, University of Wisconsin / Madison)
Además de unir los filamentos intermedios a las uniones celulares, algunas plaquinas unen los
filamentos intermedios a otros elementos de¡ citoesqueleto. La plectina, por ejemplo, se une a
filamentos de actina y a microtúbulos además de a filamentos intermedios, por lo que puede
proporcionar puentes entre estos componentes del citoesqueleto (Fig. 11.35). Se piensa que estos
puentes con los filamentos intermedios refuerzan y estabilizan los filamentos de actina y los
microtúbulos, lo que incremento la estabilidad mecánica de la célula.
Dos tipos de filamentos intermedios, la desmina y los neurofilamentos, desempeñan un papel
especializado en el músculo y en las células nerviosas, respectivamente.
La
desmina
conecta los ensamblajes individuales de actinamiosina de las células musculares entre sí y a la
membrana plasmática, vinculando de esta manera la acción de los elementos contráctiles individuales.
Los neurofilamentos son los filamentos intermedios principales en la mayoría de las neuronas
maduras. Son particularmente abundantes en los largos axones de las motoneuronas, donde parece
que se anclan a los filamentos de actina y a los microtúbulos a través de miembros neuronales
de la familia de las plaquinas. Se piensa que los neurofilamentos desempeñan un papel importante
en proporcionar soporte mecánico y en estabilizar otros elementos del citoesqueleto en estas
extensiones largas y delgadas de las células nerviosas.
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Funciones de las queratinas y neurofilamentos: enfermedades de la piel y sistema
nervioso
Aunque durante mucho tiempo se ha considerado que los filamentos intermedios proporcionan un
soporte estructural a la célula, sólo recientemente se ha obtenido una evidencia directa de su función.
Algunas células en cultivo no fabrican proteínas de filamentos intermedios, lo que indica que estas
proteínas no se requieren para el crecimiento de las células n
i vitro. De forma similar, al inyectar
anticuerpo contra vimentina en células cultivadas se disgregan las redes de filamentos intermedios sin
afectar al crecimiento celular o al movimiento. Por lo tanto, se ha pensado que los filamentos
intermedios se necesitan principalmente para fortalecer el citoesqueleto de las células en los
tejidos de los organismos multicelulares, donde éstos están sujetos a una gran variedad de tensiones
mecánicas que no afectan a las células en el ambiente aislado de una placa de cultivo.
La evidencia experimental de tal papel in vivo de los filamentos intermedios se obtuvo por primera vez
en 1991 mediante estudios en el laboratorio de Elaine Fuchs. Estos investigadores utilizaron
ratones transgénicos para investigar los efectos in vivo de la expresión de un mutante de deleción de
queratina, que codificaba un polipéptido incompleto que imposibilitaba que se formaran filamentos
normales de queratina (Fig. 11.36). Este gen mutado de queratina se introdujo en los ratones
transgénicos, donde fue expresado en las células basales de la epidermis e impedía la formación de un
citoesqueleto de queratina normal. Este hecho desembocó en el desarrollo de alteraciones graves en
la piel, incluyendo ampollas debido a lisis celular epidérmica tras un trauma mecánico suave, tal como
frotarse la piel. De esta forma las alteraciones de la piel de estos ratones transgénicos supusieron un
apoyo directo al supuesto papel de las queratinas en proporcionar resistencia mecánica a las células
epiteliales de los tejidos.
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Fig 1136: Demostración experimental de la función de la queratina. Un plásmido que codifica una queratina
mutante que interfiere en el ensamblaje normal de los filamentos de queratina se microinyectó dentro de un pronúcleo
de un huevo fecundado. El embrión microinyectado fue entonces transferido a una madre de alquiler. Y algunos
miembros de la descendencia incorporaron el gen de la queratina mutante en su genoma. La expresión del gen mutado
en estos ratones transgénicos alteró el citoesqueleto de queratina de las células de la epidermis, dando lugar a la
aparición de ampollas en la piel debido a lisis celular tras una tensión mecánica suave
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Estos experimentos también apuntaron a la base molecular de una enfermedad genética humana,
la epidermolisis bullosa simple (EBS).
Al igual que los ratones transgénicos que expresan los
genes de queratina mutante, los pacientes con esta enfermedad desarrollan ampollas en la piel como
consecuencia de una lisis celular después de un trauma leve. Esta similitud condujo a realizar estudios
de los genes de la queratina en los pacientes EBS, que demostraron que la EBS está causada por
mutaciones en el gen de la queratina que interfieren en el ensamblaje normal de los filamentos de
queratina. De esta forma, tanto los estudios experimentales en ratones transgénicos como el análisis
molecular de una enfermedad genética humana han demostrado el papel de las queratinas en permitir
soportar tensiones mecánicas a las células de la piel. Estudios posteriores han mostrado que las
mutaciones en otras queratinas son responsables de otras enfermedades congénitas de la piel, que se
caracterizan de forma similar por una fragilidad anormal en las células epidérmicas.
Otros estudios en ratones transgénicos han implicado a neurofilamentos alterados en enfermedades de
las neuronas motoras, particularmente en la esclerosis lateral amiotrófica (ELA). La ELA, conocida
como enfermedad de Lou Gehrig y como la enfermedad que afecta al renombrado físico Stephen
Hawking, resulta de una pérdida progresiva de las neuronas motoras, que a su vez conduce a una
atrofia muscular, parálisis, y posterior muerte. La ELA y otros tipos de enfermedades de las
motoneuronas se caracterizan por la acumulación y ensamblaje anormal de los neurofilamentos, lo que
sugiere que las alteraciones en los neurofilamentos podrían contribuir a estas patologías. De acuerdo
con esta posibilidad, se ha hallado que la sobreexpresión de NF-L o de NF-H en ratones transgénicos
da lugar al desarrollo de un estado similar a la ELA. Aunque aun no se comprenden los mecanismos
implicados, estos experimentos sugieren claramente que los neurofilamentos intervienen en la
patogénesis de las enfermedades de las neuronas motoras.
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