Citoplasma-Citosol

CITOPLASMA – CITOSOL – CITOESQUELETO
VÍCTOR HUGO CASCO
Citoplasma
• El citoplasma comprende todo el volumen de la
célula, salvo el núcleo
• Está compuesto por el citosol, una solución
acuosa concentrada que engloba numerosas
estructuras especializadas y orgánulos, y el
citoesqueleto, una red de filamentos proteicos que
se extienden a través del citoplasma de todas las
células eucariotas
MATRIZ CITOPLASMÁTICA (CITOSOL)
• El citosol es principalmente un medio acuoso (~85% de
agua) en la que están disueltas pequeñas sustancias
orgánicas: (aminoácidos, glucosa, ATP, etc.) e inorgánicas
(iones, sales minerales, etc.)
• El citosol tiene una organización muy alta a nivel
molecular
• Es un fluido de “naturaleza gelatinosa” que contiene ~ 20%
de proteínas
MATRIZ CITOPLASMÁTICA (CITOSOL)
•
En él están disueltas muchas de las moléculas que la célula necesita para su
metabolismo, entre ellas moléculas orgánicas que son intermediarios del
metabolismo.
•
El citosol está repleto de enzimas que dirigen (catalizan) y controlan el
metabolismo celular (glicólisis, gluconeogénesis, vía de las pentosas fosfato,
activación de aminoácidos, síntesis de ácidos grasos, síntesis de nucleótidos etc.),.
•
También contiene sistemas de transducción de señales internas (por ej.,
segundos mensajeros, AMPc, GMPc, IP3-inositol trifosfato-etc.),
•
Asimismo se encuentran receptores intracelulares de señalización (Por ej.,
factores de transcripción, quinasas proteasas, etc.)
•
En el citosol también se pueden encontrar inclusiones de material de reserva: de
lípidos y de glucógeno. Se encuentran los ribosoma libres que realizan la síntesis
de proteínas que serán distribuidas y destinadas a diferentes compartimentos
celulares (mitocondrias, peroxisomas, núcleo)
MATRIZ CITOPLASMÁTICA (CITOSOL)
• Las propiedades coloidales de la célula, como las
transformaciones básicas de SOL-GEL; de “Sol” (una Solución
líquida del citosol más fluida) a “Gel” (un citosol más rígido, sólido y
gelatinoso) son básicas para determinadas actividades básicas
celulares
– como las modificaciones de la viscosidad y el movimiento intracelular del citoplasma en
forma de corrientes de fluido citosólico (en inglés: cyclosis o cellular streaming) o
– locomoción celular de tipo ameboideo, la formación del huso mitótico y
– el clivaje (escisión) de la célula madre para dar lugar dos células hijas durante la fase
de citocinesis de la división celular (mitosis),
– el crecimiento y formación sinápticas, y
– liberación de vesículas de neurotransmisores.
MATRIZ CITOPLASMÁTICA (CITOSOL)
• Las transformaciones Sol-Gel que pueden ocurrir
rápidamente (por ej. 40 ciclos sol-gel por segundo)
depende fundamentalmente de los componentes del
citosol, y es causado principalmente por las reacciones
controladas
de
ensamblaje
y
desensamblaje
(remodelamiento dinámico) de los elementos del
citoesqueleto (embebidos en el citosol) principalmente
microfilamentos de Actina y microtúbulos y de las
asociaciones contráctiles Actina-Miosina.
Inclusiones transitorias
• Suspendidos en el seno del citosol existe un número
variable de componentes citoplasmáticos que representan
acúmulos de nutrientes o subproductos relativamente
inertes del metabolismo celular.
• Salvo contadas excepciones, no poseen membranas de
recubrimiento.
• Su concentración en las células depende de la edad de las
células, del tipo celular y de su actividad fisiológica.
Partículas Glucógeno
• Cuando la disponibilidad de glucosa es elevada, la glucógenosintetasa elabora grandes polímeros ramificados que constituyen las
moléculas de glucógeno, que es la forma de depósito intracelular de
glucosa transitoriamente inmovilizada
• Los glucosomas o partículas β son estructuras esferoidales de unos
30 nm, formadas por un centro del polisacárido rodeado por una
capa de enzimas que intervienen en su formación y degradación
• Los glucosomas pueden mantenerse como estructuras
independientes o formar acúmulos (partículas α- o rosetas)
• Cuando el contenido es especialmente alto se lo puede visualizar al
MO mediante la técnica de PAS
Inclusiones Lipídicas
• Los acúmulos más comunes son las inclusiones de triglicéridos
• Estas formaciones carecen de membrana y poseen tamaños muy
diversos
• Algunas son visibles sólo con el ME, mientras que otras alcanzan
decenas de micrómetros como las gotas citoplasmáticas de los
adipocitos que son las células especializadas en la acumulación de
lípidos como reserva concentrada de nutrientes para todo el
organismo
• Pese a que las células utilizan ampliamente el colesterol para la
síntesis de sus membranas no existen depósitos visibles de este
esterol, excepto las glándulas endocrinas que sintetizan hormonas
esteroides
Inclusiones cristalinas
•
La mayoría de las inclusiones cristalinas son proteínas de función y estructura
desconocidas,
•
En algunos casos la composición no es proteica, ejemplo de ello son los cristales
intranucleares de hepatocitos caninos que están compuestos de uratos, lo mismo
que en las células de la cornea humana de individuos que sufren de gota.
•
En otros casos la composición proteica de los cristales es bien conocida, por
ejemplo, el complejo de apoferritina y hierro (ferritina), que es la forma intracitosólica de depósito del hierro.
•
En otros casos, la presencia de cristales constituye una adaptación funcional
importante como en el tapetum lucidum de animales de hábitos nocturnos. Estos
cristales regularmente espaciados, actúan reforzando la sensibilidad de la visión
nocturna.
Pigmentos
•
Muchas células poseen granulaciones citoplasmáticas de color pardo, descriptas por los
citólogos clásicos como inclusiones de lipofusina o lipocromo.
•
Estas inclusiones no se presentan en células de vida corta o en organismos juveniles,
•
Conforme los individuos envejecen su cantidad se incrementa paulatinamente. Ejemplo de
ello se da en las células que como las neuronas y los cardiocitos se encuentran
terminalmente diferenciados y que han perdido su capacidad de dividirse.
•
Se tiñen positivamente con la tinción de PAS y débilmente con los colorantes para lípidos.
Estos pigmentos representan los estadios finales de la desintegración en vacuolas
autofágicas que los años se acumulan en forma de residuos no digeribles, son
metabólicamente inertes no son desdoblados por las enzimas lisosómicas.
•
Otro pigmento que puede observarse en las células es la melanina. Es un pigmento
derivado del aminoácido tirosina que se sintetiza en células especializadas llamadas
melanocitos.
Red de Actina
Filamentos intermedios
Microtúbulos
Célula en movimiento
Componentes del Citoesqueleto eucariota
El citoesqueleto es exclusivo de
Eucariotas?
Filamentos helicoidales de la actina bacteriana de
Bacillus subtilis (imagen obtenida con microscopio de
fluorescencia) R. Carballido-López
Citoesqueleto
Filamentos
de Actina
• 7 nm
• Actina G
Filamentos
Intermedios
• 10 nm
• ~ 50 tipos de
Proteínas
Microtúbulos
• 25 nm
• Dímeros de
Tubulinas α y β
Citoesqueleto:
Microfilamentos
¿Actinas? bacterianas
Superposición de las estructuras de
Actina libre (ADP) y MreB. A pesar Protofilamento
del bajo porcentaje de identidad en
de actina
la secuencia de aminoácidos (~15%)
los plegamientos son prácticamente
Idénticos.
Protofilamento
de MreB
Filamentos de Actina (~ 7nm)
Ensamble y estructura del filamento de
actina
Extremo (-)
166o
G-actina
Dímero
Trímero
Extremo (–)
Extremo (+)
F-actina
Extremo (+)
Monómero de Actina
375 aác.
43kd
Treadmilling
Extremo (-)
Extremo (+)
Polimerización de la actina
Efectos de las proteínas de unión a actina
en el recambio del filamento
Profilina
Cofilina
Organización de los filamentos de actina
Manojos
Redes
Filamentos
de actina
Proteína de
entrecruzamiento
Filamentos
de actina
Proteína de
entrecruzamiento
Formas de organización de la actina y
proteínas asociadas
Filamentos de actina
Filamentos de actina
Dominios
de unión
a Ca2+
Dominio espaciador
-helicoidal
Fimbrina
Dominios
de unión
a Ca2+
-Actinina
Organización de los microfilamentos en las
microvellosidades
Extremo (-)
Membrana
Plasmática
Filamentos
de actina
Brazo lateral
Miosina
l-calmodulina
Vilina
Fimbrina
red terminal
Redes de actina y filamina
Dominios espaciadores
Hoja plegada-
Dominio de dimerización
Dominio de unión a actina
Filamentos
de actina
Estructura de la espectrina
Cadena beta
Ca2+
Cadena alfa
Dominio de hoja
plegada beta
Unión de fibras de estrés a la MP en las
adhesiones focales
Unión de fibras de estrés a la MP en las
adhesiones focales
Anclaje de FA a uniones adherentes
A
MP
cadherinas
Estructura de las células musculares
Haz de fibras
musculares
una fibra muscular
(célula muscular)
Músculo
Núcleo
MP
Miofibrilla
Banda A
Disco Z
Disco Z
Sarcómero
Estructura del sarcómero
26.000X
Banda A
Banda I
Zona H
actina miosina
Disco Z
Línea M
Sarcómero
Esquema de un sarcómero y sus
componentes
26.000X
Banda A
Banda I
(Oscura)
(Clara)
Zona H
Actina (filamento
delgado)
Miosina (filamento
grueso)
Línea Z
Línea M
Sarcómero
Línea Z
Titina y Nebulina
Disco Z
actina
nebulina
Miosina
Titina (3000kd)
Deslizamiento de filamentos
Modelo de contracción muscular
Disco Z
miosina
actina
Línea M
Deslizamiento de
los filamentos
contracción
Miosina II
Región de
Cabeza globular
Cadena liviana esencial
Cadena pesada
Cadena liviana regulatoria
Colas hélices -  coiled coil
Modelo de acción de miosina
La cabeza de miosina
se une a una nueva posición de A
Disociación del
complejo A-M
La cabeza de miosina
retorna a la posición orginal
Hidrólisis de ATP
cambio
conformacional
Desplazamiento de
la cabeza de M
Desplazamiento de actina
Distribución y relaciones de la troponina y
tropomiosina musculares
Asociación de Tropomiosina y troponina
con Filamentos de actina
Tropomiosina
Troponina
Actina
Cabeza de miosina
Sitio de unión
de miosina Tropomiosina
Sitio de unión
de miosina
expuestos
Citoesqueleto:
Filamentos Intermedios
Crescentina ¿FI bacterianos?
Filamentos Intermedios ~10 nm
Proteínas de filamentos intermedios
Tipo
Proteína
Tamaño (kd)
Sitio de Expresión
I
Queratinas ácidas (~ 15 proteínas)
40-60
Células epiteliales
II
Queratinas Básicas o neutras (~ 15
proteínas)
50-70
Células epiteliales
III
Vimentina
54
Desmina
Proteína fibrilar ácida gliales
Periferina
53
51
Fibroblastos, glóbulos
blancos, etc.
Células musculares
Células gliales
57
Neuronas periféricas
IV
Proteínas de neurofilamentos
Internexina
67-200
66
Neuronas
Neuronas
V
Laminas nucleares
60-75
Lamina nuclear interna
VI
Nestina
200
Células madre del SNC
Estructura de las proteínas de FI
Cola
Variable en
estructura
y tamaño
N-terminal
Cabeza
Variable en
estructura
y tamaño
Dominio central en forma de bastón
Hélices  de 310-350 aác.
C-terminal
Ensamble de los FI
cabeza
Polipéptido
Coiled coila
Dímero
Tetrámero
Protofilamento
Filamento
cola
Citoesqueleto
Microtúbulos
¿Tubulinas procariotas?
• Dos tipos de homólogos de tubulina: ejemplificados por FtsZ y las
proteínas BtubA and BtubB de Prosthecobacter dejongeii
• Las identidades de secuencia en relación a tubulinas eucarioticas
son de ~17% para FtsZ y ~35% para BtubA/B
• Los análisis filogenéticos sugieren que FtsZ y tubulina habrían
evolucionado de un ancestro común y habrían divergido
tempranamente mientras que BtubA y BtubB lo habrían hecho mas
recientemente siguiendo transferencia horizontal de un precursor
eucarionte
Organización Celular de FtsZ
Microtúbulos ~25 nm
Tipos de MT
Microtúbulos
citoplasmáticos
Microtúbulos del axonema
• Mantenimiento de los axones
• Mantenimiento de la polaridad durante
la migración
• Orientación del depósito de las
miofibrillas de celulosa
• Formación del huso mitótico y meiótico
• Disposición espacial y movimiento de
organelas y vesículas
• Cilias
• Flagelos
• Corpúsculos basales
Dímero de tubulinas α y β
Diagrama de cintas basado en un modelo de
una resolución de 3.7 Angstrom desarrollado
por científicos del laboratorio de Berkeley, que
muestra que la tubulina es un heterodímero
que consiste de dos monómeros de
estructuras casi idénticas (alfa y beta). Cada
monómero está formado por un núcleo de dos
láminas beta (verde), rodeado por hélices α
(azul), y cada uno se une a un nucleótido
guanina (rosa). Además de un sitio de unión a
un nucleótido, cada monómero tiene otros dos
sitios de unión, uno para proteínas y el otro
para la droga anti-cancerosa taxol
Estructura de los microtúbulos
1
2
13
3
12
11
4
10
5
6
7
Tubulina-
8
9
Tubulina-
Estructura de los microtúbulos
Tinción Negativa
Tinción Positiva
Citoesqueleto basado en microtúbulos
Inestabilidad dinámica de los microtúbulos
Alta concentración de tubulina
unida a GTP
Baja concentración de tubulina
unida a GTP
Inhibición de la polimerización por
colchicina
colchicina
Proteínas motoras de microtúbulos
(+)
(–)
Dominios cabeza
Coiled – coil
Cadenas liviana e
intermedia
base
Dineína
cola
Cadena liviana
Quinesina
Transporte de vesículas a lo largo de los
microtúbulos
quinesina
Núcleo
centrosoma
dineína
Microtúbulos polares
Movimiento de los
cromosomas en la
Anafase A
Microtúbulos
Astrales
Microtúbulos
Quinetocóricos
Proteína motora
direccionada hacia
el extremo (-)
Desensamble de MT
cromosoma
Separación de MT polares en anafase tipo
B
Microtúbulos
astrales
Motor direccionador al extremo (–)
Microtúbulos
polares
Microtúbulos
cinetocóricos
Motor direccionador al extremo +
Motor direccionador al extremo (–)
Cilias y flagelos
cilio
cilio
Protofilamento
Microtúbulo
protofilamentos
Doblete
Tiplete
Centríolo
Doblete
ciliar
Triplete
centriolar
Corte transversal de un cilio
Fibra externa
(doblete)
Brazo
externo
Membrana
Brazo
interno
Puente de
Nexina
Fibra
central
Cabeza del
Ligamiento
Radial
Ligamiento
Radial
Vaina
Central
Cilios y Cuerpos basales
a
b
Movimiento de microtúbulos en cílias y
flagelos
Dineína
(+)
Movimiento de la
cabeza de Dineína
hacia el extremo (-)
del tubo B
(–)
Ligamiento de
nexina
curvamiento
de microtúbulo
Centríolos
Los cuerpos basales y centríolos se
replican autónomamente