Seminario 6 Dinámica del citoesqueleto en interfase y division celular - Tomas Falzone

Seminario 6: Dinámica del Citoesqueleto

Introducción al Citoesqueleto

• La clase se centra en la dinámica del citoesqueleto y su papel en procesos celulares como la polaridad, migración y división celular.

• Se busca entender cómo la estructura del citoesqueleto permite a las células establecer orientaciones y movilizarse mediante reestructuración.

Biología Celular y Genética Molecular

• El enfoque de la clase es comprender el funcionamiento celular desde una perspectiva de genética molecular, analizando los mecanismos que permiten a las células operar eficientemente.

• La expresión génica define el destino celular, permitiendo que un mismo ADN genere diferentes tipos celulares especializados para funciones específicas.

Procesos de División Celular

• Durante la mitosis y meiosis, las células dependen de patrones genéticos y expresión de genes para asegurar una correcta distribución del material genético.

• Cambios en la expresión genética pueden afectar procesos celulares como proliferación, polaridad y organización, lo cual puede estar relacionado con enfermedades como el cáncer o distrofias musculares.

Impacto de Modificaciones Genéticas

• Las modificaciones genéticas en proteínas del citoesqueleto, como la queratina, pueden alterar la fisiología y función del tejido. Esto incluye polimorfismos que afectan la regulación de expresión génica.

• Diferentes tipos celulares expresan distintos tipos de queratina según su función específica; esto es crucial para entender enfermedades cutáneas asociadas a alteraciones en estas proteínas.

Modelos Experimentales

• Los efectos observados en pacientes humanos pueden ser modelados utilizando animales que carecen de ciertas proteínas (ejemplo: queratina) para estudiar cómo se manifiestan las condiciones patológicas.

• Se analizarán los efectos sobre la piel bajo condiciones controladas versus condiciones patológicas para entender mejor los defectos funcionales resultantes.

Componentes del Citoesqueleto

Microtúbulos

• Los microtúbulos son esenciales para establecer morfología celular, transporte intracelular y están involucrados principalmente en mitosis y formación de flagelos.

Microfilamentos (Actina)

• Los microfilamentos proporcionan soporte estructural y están asociados con movilidad celular; son fundamentales para estructuras con protrusiones o protuberancias.

Filamentos Intermedios

Estructura y Función del Citoesqueleto

Microtúbulos: Organización y Funciones

• Los microtúbulos se organizan a partir de un centro nucleador compuesto por gamatobulina, que son los centríolos, con extremos positivos hacia el exterior.

• Existen diferentes tipos de proteínas asociadas a los microtúbulos que cumplen funciones específicas, como las proteínas sombrero que estabilizan los extremos polimerizantes.

• Algunas proteínas favorecen la polimerización o despolimerización de microtúbulos, lo cual es crucial durante la división celular.

• Se mencionan proteínas que pueden cortar microtúbulos y establecer uniones para aumentar su estabilidad o generar espaciamiento necesario para formar haces.

• La estabilización de microtúbulos es esencial para determinar la polaridad celular y permitir el crecimiento en células como neuronas.

Transporte Molecular en Microtúbulos

• Las proteínas motoras se asocian a dímeros de alfa-beta tubulina, moviéndose a lo largo de los microtúbulos en pasos de 8 nanómetros.

• La quinesina transporta organelas hacia la membrana plasmática (transporte anterógrado), mientras que la dineína realiza el transporte retrógrado hacia el centro organizador.

• El citoesqueleto facilita el transporte y posicionamiento de organelas como endosomas tardíos y lisosomas mediante motores moleculares asociados a microtúbulos.

• Se discute cómo las células epiteliales generan polarización específica con distribución diferencial entre membranas apicales y basolaterales.

• Las vesículas endocíticas incorporadas desde la membrana basal hacia la apical dependen del movimiento sustentado por estructuras de microtúbulos.

Filamentos de Actina: Dinámica y Estructuras

• Los filamentos de actina son estructuras dinámicas capaces de formar diversas configuraciones como geles o haces paralelos mediante polimerización y depolimerización.

• La orientación adecuada permite crear protrusiones celulares como lamelipodios y filopodios, esenciales para movilidad celular.

• Fibras de estrés formadas por actina permiten movimientos tensionales dentro de la célula, contribuyendo a su motilidad general.

• Proteínas como ARP 23 facilitan ramificaciones en filamentos, mientras que otras regulan el espaciamiento entre ellos para lograr estructuras compactas o laxas.

Estructura y Función del Citoesqueleto

Componentes del Citoesqueleto

• La fibrina y la alfactinina son parte de la estructura de los filamentos de actina, donde se encuentran proteínas motoras específicas llamadas miosinas, que pueden ser más o menos procesivas.

• Las miosinas generan fuerza a lo largo de las fibras, permitiendo el movimiento en procesos como la contracción muscular y el transporte de organelas.

• Existen diferentes tipos de miosinas: tipo I (unilobular), asociadas al anclaje en membranas; tipo II, involucradas en eventos de contracción; y tipo V (bilobulares), que transportan organelas.

Filamentos Intermedios

• Los filamentos intermedios son abundantes y específicos para tipos celulares, proporcionando resistencia mecánica y anclaje celular. Están asociados con las láminas nucleares para estabilidad estructural.

• A diferencia de los microtúbulos y filamentos de actina, los filamentos intermedios no son dinámicos; su ensamblado ocurre a partir de monómeros formando dímeros y posteriormente protofilamentos.

Alteraciones en la Estructura Celular

• Cambios en la funcionalidad del citoesqueleto pueden resultar por alteraciones genéticas o polimorfismos que afectan la expresión diferencial, impactando así la estabilidad del tejido.

• La falta de soporte mecánico puede llevar a desorganización celular y ruptura del tejido, ejemplificado en enfermedades como la alopecia ampollosa simple debido a mutaciones en queratinas.

Consecuencias Clínicas

• En pacientes con mutaciones específicas en queratinas, se observan ampollas formadas por el desprendimiento entre dermis y epidermis tras traumas menores.

• Estas lesiones pueden infectarse fácilmente, mostrando cómo defectos genéticos afectan significativamente las propiedades cutáneas.

Polaridad Celular

• La adquisición de polaridad celular está relacionada con el citoesqueleto, que permite anclajes adecuados durante procesos como la división celular o interacción con el entorno.

• Factores segregados dentro de una célula ayudan a establecer regiones específicas que inician procesos para adquirir polaridad entre zonas apicales y basales.

Interacción Celular y Estructuras de Membrana

Regionalización y Funciones Específicas en Células

• La interacción de las células con su entorno permite la formación de estructuras específicas mediante la secreción interna de proteínas, lo que resulta en una regionalización funcional.

• En las células epiteliales, se observan diferentes tipos de uniones, como uniones estrechas que impiden el paso de componentes entre los lados apical y basal.

• Las uniones de adhesión están asociadas al citoesqueleto, proporcionando resistencia. También existen uniones comunicantes que facilitan la comunicación celular.

• Se definen varios tipos de uniones: adherentes (caderinas), oclusivas (claudinas y ocludinas), desmosomas (democolina y desmogelina), y comunicantes (conexinas).

• Estas uniones permiten el pasaje de iones pequeños y moléculas no cargadas, facilitando la comunicación intercelular a través del citoesqueleto.

Migración Celular y Dinámica del Citoesqueleto

• La polaridad celular depende del citoesqueleto, que permite formar estructuras específicas como microvellosidades o conexiones con la matriz extracelular.

• Algunas células pueden migrar a través del epitelio o la matriz extracelular bajo condiciones definidas, lo cual requiere remodelación del citoesqueleto.

• El citoesqueleto no es fijo; su dinámica puede cambiar ante diferentes señales, permitiendo adaptaciones estructurales significativas.

• Un ejemplo es cómo los neutrófilos migran desde el torrente sanguíneo hacia áreas inflamatorias mediante señalización específica.

• La señalización intracelular provoca polarización celular, creando un frente avanzado para migración y retroceso en función del tipo de señal recibida.

Modulación del Citoesqueleto durante la Migración

• En el frente avanzado se activa la polimerización de actina mediante señales específicas que generan protuberancias celulares para facilitar movimiento.

• En contraste, el retroceso está mediado por proteínas que inducen depolimerización de actina y contracción en fibras musculares para permitir movilidad efectiva.

• Ambos procesos son opuestos pero complementarios; uno favorece protrusiones mientras que el otro facilita contracciones necesarias para avanzar en migración celular.

Mecanismos de movilización celular en el torrente sanguíneo

Proceso de movilización y adhesión celular

• Las señales pueden modular los mecanismos y estructuras de filamento en las células, permitiendo que una célula en el torrente sanguíneo realice un mecanismo de movilización a través del "rolling" o rodamiento, estableciendo contactos momentáneos con la pared del endotelio.

• Ante un evento de señalización específico, como una señal inflamatoria, la célula puede frenar su movilidad en el torrente sanguíneo y salir hacia el tejido para responder adecuadamente. Esto implica cambios progresivos en la expresión celular.

• Los neutrófilos que circulan por el torrente sanguíneo pueden encontrar señales específicas (como azúcares y selectinas) que les permiten detenerse o rodar más lentamente durante eventos inflamatorios.

• La adhesión se facilita mediante proteínas de membrana que forman uniones homofílicas (entre caderinas e inmunoglobulinas) y heterofílicas (entre integrinas y selectinas), lo cual es crucial para anclarse al endotelio.

• Estas interacciones son esenciales para fortalecer la unión entre neutrófilos y células endoteliales, permitiendo así su anclaje efectivo dentro del torrente sanguíneo.

Activación e interacción de integrinas

• La activación específica de integrinas permite que las moléculas de adhesión fortalezcan la unión entre neutrófilos y células endoteliales, frenando su movimiento en el torrente sanguíneo.

• Esta activación desencadena una cascada intracelular que modifica la estructura del citoesqueleto, especialmente la actina, facilitando procesos como la extravasación hacia la matriz extracelular.

• La actina genera fuerzas necesarias para avanzar a través del epitelio; sin embargo, toda la estructura del citoesqueleto debe ser modulada para permitir cambios morfológicos necesarios durante este proceso.

Respuesta a quimiotractantes

• Una vez en la matriz extracelular, los neutrófilos responden a quimiotractantes que definen un frente de avance mediante receptores específicos que censan su concentración.

• Este proceso implica cambiar continuamente la estructura del citoesqueleto mediante nuevas uniones focales entre integrinas y proteínas de matriz asociadas a filamentos de actina.

Señalización celular

• Es fundamental entender cómo las células responden a señales mediadas por factores solubles y componentes extracelulares. Estas señales afectan directamente los fenómenos celulares relacionados con movimiento y forma.

• Las regiones especializadas en las membranas celulares están enriquecidas con receptores o estructuras ancla. Estas áreas son cruciales para traducir señales externas hacia respuestas internas efectivas.

Estructuras especializadas: balsas lipídicas

• Las balsas lipídicas son ensamblajes dinámicos que regionalizan estructuras de señalización dentro de las membranas celulares. Están compuestas por concentraciones específicas de proteínas receptoras y fosfolípidos saturados.

Adhesión y señalización celular

Mecanismos de señalización

• La adhesión en la señal permite asociar diferentes moléculas intracelulares a receptores de proteína G, mediando cascadas de señalización que modulan estructuras internas de la célula.

Migración celular

• Durante la migración celular, se producen eventos de rellenado de membranas mediante exocitosis, donde vesículas se fusionan con la membrana plasmática para incorporar nuevas membranas en el frente de avance.

• En el frente de retroceso, ocurren eventos de endocitosis que generan dinámicas estructurales necesarias para la migración celular.

Transporte vesicular

• La movilidad vesicular depende del citoesqueleto, principalmente microtúbulos y filamentos de actina, facilitando el movimiento entre el frente de retroceso y el frente de avance.

• Las vesículas tienen un direccionamiento específico gracias a proteínas asociadas a su membrana que permiten su transporte hacia diferentes regiones celulares.

Interacción entre proteínas SNARE y exocitosis

Función de las proteínas SNARE

• Las proteínas SNARE vesiculares se asocian con las SNARE de membrana para facilitar la fusión entre las membranas vesicular y plasmática durante la exocitosis.

Estructuras formadoras de canasta

• Existen estructuras o proteínas formadoras de canasta que permiten la invaginación y formación de vesículas asociadas al sistema de transporte.

Citoesqueleto en procesos celulares

Funcionalidad del citoesqueleto

• Se revisa cómo el citoesqueleto determina polaridad y participa en procesos migratorios, así como su papel crucial en la división celular.

División celular

• Los componentes del citoesqueleto son esenciales para establecer los procesos relacionados con la división celular, incluyendo puntos críticos asociados a quinas dependientes de ciclinas.

Ciclo celular y mitosis

Progresión del ciclo celular

• Para entrar al ciclo celular es necesario censar el entorno y tener señales internas que permitan pasar puntos críticos antes mencionados.

Reguladores específicos en mitosis

• Durante mitosis, reguladores como quinas dependientes de ciclinas facilitan los procesos iniciales. El factor promotor es clave para avanzar en estas etapas críticas.

Reorganización del citoesqueleto durante mitosis

Cambios estructurales significativos

Duplicación y Organización de los Centríolos en la Mitósis

Proceso de Duplicación de Centríolos

• La duplicación de los centríolos inicia el proceso mitótico, donde se separan y organizan para establecer la estructura del citoesqueleto.

• Se observa mediante fotografías de fluorescencia cómo los microtúbulos (en verde) y el ADN (en azul) forman una red que organiza la célula.

Formación y Función de los Usos Mitóticos

• Es esencial reestructurar el centro organizador para generar dos polos que permitan organizar y segregar cromosomas durante la mitosis.

• Los usos mitóticos tienen tres componentes específicos que generan fuerzas selectivas necesarias para separar los cromosomas.

Desorganización Controlada del Núcleo

• En la profase, se produce la duplicación inicial de centríolos, lo cual es crucial para ensamblar filamentos de microtúbulos.

• Para que los microtúbulos interactúen con los cromosomas, es necesario desorganizar la membrana nuclear controladamente.

Fosforilación y Desorganización Nuclear

• Las láminas nucleares son fosforiladas por una quinasa dependiente de ciclinas, facilitando su desorganización durante la mitosis.

• Esta desorganización permite a los microtúbulos acceder a los cromosomas al romperse las estructuras nucleares.

Orientación y Separación Cromosómica

• Durante la metafase, las fuerzas de polimerización orientan los microtúbulos en el ecuador celular para asegurar una correcta separación cromosómica.

¿Cómo se produce la separación de los cromosomas durante la mitosis?

Actividad del APC y liberación de la separasa

• El complejo promotor de la mitosis (APC) inactiva a la quinasa dependiente de ciclina, permitiendo así que se progrese desde anafase a telofase.

• APC degrada específicamente a la securina, lo que libera a la separasa. Esta enzima es crucial para cortar las cohesinas que mantienen unidas a las cromátides hermanas.

Movimiento y segregación de los cromosomas

• La migración de las cromátides hacia los polos celulares se debe al deslizamiento mediado por proteínas motoras en los microtúbulos polares.

• La depolimerización de microtúbulos, facilitada por quinesina 13, permite el traslado de las cromátides hacia cada polo celular.

Anclaje y separación celular

• Los microtúbulos astrales anclados en la membrana plasmática ayudan en la tracción hacia los polos, segregando tanto el material genético como organelas.

• Al inactivarse el factor promotor de mitosis, los filamentos intermedios dejan de estar fosforilados y comienzan a reestructurarse para formar nuevamente las membranas nucleares.

Citosinesis y formación del anillo contráctil

• Durante citocinesis, filamentos de actina forman una estructura contráctil que ayuda en la separación final de las membranas celulares.

• Las proteínas motoras como miosina interactúan con filamentos de actina para facilitar esta constricción necesaria para dividir las células hijas.

Resumen del seminario sobre el citoesqueleto

• Se discutió cómo el citoesqueleto permite polaridad celular y migración durante diferentes funciones celulares y división.