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ACTINA Y MIOSINA SE AUTOENSAMBLAN → no hay un proceso en el cual se requiera una enzima sino que ocurre de manera espontánea; el ensamblaje es a través de uNIONES NO COVALENTES → y la presencia de estas uniones no covalentes hace que el ensamblaje sea dinámico pudiendo ocurrir la polimerización y despolimerización fácilmente → recordar que la hidrolisis de ATP no tiene nada que ver con permitir la polimerización. Estos 5 PARÁMETROS hacen que la célula sea capaz de gobernar el autoensamblaje dinámico del citoesqueleto → el control de estos parámetros está dado por diferentes PROTEÍNAS ACCESORIAS. REGULACIÓN POR NUCLEACIÓN GRÁFICO IZQUIERDA → una vez que se añadió la sal (estímulo) → se observa que el cambio de la fuerza iónica favorece el proceso de nucleación. La nucleación es un proceso por el cual se forma el núcleo mínimo de monómeros a partir del cual aumenta rápidamente la velocidad de polimerización → el filamento va a crecer hasta que se hayan incorporados tantos monómeros de manera tal que la concentración de monómeros disponibles sea igual a la concentración crítica → el tamaño del filamento se mantiene en FASE ESTACIONARIA ya que hay un intercambio que hace que la velocidad de polimerización y despolimerización sea la misma. GRÁFICO DERECHA → se añade el núcleo preformado de actina → se produce la polimerización casi de forma instantánea; todo el tiempo que tarda en formarse el filamento es debido a la nucleación. 27° T E O R I C O Microtúbulos En el caso de la formación de los microtúbulos existe el COMPLEJO YTURK → en lugar de tener alfa y beta tubulina (dímero que se debe formar para dimerizar y formar el microtúbulo) se tiene GAMA TUBULINA, que JUNTO CON UN CONJUNTO DE PROTEÍNAS ACCESORIAS FORMAN EL NÚCLEO MÍNIMO A PARTIR DEL CUAL SE FORMA LA POLIMERIZACIÓN. No se debe esperar a que se forme el anillo de 13 unidades para que ocurra la polimerización → y se puede controlar donde estará localizado el extremo – del microtúbulo. El complejo gama TURK está incluido dentro del centro organizador de los microtúbulos o cuerpo basal. El centro organizador de los microtúbulos, denominado CENTROSOMA, tiene a los centriolos en el centro, y están incluidos dentro de una matriz de material pericentriolar → sobre la superficie de esta esfera se localiza el complejo gama TURK a partir del cual se polimerizarán los microtúbulos. EN LA CÉLULA SE TIENE AL CENTROSOMA EN EL CUAL SE TIENEN LOS CENTRIOLOS → a partir del cual se forma el centro de nucleación a partir del extremo – y a partir del cual los microtúbulos polimerizan por el extremo +. Se observa que el extremo – está bloqueado y es inaccesible para la polimerización y para la despolimerización. A partir del centrosoma se generan los microtúbulos creciendo por el extremo +. Los CENTRIOLOS están constituidos por un arreglo de 3 microtúbulos fusionados entre sí. Todo CENTROSOMA tiene en su interior 2 centriolos ubicados de manera perpendicular → los centriolos a su vez tienen PROTEÍNAS ACCESORIAS que estabilizan la estructura. Los centriolos, durante el proceso de división celular son duplicados. El centrosoma se encuentra próximo al centro de la célula → así, los microtúbulos representarán el posicionamiento intracelular para que las organelas estén localizadas en una determinada posición de la célula. Sin embargo → no siempre el centrosoma está próximo al centro de la célula. En A se tiene una célula no polarizada y un fibroblasto migratorio → el centro organizador de los microtúbulos se organiza próximo al núcleo determinando el posicionamiento global dentro de la célula. En B se tiene células epiteliales → cuando se genera el cilio primario, el centrosoma se ubica por debajo del cilio y a partir de él se polimerizara y generará la estructura ciliar. Entonces → el centrosoma genera el centro de nucleación y de esa manera permite localizar o geoposicionar los componentes de la célula. MICROFILAMENTOS En este caso se tiene dos factores reguladores de nucleación que favorecerán un arreglo diferente del citoesqueleto de actina: PROTEÍNAS ARP → favorecen la nucleación y ramificación. Son la ARP2 y ARP3 y tienen una gran similitud estructural con la actina → a través del COMPLEJO ARP2-3 se generará un simil-núcleo mínimo → lo que conferirá la estructura a partir de la cual la actina comenzará a polimerizar rápidamente. Este complejo ocurre en el EXTREMO MENOS. La proteína ARP2-3 además de favorecer la nucleación (y con ello la polimerización) → también favorece la ramificación ya que puede interactuar de manea lateral con el filamento de actina generando un nuevo sitio en donde se favorecerá la nucleación y se generarán estructuras ramificadas de actina → ya no será una única fibra sino una red de diferentes fibras con una disposición ramificada. Se generan estructuras que le confieren al citoplasma de la célula una estructura de gel. FORMINAS → favorecen la nucleación pero no la ramificación. Se desplazan favoreciendo la incorporación de monómeros al filamento; no se queda en el extremo – sino que va migrando hacia el extremo + → el extremo – no está bloqueado. SE FAVORECE LA FORMACIÓN DE FIBRAS, NO DE REDES. REGULACIÓN POR CONCENTRACIÓN DISPONIBLE La polimerización es un fenómeno que ocurre ESPONTÁNEAMENTE → con lo cual, si se tienen monómeros libres de actina o tubulina → polimerizará hasta encontrar el estado estacionario en el cual el filamento se mantiene constante. La célula, si deja monómeros libres por encima de la concentración crítica → favorecerá la POLIMERIZACIÓN del citoesqueleto. Si de alguna manera se disminuye la concentración de monómeros disponibles → el filamento DESPOLIMERIZARIA. MICROFILAMENTOS En una célula, la actina es la proteína mayoritaria, entonces ¿cómo es que no se polimeriza constantemente la actina siendo que la concentración de monómeros libres está siempre por arriba de la concentración crítica? Esto no sucede ya que existe una proteína, la TIMOSINA, la cual se une a la actina bloqueando los sitios de unión de la actina. LA TIMOSINA LE GENERA UN IMPEDIMENTO ESTÉRICO A LA ACTINA, BLOQUEANDOLE LOS SITIOS DE UNIÓN PARA QUE NO PUEDA UNIRSE A OTRA ACTINA Y POLIMERIZAR. Entonces, de esta manera → la célula bloquea a la actina; y cuando se requiere que los filamentos de actina comiencen a polimerizar entra en juego la PROFILINA → esta proteína SE UNE AL MONÓMERO DE ACTINA EN UNA ZONA DETERMINADA, DEJANDO ÚNICAMENTE EXPUESTA LA CARA DE LA ACTINA QUE LE PERMITE UNIRSE AL EXTREMO + DEL CITOESQUELETO. Además → la profilina FAVORECE EL INTERCAMBIO DE ADP POR ATP. Entonces → la profilina toma las subunidades de actina, bloquea el extremo de unión al extremo - ; favorece la unión al extremo + y así favorece la polimerización. COMPITE CON LA TIMOSINA → cuando la profilina se une desplaza a la timosina y favorece que la actina polimerice. La FORMINA, que favorecía la nucleación y se iba desplazando hacia el extremo + favoreciendo la polimerización → presenta “BIGOTES DE FORMINA” que unen PROFILINA → y a su vez, la profilina une actina → formándose así un COMPLEJO FORMINA-PROFILINA → el cual favorecerá la polimerización ya que genera el centro de nucleación y al concentrar la profilina unida a la actina genera un gran aumento de la concentración disponible de monómeros libres (además, la profilina permite que se de la polimerización por el extremo +). AL BLOQUEAR LA ACTINA CON LA TIMOSINA → LA TIENE DISPONIBLE Y LISTA PARA UTILIZARLA CUANDO SE LA NECESITE → cuando un estímulo active a la profilina, esta desplazará a la timosina favoreciendo la polimerización → el filamento de actina polimerizará rápidamente dando una RESPUESTA RÁPIDA. MICROTÚBULOS Se tiene una proteína llamada ESTATMINA → tiene una estructura deALFA HÉLICE capaz de secuestrar dos monómeros de BETA TUBULINA y dos de ALFA TUBULINA → al hacer esto, regula la polimerización y puede cambia la afinidad por estas subunidades mediante la fosforilación. LA ESTATMINA TIENE LA CAPACIDAD DE, REGULANDO LA CONCENTRACIÓN DISPONIBLE, FAVORECER LA INESTABILIDAD DINÁMICA. INESTABILIDAD DINÁMICA → en los microtúbulos se va incorporando alfa y beta tubulina con GTP a una velocidad determinada por la concentración crítica del extremo + cuando el monómero tiene GTP; cuando los monómeros están polimerizados dentro del filamento, comienza a favorecerse la hidrólisis de GTP a GDP → hasta llegar a un momento en que el monómero que este en el extremo + hidrolice GTP a GDP y allí, rápidamente la concentración crítica se vuelve mucho más alta que la concentración de monómeros de tubulina disponibles → con lo cual tenderá a la despolimerización del microtúbulo hasta que pueda incorporarse nuevamente una subunidad de tubulina unida a GTP → allí, la concentración crítica del extremo + será menor a la concentración de monómeros libres, tendiendo a la polimerización. La ESTATMINA → al secuestrar los monómeros de alfa y beta tubulina → permite que la concentración de monómero libre esté muy próxima a la concentración crítica del extremo + cuando tiene GTP. Sin la estatmina habría una gran cantidad de subunidades de alfa y beta tubulina libres, con lo cual la inestabilidad dinámica dada por el equilibrio entre catástrofe y rescate no ocurriría → ya que al haber tantas subunidades libres, la velocidad de polimerización del extremo más sería muy alta y nunca se alcanzaría a hidrolizar ese GTP, lo que haría que el microtúbulo crezca de manera constante → no habría inestabilidad. REGULACIÓN POR proteínas de unión a extremos del filamento (POLARIDAD DE POLARIZACIÓN) Los extremos + y – tienen diferentes concentraciones críticas; la célula bloqueara los extremos dependiendo para qué lado se desea que el filamento crezca; o si se busca que quede estable. Habrá determinadas proteínas que bloqueen los extremos. MICROFILAMENTOS EN LOS MICROFILAMENTOS, LA ARP2/3 BLOQUEARÁ EL EXTREMO MENOS; además está la tropomodulina → también capaz de bloquear el extremo – generando una estructura estable que no despolimerice desde el extremo -. Un ejemplo de proteína que bloquee el extremo + es la CAP Z → lo cual genera filamentos de actina extremadamente estables y filamentos de actina que no despolimerizarán y polimerizar tan fácilmente. Por ejemplo → en el sarcómero del músculo, la necesidad de que el filamento sea estable para mantener la integridad del músculo requiere de que se bloqueen tanto los extremo – como los extremo + del citoesqueleto de actina. MICROTÚBULOS Existen proteínas capaces de unirse al extremo +: PROTEÍNAS MAP → se unen a los extremo + ESTABILIZÁNDOLOS e impidiendo, por ejemplo, que ocurra el fenómeno de catástrofe. PROTEÍNAS DE UNIONES LATERALES (por ejemplo quinesina 13) → se une al filamento de manera lateral traccionandolo y haciendo que se acorten rápidamente. Si se traccionan los filamentos o se produce la hidrólisis de GTP a GDP, el protofilamento se curva → y si se curva el protofilmento, hay una pérdida de las uniones laterales, acortándose el filamento. Confieren INESTABILIDAD. REGULACIÓN POR proteínas de unión lateral al filamento Las proteínas de uniones laterales van a estabilizar o desestabilizar los filamentos. MICROTÚBULOS PROTEÍNA CATANINA → a partir de ATP provoca cortes en los microtúbulos que exponen el extremo – (el cual generalmente está protegido en los microtúbulos) con lo cual se despolimeriza rápidamente el microtúbulo y se acorta rápidamente → así se genera una tensión que favorece la migración de los cromosomas durante la mitosis. MAP → hay de distintos tipos; la MAP2 une lateralmente a diferentes microtúbulos; la MAPtau genera un impedimento estérico para que se separen los microtúbulos. MICROFILAMENTOS GELSOLINA → se activa por calcio y se une a la actina; y cuando los filamentos de actina exponen un surco, se unen allí y debido a un impedimento estérico favorece que el citoesqueleto de actina se corte → y la exposición de un extremo – hace que éste se acorte más rápidamente → la exposición de dos extremos – hace que se despolimerice más rápidamente. TROPOMIOSINA → es una proteína fibrilar que se une a 7 subunidades de un protofilamento y se ubica en el sitio de unión a miosina impidiendo su unión. La tropomiosina interactúa con un complejo de troponina → cuando hay liberación de calcio, una de las troponinas toma el calcio y produce un cambio conformacional haciendo que la tropomiosina se desplace de su posición en el filamento de actina exponiendo el sitio de unión de la miosina y permitiendo la contracción muscular. COFILINA → se une a los filamentos de actina generando una torsión sobre ellos, haciendo que despolimericen y generando una desestabilización de los filamentos. PROTEÍNAS DE ENTRECRUZAMIENTO El citoesqueleto de actina puede arreglarse en diferentes estructuras (redes, filamentos) y los diferentes arreglos del citoesqueleto pueden presentarse de manera simultánea dentro de una misma célula. En todos los casos el citoesqueleto es de actina → la disposición de una u otra forma depende de la presencia de diferentes proteínas de unión lateral denominadas PROTEINAS DE ENTRECRUZAMIENTO. Estas proteínas tienen un dominio de unión a actina; por ejemplo → FIMBRINA tiene dos dominios de unión a actina muy próximos entre sí, entonces, cuando se unan dos filamentos a esos dominios → estarán muy cerca y generara uniones paralelas en forma rígida. La FILAMINA, por otro lado → posee dos dominios de unión a actina distanciados entre sí, cuando se unan dos fibras de actina, al ser flexible permitirá arreglos en forma de redes. JUNTO CON LAS PROTEÍNAS DE NUCLEACIÓN SE DETERMINA QUE LOS FILAMENTOS DE ACTINA TERMINEN FORMANDO UNA ESTRUCTURA DE HACES RÍGIDA O QUE FORMEN UNA ESTRUCTURA RAMIFICADA FLEXIBLE EN FORMA DE REDES. PROTEÍNAS MOTORAS Las proteínas motoras tienen una CABEZA (dominio motor de la proteína), en ella se produce la incorporación de ATP, y la hidrólisis del ATP llevará a un cambio conformacional y de afinidad; también tienen una COLA, la cual determina que determinara la carga de la proteína motora (le confiere especificidad). MIOSINA (MICROFILAMENTOS) LA MIOSINA TIENE DOS DOMINIOS → un dominio aminoterminal (cabeza) y un dominio C terminal (cola); la miosina II tiene dos CADENAS LIVIANAS unidas a la CADENA PESADA → las cadenas livianas están relacionadas con el control de la miosina. El dímero de miosina II tiene 2 cabezas y una cola fibrilar → esta interactuará con otro dominio fibrilar de una cabeza de miosina generando un arreglo en donde se tendrá la parte fibrilar y una zona de cabezas que traccionarán en sentidos contrarios → genera la contracción muscular. Hay varios tipos de miosina → casi todos se desplazan desde el extremo – hacia el extremo +. MIOSINA I → se encarga de la organización intracelular. Se desplaza lateralmente sobre el filamento de actina y permite que la microvellosidad tenga movimiento. MIOSINA II → posee actividad contráctil → formación del sarcómero y citosinesis (momento en que las células se dividen). MIOSINA V → relacionada con el transporte de organelas y vesículas. DINEINAS (MICROTÚBULOS) Las dineínas se desplazan hacia el extremo -. Existen dos familias de dineínas: DINEÍNAS CITOPLASMÁTICAS → son homodímeros DINEÍNAS AXONEMALES → son heterodímeros o heterotrímeros. QUINESINAS (MICROTÚBULOS) Se desplazan, en su mayoría, por los microtúbulos hacia el extremo +. QUINESINA 13 → se une al microtúbulo generando tracción para que se curven los protofilamentos →favoreciendo así la catástrofe en la inestabilidad dinámica. QUINESINA 5 → interactúan entre sí haciendo un desplazamiento bipolar en los microtúbulos; traccionan a los microtúbulos en un mismo sentido generando un desplazamiento de dos microtúbulos entre sí. En las quinesinas → las dos cabezas están siempre interactuando con los microtúbulos (a diferencia de la miosina). Quinesina movimiento lento → miosina movimiento rápido. La energía liberada de la hidrólisis de ATP genera un CAMBIO CONFORMACIONAL que a su vez genera un cambió en la proteína (generando así la tracción); y a su vez habrá un CAMBIO DE AFINIDAD. La miosina, como ejemplo de proteína motora → se basará en la hidrólisis de ATP a ADP generando un cambio conformacional y de afinidad. El cambio de conformación y de afinidad estará dado por un ciclo del ATP; habrá casos en donde la miosina no tenga unido ningún nucleótido trifosfato, otros donde incorpore ATP y lo hidrolice → se elimina en primera instancia el fosfato inorgánico del ADP; y posteriormente, el ADP será intercambiado de la miosina para que ingrese nuevamente el ATP. CUANDO NO HAY ATP UNIDO A LA MIOSINA → esta se encuentra unida a un filamento de actina. CUANDO LA MIOSINA UNE ATP → cambio de afinidad, ya no tiene afinidad por la actina. HIDRÓLISIS → cambio conformacional, la cabeza de la miosina pasa de una posición a otra. Vuelve a aumentar la afinidad por la actina, la miosina se le unirá. En ese momento en que la miosina vuelve unirse a la actina → se favorece la liberación de fosfato inorgánico; y la liberación de fosfato genera un cambio de afinidad → con lo cual la miosina tendrá una gran afinidad por la actina. LIBERACIÓN DEL ADP → cambio conformacional, cabeza retorna a la posición original. El cambio de conformación genera una tracción sobre el filamento de actina, lo que produce el desplazamiento. FUNCIONES FISIOLÓGICAS DEL CITOESQUELETO Funciones de las proteínas motoras: TRANSPORTE DE ORGANELAS Y VESÍCULAS: o el RE interactúa con quinesinas → se desplazan hacia el extremo + con lo cual el RE debería estar alejado del núcleo o el Golgi con dineínas → se desplazan hacia el extremo – con lo debería encontrarse próximo al núcleo. Sin embargo → esto se ve al revés en los esquemas, el más cercano al núcleo es el RE y el Golgi está más alejado. TRANSPORTE DE ARNM CILIOS-FLAGELOS Los microtúbulos se arreglan por 13 protofilamentos formando el túbulo; sin embargo, existen otros tipos de arreglos de los microtúbulos que determinan otras estructuras: puede formarse un anillo de 13 y fusionarse con uno de 10 → se forma un doblete → presente en los cilios y flagelos. pueden formarse dos anillos de 10 y uno de 13 y fusionarse entre sí → triplete presente en los centriolos o de los cuerpos basales. FLAGELO Flagelo → estructura motora constituida por 9 dobletes de actina y 2 singuletes de microtúbulo en el centro (9+2). Se necesita DINEÍNA que a partir de movimientos entre los dobletes genere una curvatura → permite, por ejemplo, el movimiento de la cola de los espermatozoides. La diferencia entre los cilios y los flagelos es el tamaño → los flagelos son más largos que los cilios. CILIOS Tienen una proporción de 9+2 como los flagelos; sin embargo, hay casos en que se altera. Los cilios 9+2 pueden o no tener dineína → y de acuerdo a ello pueden tener cilios móviles e inmóviles. Los cilios 9+2 sin dineína son SENSORES. Sin embargo → también existen cilios 9+0 → o sea que carecen de los dos singuletes en el centro del axonema. También pueden o no tener dineína → y ser o no móviles según tengan o no. CILIO 9+0 SIN DINEINA → CILIO PRIMARIO → sensor mecanoquímico → sensa un movimiento y produce una respuesta química (vía de señalización). 9+0 MÓVIL → CILIOS NODALES → si se genera una alteración puede producirse un situs inversus → el movimiento del cilio determina hacia qué lado se forman los órganos. DETERMINA LA SIMETRIA. ARREGLOS DE ACTINA FENÓMENO DE QUIMIOTAXIS/ FORMACIÓN DE LAMELIPODIO ES EL DESPLAZAMIENTO DE UNA CÉLULA SOBRE UNA MATRIZ SÓLIDA. La célula genera uniones focales → genera una extensión de la membrana llamada LAMELIPODIO, la cual generara un nuevo contacto focal → el cual a su vez generará fibras contráctiles que desplazarán el contenido del citoplasma hacia adelante. SE PRODUCE EL DESPLAZAMIENTO DE LA CÉLULA SOBRE LA MATRIZ. EL LAMELIPODIO ES UN ARREGLO DE CITOESQUELETO DONDE SE PRIORIZA LA FORMACIÓN DE REDES Y DE ESTRUCTURAS DE GEL. En la formación de lamelipodio está involucrada la PROTEÍNA DE NUCLEACIÓN ARP2-3 ya que debe generar estructuras ramificadas; también está presente la FILAMINA que es una proteína que favorece la formación de redes. LA PROTEÍNA RAC VA A FAVORECER PRINCIPALMENTE LA FORMACIÓN DE LAMELIPODIO; mientras que la proteína Rho va a favorecer principalmente la formación de fibras y haces contráctiles. La proteína CDC42 FAVORECE LA FORMACIÓN DE FILOPODIOS. EN EL EXTREMO CONDUCTOR DE LA CÉLULA SE DEBE GENERAR UNA FORMACIÓN DE REDES Y HACES QUE FORMAN EL LAMELIPODIO; MIENTRAS QUE EN EL EXTREMO CONTRARIO DEBE GENERAR ESTRUCTURAS CONTRÁCTILES PARA DESPLAZAR SU CONTENIDO A PARTIR DE LA UNIÓN CÉLULA-MATRIZ. LA CÉLULA NECESITA FORMAR DOS TIPOS DE CITOESQUELETO DISTINTO DEPENDIENDO LA ZONA DE LA CÉLULA DE LA CUAL SE HABLE: EXTREMO POSTERIOR → formará fibras de estrés o fibras contráctiles. BORDE DIRECTOR → formara un lamelipodio. Entonces → en el borde director ocurre principalmente la activación de la proteína RAC → esta es una GTPASA MONOMÉRICA → se activará, activando una PI3 QUINASA la cual generará PIP2 que impedirá la formación de un CASQUETE EN EL EXTREMO + (se necesita que el extremo crezca y el casquete lo impediría). Además se activan las proteínas WASP que activaran a ARP2-3 (proteína de nucleación y de ramificación). También se activará la proteína PAK la cual inhibe a una quinasa que fosforilaría a las cadenas livianas de la miosina II → se disminuye así la activación de la miosina. La formación de las proteínas de estrés o contráctiles es la proteína Rho → activa forminas para favorecer la formación de haces; también, activa una Rho quinasa (monomérica) que inhibe a una fosfatasa que le quitaría el fosfato a la cadena liviana de la miosina → entonces la cadena liviana de la miosina se mantiene fosforilada y activa → se forman haces contráctiles. LA CÉLULA DEBE SENSAR LA PRESENCIA DE BACTERIAS → las células defensivas tienen receptores que detectan la N-formilmetionina de las bacterias → cuando es detectada, se activa tanto una proteína Gi la cual activa fosfatidilinositol 3 quinasa que forma fosfatidil inositol 3 fosfato → y a partir del fosfatidilinositol 3 fosfato se activa la proteína RAC → en esta zona se comenzará a formar el citoesqueleto ramificado para formar el lamelipodio. A su vez, se activa la proteína trimérica G12/13 → la cual activa Rho → y la activación de Rho lleva a la formación de haces contráctiles de actina. RAC INHIBE A RHO Y RHO INHIBE A RAC EN FORMA MUTUA → CUANDO UNA ESTÁ ACTIVADA EN EL BORDE DIRECTOR, LA OTRA SE ACTIVA EN EL BORDE POSTERIOR. Cuando hay fosfatidilinositol trifosfato en el borde director → se prioriza la activación de RAC, y RAC inhibe a Rho. Pero, en el borde posterior, el PIP3 es degradado a PIP2 por la presencia de la proteína PTEN → con lo cual, en el borde posterior no se produce la activación de RAC, predominando entonces la activación de Rho. DE ESTA MANERA, SE ACTIVA RAC EN EL BORDE DIRECTOR Y FORMA EL LAMELIPODIO; MIENTAS QUE RHO SE ACTIVA EN EL BORDE POSTERIOR Y FORMA LOS HACES CONTRÁCTILES DE ACTINA.
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