¿Cómo se desarrolla el citoesqueleto en una célula?

introducción

¿Qué pasaría si alguien se coló durante la noche y robó tu esqueleto? Para que quede claro, no es muy probable que suceda, biológicamente hablando. Pero si sucediera de algún modo, la pérdida de su esqueleto causaría que su cuerpo perdiera gran parte de su estructura. Su forma externa cambiaría, algunos de sus órganos internos podrían comenzar a moverse fuera de lugar, y probablemente le resulte muy difícil caminar, hablar o moverse.

Curiosamente, lo mismo es cierto para una célula. A menudo pensamos en las células como manchas blandas y no estructuradas. Pero en realidad, están altamente estructurados de la misma manera que nuestros propios cuerpos. Tienen una red de filamentos conocida como citoesqueleto (literalmente, “esqueleto celular“), que no solo es compatible con la membrana plasmática y le da a la célula una forma general, sino que también ayuda a colocar correctamente los organelos, proporciona pistas para el transporte de vesículas, y (en muchos tipos de células) permite que la célula se mueva.

En eucariotas, hay tres tipos de fibras de proteína en el citoesqueleto: microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos. Aquí, examinaremos cada tipo de filamento, así como algunas estructuras especializadas relacionadas con el citoesqueleto.

Microfilamentos

De los tres tipos de fibras de proteína en el citoesqueleto, los microfilamentos son los más estrechos. Tienen un diámetro de aproximadamente 7 nm y están formados por muchos monómeros unidos de una proteína llamada actina, combinados en una estructura que se parece a una doble hélice. Debido a que están hechos de monómeros de actina, los microfilamentos también se conocen como filamentos de actina . Los filamentos de actina tienen direccionalidad, lo que significa que tienen dos extremos estructuralmente diferentes.

Filamento de actina, una estructura de doble hélice hecha de monómeros de actina (subunidades).

Imagen modificada de OpenStax Biology.

Los filamentos de actina tienen varios roles importantes en la célula. Por un lado, sirven como pistas para el movimiento de una proteína motora llamada miosina , que también puede formar filamentos. Debido a su relación con la miosina, la actina está involucrada en muchos eventos celulares que requieren movimiento.

Por ejemplo, en la división de células animales, un anillo hecho de actina y miosina aprisiona la célula para generar dos nuevas células hijas. La actina y la miosina también son abundantes en las células musculares, donde forman estructuras organizadas de filamentos superpuestos llamados sarcómeros. Cuando los filamentos de actina y miosina de un sarcómero se deslizan uno al otro en concierto, tus músculos se contraen.

Los filamentos de actina también pueden servir como carreteras dentro de la célula para el transporte de cargas, incluidas las vesículas que contienen proteínas e incluso los orgánulos. Estas cargas son transportadas por motores individuales de miosina, que “caminan” a lo largo de los haces de actina filamentos [matemáticos] ^ 1 [/ math] 1 comienza el superíndice, 1, end superscript.

Los filamentos de actina se pueden ensamblar y desmontar rápidamente, y esta propiedad les permite desempeñar un papel importante en la motilidad celular (movimiento), como el rastreo de un glóbulo blanco en el sistema inmunitario.

Finalmente, los filamentos de actina desempeñan papeles estructurales clave en la célula. En la mayoría de las células animales, se encuentra una red de filamentos de actina en la región del citoplasma en el mismo borde de la célula. Esta red, que está vinculada a la membrana plasmática mediante proteínas conector especiales, proporciona la forma y la estructura de la celda [matemática] ^ {2,3} [/ math] 2,3 start superscript, 2, comma, 3, end sobrescrito.

Filamentos intermedios

Los filamentos intermedios son un tipo de elemento citoesquelético formado por múltiples cadenas de proteínas fibrosas unidas. Como su nombre lo sugiere, los filamentos intermedios tienen un diámetro promedio de 8 a 10 nm, entre el de los microfilamentos y el de los microtúbulos (discutidos más adelante).

Filamentos intermedios en una celda, formando una red que mantiene el núcleo y otros orgánulos en su lugar.

Crédito de la imagen: “ El citoplasma y los organelos celulares “, por OpenStax College ( CC BY 3.0 ).

Los filamentos intermedios vienen en varias variedades diferentes, cada una compuesta de un tipo diferente de proteína. Una proteína que forma filamentos intermedios es la queratina, una proteína fibrosa que se encuentra en el cabello, las uñas y la piel. Por ejemplo, es posible que haya visto anuncios de champú que afirman suavizar la queratina en el pelo.

A diferencia de los filamentos de actina, que pueden crecer y desmontarse rápidamente, los filamentos intermedios son más permanentes y desempeñan un papel esencialmente estructural en la célula. Están especializados para soportar la tensión, y sus trabajos incluyen mantener la forma de la célula y anclar el núcleo y otros orgánulos en su lugar.

Microtúbulos

A pesar del “micro” en su nombre, los microtúbulos son los más grandes de los tres tipos de fibras citoesqueléticas, con un diámetro de aproximadamente 25 nm. Un microtúbulo está formado por proteínas de tubulina dispuestas para formar un tubo hueco parecido a una paja, y cada proteína tubulina consta de dos subunidades, α-tubulina y β-tubulina.

Los microtúbulos, como los filamentos de actina, son estructuras dinámicas: pueden crecer y reducirse rápidamente mediante la adición o eliminación de proteínas de tubulina. También similar a los filamentos de actina, los microtúbulos tienen direccionalidad, lo que significa que tienen dos extremos que son estructuralmente diferentes entre sí. En una célula, los microtúbulos juegan un papel estructural importante, ayudando a la célula a resistir las fuerzas de compresión.

Izquierda: modelo 3D de un microtúbulo que muestra que es un cilindro hueco de proteínas. Derecha: Diagrama de dibujos animados de un microtúbulo, que muestra que está formado por dos tipos diferentes de subunidades (alfa y beta). Las subunidades forman dímeros, y los dímeros están conectados en un patrón en espiral para formar el tubo hueco del microtúbulo.

Crédito de la imagen: OpenStax Biology.

Además de proporcionar soporte estructural, los microtúbulos desempeñan una variedad de funciones más especializadas en una célula. Por ejemplo, proporcionan pistas para las proteínas motoras llamadas kinesins y dyneins, que transportan vesículas y otras cargas alrededor del interior de la célula [math] ^ 4 [/ math] 4 start superscript, 4, end superscript. Durante la división celular, los microtúbulos se ensamblan en una estructura llamada huso, que separa los cromosomas.

Flagelos, cilios y centrosomas

Los microtúbulos también son componentes clave de otras tres estructuras de células eucariotas especializadas: flagelos, cilios y centrosomas. Puede recordar que nuestros amigos los procariotas también tienen estructuras que tienen flagelos, que usan para moverse. No se confunda: los flagelos eucariotas que vamos a discutir tienen prácticamente el mismo papel, pero una estructura muy diferente.

Los flagelos (singular, flagelo ) son estructuras largas y parecidas a pelos que se extienden desde la superficie de la célula y se utilizan para mover una célula completa, como un espermatozoide. Si una célula tiene flagelos, generalmente tiene uno o solo unos pocos. Los cilios móviles (singular, cilio ) son similares, pero son más cortos y generalmente aparecen en grandes cantidades en la superficie de la célula. Cuando las células con cilios móviles forman tejidos, la paliza ayuda a mover materiales a través de la superficie del tejido. Por ejemplo, los cilios de las células en su sistema respiratorio superior ayudan a mover el polvo y las partículas hacia sus fosas nasales.

A pesar de su diferencia en longitud y número, los flagelos y los cilios móviles comparten un patrón estructural común. En la mayoría de los cilios flagelos y móviles, hay 9 pares de microtúbulos dispuestos en un círculo, junto con otros dos microtúbulos en el centro del anillo. Esta disposición se llama matriz 9 + 2. Puede ver la matriz 9 + 2 en la imagen de microscopía electrónica a la izquierda, que muestra dos flagelos en sección transversal.

Parte superior: Microfotografía electrónica de transmisión de flagelos en sección transversal, que muestra la organización de matriz de microtúbulos 9 + 2. Menor: Diagrama de dibujos animados de un cililum móvil, que muestra los microtúbulos en singlete en el centro, los microtúbulos dobles externos dispuestos en círculo alrededor de los microtúbulos singlete y las dineinas unidas a los microtúbulos del doblete. Toda la estructura está rodeada por una membrana plasmática. En la base del cilio se encuentra un cuerpo basal, que también está compuesto de microtúbulos.

Créditos de las imágenes: panel superior, “ El citoesqueleto: figura 5 “, por OpenStax College, Biology ( CC BY 3.0 ). Modificación del trabajo por Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College; datos de barra de escala de Matt Russell. Panel inferior, modificación del “ Diagrama de cilios eucarióticos “ , por Mariana Ruiz Villareal (dominio público).

En los flagelos y cilios móviles, las proteínas motoras llamadas dineinas se mueven a lo largo de los microtúbulos, generando una fuerza que hace que el flagelo o cilio palpite. Las conexiones estructurales entre los pares de microtúbulos y la coordinación del movimiento de la dineína permiten que la actividad de los motores produzca un patrón de latido regular [matemáticas] ^ {5,6} [/ math] 5,6 start superscript, 5, coma, 6, end superscript.

Puede notar otra característica en el diagrama de arriba: el cilio o flagelo tiene un cuerpo basal ubicado en su base. El cuerpo basal está hecho de microtúbulos y juega un papel clave en el ensamblaje del cilio o flagelo. Una vez que la estructura ha sido ensamblada, también regula qué proteínas pueden entrar o salir [matemáticas] ^ 7 [/ math] 7 start superscript, 7, end superscript.

El cuerpo basal es en realidad solo un centríolo modificado [matemática] ^ 7 [/ math] 7 start superscript, 7, end superscript. Un centríolo es un cilindro de nueve tripletes de microtúbulos, unidos por proteínas de soporte. Los centritrilos son más conocidos por su papel en centrosomas , estructuras que actúan como centros organizadores de microtúbulos en células animales. Un centrosoma consiste en dos centrioles orientados en ángulos rectos entre sí, rodeados por una masa de “material pericentriolar”, que proporciona sitios de anclaje para los microtúbulos [matemáticas] ^ 8 [/ matemáticas] 8 comienza el superíndice, 8, extremo superíndice .

Imagen de un centrosoma. El centrosoma contiene dos centriolos posicionados en ángulos rectos entre sí.

Crédito de la imagen: modificación de “ Centriole”, por Kelvinsong ( CC BY 3.0 )

El centrosoma se duplica antes de que una célula se divida, y los centrosomas emparejados parecen desempeñar un papel en la organización de los microtúbulos que separan los cromosomas durante la división celular. Sin embargo, la función exacta de los centriolos en este proceso todavía no está clara. Las células con su centrosoma eliminado aún pueden dividirse, y las células vegetales, que carecen de centrosomas, se dividen muy bien