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Citoesqueleto

Consiste en una estructura dinámica formada por una red de filamentos de proteínas que se extienden por el citoplasma de las células eucariotas. Sus funciones son:

Proporcionar un armazón estructural. Determinar la forma celular y la organización del citoplasma. Ser responsable de los movimientos de la célula, incluyendo el transporte

interno de los orgánulos y los cromosomas mitóticos a través del citoplasma.

Está constituido por tres tipos de filamentos de proteína:

Filamentos de actina (o microfilamentos): 7nm de diámetro. Abundan en la periferia de la célula, bajo la membrana plasmática y otorgan elasticidad, dando soporte mecánico, determinando la forma celular y permite a las células migrar, engullir partículas y dividirse.

Filamentos intermedios: entre 8 y 11 nm de diámetro. otorgan resistencia mecánica, son el soporte de las estructuras, posicionan y anclan el núcleo y ayuda a organizar la estructura interna de la célula.

Microtúbulos: 25nm de diámetro. Son poco deformables, son la “red de carreteras” de la célula, determinan el huso mitótico.

Estos tres se mantienen juntos y unidos a los orgánulos y a la membrana mediante varias proteínas accesorias.

Filamentos de actina

Son fibras delgadas y flexibles de varios micrómetros de longitud formadas por una proteína llamada actina, la cual polimeriza y forma estos filamentos. Se organizan formando haces o redes con las propiedades de un gel semisólido.

Ensamblaje y desensamblaje

La actina globular (actina G) es una proteína de 365 a.a (43kDa), cada monómero tiene sitios de unión que median la interacción cabeza-cola con otros dos monómeros para formar filamentos. En los filamentos cada monómero está girado 166º, dándole a los filamentos una apariencia de hélice de doble cadena.

La actina polimeriza espontáneamente si se aumenta la fuerza iónica a niveles fisiológicos. Gran parte de su comportamiento es una propiedad de los propios monómeros y filamentos de actina.

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Polimerización: La polimerización consta de tres etapas y es vital para procesos como la división celular.

1. Nucleación: formación de un pequeño agregado de tres monómeros de actina.

2. Elongación: reversiblemente se adicionan monómeros a ambos extremos, sin embargo, un extremo (el protuberante) crece de cinco a diez veces más rápido que el extremo puntiagudo (donde se despolimeriza).

Los monómeros de actina unen ATP, el cual se hidroliza a ADP tras el ensamblaje del filamento. La actina-ATP se disocia con menos facilidad que la actina-ADP, por lo tanto el ATP no es necesario para la polimerización, pero los monómeros polimerizan más rápido si están unidos a éste.

3. Estado estacionario: cuando se alcanza cierta longitud, la cantidad y la velocidad de monómeros que se adicionan al extremo protuberante (actina-ATP) iguala la velocidad con la que se disocian en el extremo puntiagudo (actina-ADP). En consecuencia, el filamento mantiene una longitud constante, mientras que los monómeros que lo componen se translocan de un extremo a otro, este fenómeno es llamado intercambio rotatorio o treadmilling.

La velocidad a la que los monómeros de actina polimerizan es proporcional a su concentración, sin embargo la velocidad de disociación es independiente de la concentración de monómeros libres.

Proteínas de unión a la actina: regulan la formación y la estabilidad del citoesqueleto

Formina y Arp2/3: en la nucleacióndeterminan donde se forman los filamentos en el interior celular. Las forminas se unen a los extremos protuberantes y añaden monómeros nuevos, mientras que el complejo Arp2/3, formado por 7 proteínas (dos similares a la actina), se une a la actina-ATP cerca del extremo protuberante y ramifica el filamento.

Tropomiosinas y nebulinas: son proteínas que se unen a lo largo de los filamentos de actina, estabilizándolos y, en ausencia de un impulso nervioso, bloqueando los sitios de unión a la miosina.

CapZ y tropomodulina: Estabilizan los filamentos formando una caperuza en sus extremos, previniendo la disociación.

ADF/cofilina, gelsolina y limosina: se unen a los filamentos de actina y favorece la tasa de disociación de los monómeros de actina-ADP, además,

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la ADF/cofilina permanece unida a los monómeros de actina-ADP e impide su reincorporación a los filamentos.

Profilina y la twinfilina: estimulan la incorporación de monómeros de actina en filamentos pues intercambian ADP por ATP. Algunas forminas se unen a la profilina mientras permanecen unidos a los monómeros de actina-ATP y de esta manera agilizan la polimerización de los filamentos.

Todas estas proteínas están controladas por mecanismos de señalización celular, en algunas células, el ensamblaje y desensamblaje de los microfilamentos usa la mitad del ATP de la célula.

La actina y muchas de las proteínas que se unen a ella, se localizan en el núcleo. Las proteínas relacionadas con la actina están implicadas en la remodelación de la cromatina y participan en el ensamblaje del núcleo después de la división celular.

Organización de los filamentos de actina

Los filamentos individuales se organizan en dos tipos de estructuras que desempeñan distintos papeles en la célula:

Haces de actina: los filamentos se unen por puentes cruzados y se disponen en estructuras paralelas.

Haz paralelo: los filamentos están estrechamente agrupados, alineados en paralelo, con sus extremos protuberantes adyacentes a la membrana plasmática, cada filamento con la misma polaridad. Tiene la función de formar las microvellosidades. La fimbrina es una proteína que tiene dos dominios adyacentes de unión a actina, uniéndose como un monómero y formando estas estructuras.

Haz contráctil: sus filamentos están más espaciados y son capaces de contraerse (un anillo contráctil de actina divide a la célula en dos tras la mitosis). Estas estructuras se forman por la α-actina, la cual se une a la actina como un dímero en el cual cada proteína tiene un único dominio de unión a la actina y un dominio espaciador en α-hélice.

Redes de actina: los filamentos se unen por puentes cruzados con una disposición ortogonal más holgada, formando mallas. Las proteínas que entrelazan los filamentos en redes son largas y flexibles, como la filamina, la cual se fija a la actina como un dímero, donde cada subunidad contiene un dominio espaciador en lámina β, un dominio de unión a la actina y un dominio de dimerización, los cuales están en extremos opuestos.

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Por lo tanto, la asociación de los filamentos viene determinada por el tamaño y la forma de las proteínas de entrecruzamiento.

Córtex celular

Es una red de filamentos de actina ubicada bajo la membrana plasmática y asociada a ésta que determina la forma de la célula, le da soporte estructural y está implicada en el movimiento celular.

La espectrina (o fodrina) es una proteína de unión a la actina que se relaciona con la filamina. Ésta está siempre dimerizada formando una doble cadena, α y β. La cadena β es el único dominio de unión a la actina en su N-terminal. Ambas cadenas se asocian cabeza con cabeza para formar tetrámeros con dos dominios de unión a la actina separados por aproximadamente 20nm. Los extremos de los tetrámeros se asocian con filamentos cortos de actina, formando una red de espectrina-actina que forma el citoesqueleto cortical.

El nexo entre la red de espectrina-actina y la membrana está dado por la anquirina, que se una a la espectrina y al dominio citoplasmático de una proteína transmembrana (la banda 3). Además de esto, la proteína 4.1 se fija a las uniones de espectrina-actina y reconoce el dominio citoplasmático de otra proteína transmembrana (la glicoforina).

La mayoría de las células tienen regiones especializadas en la membrana plasmática que establecen contactos con células adyacentes, la matriz extracelular y otros sustratos. También sirven como sitios de unión para los haces de actina que anclan el citoesqueleto a las zonas de contacto celular.

Adhesiones focales: son uniones entre la célula y la matriz extracelular, mediadas por la unión de las integrinas a proteínas de la matriz extracelular. También sirven como sitios de sujeción para unos haces de actina de gran tamaño llamados fibras de estrés. Las fibras de estrés son haces contráctiles de filamentos de actina, que anclan a la célula y ejercen tensión sobre el sustrato de la matriz celular. Estas fibras se unen al dominio citoplasmático de las integrinas mediante asociaciones complejas en las que intervienen un gran número de proteínas como la talina y la vinculina.

Uniones de adherencia: son uniones de contacto célula-célula donde el citoesqueleto de actina está anclado. En las capas epiteliales esas uniones forman una estructura continua en forma de cinturón (llamado cinturón de adhesión) alrededor de cada célula, de tal manera que un haz contráctil de actina se una a la membrana plasmática. El contacto entre las células en las uniones de adherencia está mediado por proteínas transmembrana llamadas cadherinas, las cuales

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forman un complejo con las proteínas citoplasmáticas cateninas (α y β), que anclan los filamentos de actina a la membrana. A su vez, una proteína llamada p120 regula la estabilidad de la unión.

Protuberancias:

Microvellosidades: Son protuberancias de la superficie celular implicadas en la absorción de nutrientes y en la detección de vibraciones sonoras. Los filamentos de actina centrales de las microvellosidades se entrelazan mediante la fimbrina y la villina. A lo largo de su estructura se unen a la membrana plasmática a través de brazos laterales de miosina I y calmodulina (una proteína fijadora de calcio). Los extremos protuberantes de los filamentos de actina están inmersos en una cápsula de proteínas en la punta de la microvellosidad. En la base, los haces de actina están anclados en una región rica en espectrina, llamada red terminal, que entrelaza y estabiliza las microvellosidades.

Pseudópodos: Extensiones de un ancho moderado, basados en redes de actina, responsables de la fagocitosis y el movimiento de amebas sobre una superficie.

Lamelipodios: Extensiones anchas del borde apical de los fibroblastos involucrados en el movimiento celular.

Movimiento celular

Los filamentos de actina en relación con la miosina son responsables de muchos tipos de movimiento celular. La miosina es una proteína que convierte ATP en energía mecánica, siendo un motor molecular.

Contracción muscular: existen tres tipos de células musculares (músculo esquelético, músculo cardíaco y músculo liso)

Los músculos esqueléticos son haces de fibras musculares (células individuales grandes), la mayor parte de su citoplasma está constituido por miofibrillas (haces cilíndricos de filamentos gruesos de miosina y filamentos delgados de actina). Cada miofibrilla es una cadena de unidades contráctiles, llamadas sarcómeros.

Los sarcómeros están compuestos de varias regiones diferenciadas: Linea Z: delimita cada sarcómero, es el sitio de unión de la actinina con la

actinina adyacente. Está “dentro” de la banda I. Contiene α-actinina Banda I: banda claras. Contienen solo filamentos de actina.

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Banda A: banda oscura. Contienen filamentos de miosina y de actina en su región periférica y sólo miosina en el centro (zona H).

Línea M: zona media donde los filamentos de miosina se unen con los filamentos de miosina adyacente, “divide” la zona H. Es el centro del sarcómero.

Los filamentos de actina se unen por sus extremos protuberantes a la línea Z.

Otras dos proteínas, la titina y la nebulina, contribuyen a la estructura y estabilidad del sarcómero. La titina es una proteína extremadamente larga, y se extienden moléculas desde la línea M hasta la línea Z, manteniendo los filamentos de miosina centrados en el sarcómero y actuando como resorte, recuperando la longitud de la miofibrilla después de la contracción muscular. Los filamentos de nebulina están asociados con la actina y regulan el ensamblaje de los filamentos de actina, determinando su longitud.

Durante la contracción muscular, cada sarcómero se encoge, acercando las líneas Z. La amplitud de la banda A no varía, pero la banda I y la zona H casi desaparecen por completo. Esto ocurre porque los filamentos de actina y miosina se deslizan uno sobre otro, por lo que los filamentos de actina ocupan la banda A y la zona H.

La base molecular de esta interacción es la unión de la miosina a los filamentos de actina, lo que permite a la miosina funcionar como un motor que dirige el desplazamiento de los filamentos. Debido a que los monómeros de actina están orientados en la misma dirección, los filamentos presentan una polaridad diferenciada, la cual es importante para establecer una dirección única en el movimiento de la miosina respecto a la actina. La mayor separación de los filamentos en los haces contráctiles permite a la miosina interaccionar con los filamentos de actina.

La miosina II, presente en el músculo, es una proteína muy grande, constituida por dos cadenas pesadas y dos cadenas ligeras. Cada cadena pesada consta de una cabeza globular y una cola larga en α-hélice. Las colas de dos cadenas pesadas se enrollan una alrededor de la otra para formar un dímero y dos cadenas ligeras se asocian con el cuello de cada región de la cabeza para formar una molécula completa.

Los filamentos del músculo están constituidos por varios cientos de moléculas de miosina, unidas por interacciones entre sus colas, en una disposición paralela escalonada. Las cabezas globulares de miosina se unen a la actina, la miosina mueve sus grupos de cabeza a lo largo del filamento de actina en la dirección del

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extremo protuberante. Este movimiento desliza los filamentos de actina desde ambos lados del sarcómero hacia la línea M.

Además de unirse a la actina, las cabezas de miosina fijan e hidrolizan ATP, el cual proporciona la energía para dirigir el deslizamiento de los filamentos. La hidrólisis del ATP provoca repetidos ciclos de interacción entre las cabezas de la miosina y la actina.

1. La miosina, en ausencia de ATP, está unida a la actina. 2. La unión de ATP disocia el complejo miosina-actina.3. La hidrólisis del ATP induce un cambio conformacional en la miosina.

Este cambio afecta a la región del cuello de la miosina que une las cadenas ligeras, que actúa como un brazo de palanca desplazando la miosina 5nm.

4. Los productos de la hidrolisis (ADP + Pi) permanecen unidos a la cabeza de miosina, la cual se vuelve a unir al filamento de actina en una nueva posición, liberando Pi y ADP.

5. La cabeza de miosina adopta de nuevo su conformación inicial.

La contracción del músculo esquelético es disparada por impulsos nerviosos que estimulan la liberación de calcio desde el retículo sarcoplásmico, esto incrementa notablemente la concentración de calcio en el citosol, donde es muy baja. Éste aumento es la señal para la contracción muscular, interviniendo dos proteínas unidas a los filamentos de actina: la tropomiosina y la troponina.

En el músculo estriado, cada tropomiosina se une a la troponina, la cual es un complejo de tres polipéptidos: TnI (inhibitorio), TnC (de unión a Ca+2) y TnT (de unión a la tropomiosina). Cuando la concentración de calcio es baja, el complejo tropomiosina-troponina bloquea la interacción de casi todas las actinas con los grupos de cabeza de miosina. A altas concentraciones, la unión de calcio con la troponina C altera la disposición del complejo, dejando expuesto los sitios de unión a la miosina y permitiendo el acceso de las cabezas de miosina.

En el músculo liso la contracción se regula principalmente por la fosforilación de una de las cadenas ligeras de la miosina, la cadena reguladora, mediante la enzima quinasa de la cadena ligera de la miosina, la cual está regulada por la asociación con la proteína de unión a calcio, calmodulina.

1. El aumento del calcio citosólico promueve la unión de la calmodulina a la quinasa de cadena ligera de la miosina (MLCK).

2. El complejo calmodulina/MLCK fosforila la cadena ligera reguladora de la miosina II, provocando que la miosina se active.

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Ésta fosforilación tiene dos efectos: promover el ensamblaje de la miosina en filamentos y aumentar la actividad catalítica de la miosina.

Contracción no muscular: o Citocinesis: es la división de una célula en dos tras la mitosis. Hacia el final

de la mitosis, un anillo contráctil formado por filamentos de actina y miosina II se ensambla por acción de una miosina unida a la membrana unida justo debajo de ésta. Al contraerse, tira progresivamente de la membrana plasmática hacia dentro, “estrangulando” la célula por el centro y dividiéndola en dos. El grosor del anillo permanece constante mientras se contrae, lo que implica que los filamentos de actina se desensamblan a medida que avanza la contracción. Tras la división el anillo de disgrega por completo.

Las miosinas no musculares, por ejemplo proteínas de miosina I, contienen un

grupo globular que forma la cabeza que actúa como un motor molecular, pero carecen de colas largas. En lugar de formar dímeros, sus colas se unen a otras estructuras, como vesículas u orgánulos. El movimiento de la miosina I a lo largo de un filamento de actina puede entonces transportar la carga que lleve unida.

Otra función es la formación de los brazos laterales que unen la actina a la membrana plasmática en las microvellosidades intestinales, donde puede mover la membrana a lo largo de los haces de actina hacia la punta de la microvellosidad.

Al menos otras 12 clases de miosinas no musculares han sido identificadas, pueden tener una o dos cabezas. Las miosinas V y VI están relacionadas con el movimiento de los orgánulos, mientras que otras están relacionadas con funciones sensoriales (miosina III: visión; miosina VI y VII: audición). La miosina VI tiene la particularidad de que se mueve hacia los extremos puntiagudos de los filamentos de actina. Otras miosinas no participan en el transporte sino en la reorganización de los filamentos de actina.

Varios ejemplos del movimiento celular son los movimientos de las amebas, la migración de células embrionarias, la invasión de tejidos por los glóbulos blancos para combatir una infección, la migración de las células implicadas en la cicatrización, la fagocitosis, la extensión de las prolongaciones de las células nerviosas durante el desarrollo del sistema nervioso, y la propagación de células cancerosas durante la metástasis de los tumores malignos.

La extensión del frente de avance implica la ramificación y polimerización de los filamentos de actina. Por ejemplo, la inhibición de la polimerización de actina bloquea la formación de extensiones de la superficie celular. El proceso que subyace la extensión de las prolongaciones celulares es la fuerza de la

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polimerización de filamentos de actina contra la membrana celular en el frente de avance.

Las células se desplazan en respuesta a señales de otras células o del ambiente. Las señales que estimulan el movimiento celular activan receptores en una pequeña área de la membrana celular, dando lugar al reclutamiento de proteínas de membrana y a la formación de lípidos especializados en esta área. Estas proteínas y lípidos, reclutan a las proteínas de unión a la actina (Arp2/3, su activador, el complejo WASP/Scar y las proteínas de unión a los extremos protuberantes que conectan los filamentos con la membrana). A medida que los extremos protuberantes de los filamentos de actina en el frente de avance crecen y se ramifican, los extremos puntiagudos son desensamblados por acción de la ADF/cofilina. Los monómeros de ADP-acina se transportan hacia los extremos protuberantes por acción de la twinfilina y se reactivan a través del intercambio de ADP/ATP mediado por la profilina. A medida que se extienden los nuevos microfilamentos en el proceso celular en crecimiento, los microtúbulos y los nuevos microfilamentos proporcionan vías para el envío de vesículas y proteínas necesarias para una extensión continuada, como son las proteínas encargadas de formar fibras de estrés inmediatamente detrás del frente de avance (proteínas empaquetadoras de actina) y como las proteínas de adhesión focal: talina y vinculina.

La adhesión celular a la superficie requiere una reconstrucción del sustrato celular o de las adhesiones célula-célula, que, para células de movimiento lento, como células epiteliales o los fibroblastos, la adhesión implica la formación de adherencias focales.

La reconstrucción de las adhesiones focales se hace en dos pasos:

1. La aparición de pequeños complejos focales que contienen pocos filamentos de actina adheridos a integrinas

2. El crecimiento de dichos complejos focales para dar contactos focales maduros.

La vinculina y la talina son activadas mediante el contacto con los lípidos de la membrana. A su vez, activan integrinas con los filamentos de actina.

El estadio final de la migración celular, la retracción del extremo de arrastre, implica la acción de las proteínas de unión a GTP de la familia ARF y Rho, que regulan la degradación de las adhesiones focales existentes y estimulan la endocitosis de la membrana en el extremo de arrastre.

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Filamentos intermedios

Son agrupaciones de proteínas fibrosas de aproximadamente 8nm de diámetro que no están directamente implicados en los movimientos celulares, sino que le confieren resistencia mecánica a las células y los tejidos y crean un armazón en el que pueden tener lugar diversos procesos celulares.

Los filamentos intermedios suelen ser más estables que los filamentos de actina o los microtúbulos y no tienen su comportamiento dinámico. Sin embargo, las proteínas de filamentos intermedios suelen ser modificadas por fosforilación, que puede regular su ensamblaje y desensamblaje. Por ejemplo, cuando se fosforilan las láminas nucleares, que da como resultado su desensamblaje y la disgregación de la envuelta nuclear durante la mitosis; o cuando se fosforila la vimentina, que puede llevar a su desensamblaje y reorganización durante los procesos de división o migración celular.

Estructura

Los filamentos intermedios están compuestos por más de 65 proteínas que se expresan en distintos tipos de células, clasificadas en seis grupos distintos.

Tipos I (ácidas) y II (neutras/básicas): son queratinas. Cada grupo está constituido por aproximadamente 15 proteínas diferentes, que se expresan en las células epiteliales. Algunas queratinas (duras) son constituyentes del pelo, uñas y cuernos; otras (blandas) son abundantes en el citoplasma de las células epiteliales, expresándose queratinas diferentes en los distintos tipos diferenciados de células.

Tipo III: incluyen a la vimentina, que se encuentra en diferentes tipos de células (fibroblastos, células de músculo liso y glóbulos blancos). La vicentina forma una red que se extiende desde el núcleo hacia la periferia. Otra proteína, la desmina, se expresa en las células musculares, donde conecta los discos Z de los elementos contráctiles individuales.

Tipo IV: incluyen a las tres proteínas de neurofilamentos: NF-L, NF-M, NF-H, que forman los filamentos intermedios de muchos tipos de neuronas maduras. Otra proteína, la α-internexina, se expresa en una etapa anterior del desarrollo neuronal, previa a la expresión de las NF.

Tipo V: son las láminas nucleares. Tipo VI: incluyen a las nestinas, las cuales se expresan durante el

desarrollo embrionario en diversos tipos de células madre del sistema nervioso central. Difieren de otros filamentos intermedios en que solo polimerizan si están presentes en la célula otros filamentos intermedios. A menudo se clasifican como pertenecientes al tipo IV.

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A pesar de su gran variedad, todas presentan una organización estructural común: todas tienen un dominio en α-helice como eje central de aproximadamente 310 a.a (350 en las láminas nucleares). Este dominio está flanqueado por dominios N y C terminales, que varían en secuencia, tamaño y estructura secundaria.

Los dominios centrales juegan un papel fundamental en el ensamblaje de los filamentos, mientras que los dominios de cabeza y cola determinan las funciones específicas de las proteínas de los filamentos.

El ensamblaje requiere interacciones entre los tipos específicos de proteínas de filamentos intermedios. Por ejemplo, los filamentos de queratina se ensamblan a partir de heterodímeros que contienen una proteína de tipo I y otra de tipo II. Las proteínas de tipo III se pueden ensamblar en filamentos constituidos por un solo polipéptido o por dos proteínas diferentes. Sin embargo, las proteínas de tipo III no forman copolímeros con las queratinas. La α-internexina puede ensamblarse en filamentos consigo misma, mientras que las tres NF copolimerizan para formar heterodímeros.

Ensamblaje

1. Se forman dímeros en los cuales los dominios de eje central de dos cadenas están enrollados en una estructura de espiral similar a la de las cadenas pesadas de la miosina II.

2. Los dimeros se asocian de un modo escalonado antiparalelo para formar tetrámeros, que se ensamblan extremo con extremo para formar protofilamentos. Como se ensamblan antiparalelamente, los extremos son equivalentes y apolares, a diferencia de los microfilamentos y los microtúbulos.

Función

Los filamentos normalmente no son muy rígidos, pero se endurecen y resisten la rotura cuando se someten a un estrés elevado. Por lo tanto, recientemente se ha descubierto que su función principal es conferir resistencia al citoesqueleto de las células en los tejidos de los organismos multicelulares, donde están sujetos a una gran variedad de tensiones mecánicas que no afectan a las células en el ambiente de una placa de cultivo.

Si por una mutación, por ejemplo, se hace imposible que se formen filamentos normales de queratina o los neurofilamentos de las motoneuronas, se pueden desarrollar alteraciones graves en la piel (la cual desarrollaría ampollas bajo un roce leve), o enfermedades como esclerosis lateral amiotrófica, respectivamente.

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Organización intracelular

Los filamentos intermedios forman una red en el citoplasma de la mayoría de las células, extendiéndose a partir de un anillo que rodea al núcleo hasta la membrana plasmática. Los filamentos de queratina y de vimentina se fijan a la envuelta nuclear, con la función de posicionar y anclar al núcleo. También pueden asociarse con la membrana plasmática y con otros elementos del citoesqueleto. Por esto, proporcionan un andamiaje que integra los componentes del citoesqueleto y organiza la estructura interna de la célula.

Los filamentos de queratina están fuertemente anclados a la membrana en dos áreas especializadas de contacto:

Desmosomas: uniones entre células adyacentes, en las que los contactos célula-célula están mediados por proteínas transmembrana relacionadas con las cadherinas desmosómicas (desmogleína y desmocolina). En el lado citoplasmático los desmosomas se asocian con una placa densa de proteínas intracelulares, a la que se anclan los filamentos de queratina. Estos anclajes están mediados por la desmoplaquina, la cual está unida a las cadherinas mediante placofilina y placoglobina.

Hemidesmosomas: uniones entre las células epiteliales y el tejido conectivo subyacente, en la que los filamentos de queratina se unen a las integrinas α-6 y β-4 a través de plectina, BP180 (una proteína transmembrana) y BP230.

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. A su vez, algunas plaquinas unen los filamentos intermedios a otros elementos del citoesqueleto. La plectina, por ejemplo, se une a todos los componentes del citoesqueleto, por lo que puede proporcionar puentes. Estas uniones incrementan la estabilidad mecánica de la célula.

La desmina y los neurofilamentos (dos tipos de filamentos intermedios), desempeñan un papel especializado en el músculo y en las células nerviosas, respectivamente. La desmina conecta los ensamblajes individuales de actina-miosina de las células musculares entre si y a la membrana plasmática, vinculando la acción de los elementos contráctiles individuales, mientras que los neurofilamentos le dan soporte mecánico y estabilizan otros elementos del citoesqueleto en los axones, principalmente en las motoneuronas.

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Microtúbulos

Son varillas rígidas y huecas que, al igual que los filamentos de actina, los microtúbulos son estructuras dinámicas que están continuamente ensamblándose y desensamblándose en la célula. Intervienen en la determinación de la forma celular y en diversos movimientos celulares, incluyendo algunas formas de locomoción celular, el transporte intracelular de orgánulos y la separación de los cromosomas durante la mitosis.

Estructura y ensamblaje

Los microtúbulos están compuestos exclusivamente de una proteína globular: la tubulina. Ésta es un dímero constituido por dos polipéptidos de 55kDa, α y β tubulina, además, un tercer tipo de tubulina, la γ-tubulina se localiza específicamente en el centrosoma, donde desempeña un papel clave en el inicio del ensamblaje de los microtúbulos.

Los dímeros de α y β tubulina polimerizan para formar microtúbulos, que están constituidos por 13 protofilamentos ensamblados alrededor de un centro hueco. Los protofilamentos, que están constituidos por un conjunto de dímeros de tubulina dispuestos cabeza con cola, se disponen en paralelo. Como consecuencia, los microtúbulos también están polarizados: tienen un extremo más, de crecimiento rápido y un extremo menos, de crecimiento lento. Esta polaridad determina la dirección del movimiento a lo largo de los microtúbulos.

Los dímeros de tubulina pueden despolimerizar al igual que polimerizar, por lo que los microtúbulos pueden sufrir ciclos de ensamblaje y desensamblaje rápidos. Tanto la α como la β tubulina se unen a GTP, que regula la polimerización. El GTP unido a β-tubulina se hidroliza a GDP durante o justo después de la polimerización, ésta hidrolisis disminuye la afinidad de la tubulina por las moléculas adyacentes.

Los microtúbulos también tienen un intercambio rotatorio, las moléculas de tubulina unidas a GTP se liberan del extremo menos y son reemplazadas por la adición de tubulina unidas a GTP en el extremo más. La hidrólisis de GTP en los microtúbulos produce una inestabilidad dinámica, en la que los microtúbulos individuales alternan entre ciclos de crecimiento y de acortamiento. Ésta inestabilidad depende de la velocidad de adición de la tubulina respecto a la velocidad de hidrólisis de GTP.

Los microtúbulos en la célula tienen una vida media de solo varios minutos. Ésta rápida renovación de los microtúbulos es importante para el remodelado del citoesqueleto durante la mitosis. Debido a su importante papel durante la división

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celular, los fármacos que afectan el ensamblaje de microtúbulos, bien sea inhibiendo la polimerización o estabilizándolos, tienen un gran efecto en el tratamiento del cáncer.

Disposición en la célula

La mayoría de los microtúbulos se extienden hacia fuera desde el centrosoma, que se localiza junto al núcleo cerca del centro de las células interfásicas. Durante la mitosis, los microtúbulos se extienden a partir de centrosomas duplicados para formar el huso mitótico. Como las células vegetales no poseen centrosomas organizados, los microtúbulos se extienden hacia fuera desde el núcleo.

El centrosoma está definido como un centro de organización de microtúbulos, en el que se unen los extremos menos de éstos. La proteína clave en los centrosomas es la γ-tubulina, la cual nuclea el ensamblaje de los microtúbulos. Éste tipo de tubulina está asociada con ocho o más proteínas diferentes con una estructura en forma de anillo, llamada complejo del anillo de γ-tubulina. Los centrosomas están constituídos por un par de centriolos, dispuestos en forma de L, rodeados por una matriz centrosomal amorfa.

Los centriolos son estructuras cilíndricas compuestos por nueve tripletes de microtúbulos (α, β y δ-tubulina) y son necesarios para las funciones organizadoras del centrosoma y la tasa de renovación de microtúbulos, sin embargo, no se encuentran en todas las células. Tienen una alta polaridad, con una estructura proteica en forma de rueda de carro en un extremo y varios tipos de prolongaciones que se extienden desde el otro extremo. Éstas prolongaciones (satélites y apéndices) interaccionan con proteínas específicas en la matriz del centrosoma. La γ-tubulina está asociada a la luz del centriolo. Las fibras de centrina se extienden desde los microtúbulos del triplete y se conectan con el otro centriolo.

Sin embargo, la célula puede ensamblar microtúbulos en ausencia de centrosomas, pues la γ-tubulina se encuentra también en el citosol.

Una vez ensamblados, los microtúbulos pueden ser liberados del centrosoma para organizarse en otro lugar de la célula.

Estabilidad y proteínas asociadas

La estabilidad de los microtúbulos se modifica a través de modificaciones post-traduccionales amplias de la tubulina y por interacción de los microtúbulos con proteínas asociadas a éstos (MAP). Entre las modificaciones post-traduccionales de las tubulinas, tenemos:

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Fosforilación. Acetilación. Palmitolación. Escisión de residuos de tirosina en el extremo carboxilo. Adición de varios residuos de glutamina o glicina.

Estos cambios crean sitios de unión específica de moléculas MAP. De forma similar a los microfilamentos, algunas MAP crean caperuzas en los extremos de los microtúbulos, mientras que otras provocan su desensamblaje. Otras dirigen a los microtúbulos en crecimiento a otras localizaciones, como la membrana plasmática, mediante la unión a la tubulina/GTP de los extremos positivos.

La célula controla la estabilidad de los microtúbulos fosforlilando MAPs. Algunos ejemplos de las MAP son la MAP-1, MAP-2, MAP-1C (la cual es una proteína motora que se desplaza hacia el extremo menos) tau (aislada en neuronas, principal componente de las lesiones cerebrales del alzheimer) y MAP-4 (presente en todos los tipos celulares no neuronales).

Motores

Los microtúbulos son responsable del transporte intracelular y el posicionamiento de las vesículas, la protusión de los axones de las neuronas, la separación de los cromosomas en la mitosis y el batir de cilios y flagelos. Los miembros de dos familias de proteínas motoras (las quinesinas y las dineínas) son los responsables de impulsar diversos movmientos en los que participan los microtúbulos.

Estas proteínas se mueven a lo largo de los microtúbulos en direcciones opuestas (las quinesinas hacia el extremo mas y las dineínas hacia el extremo menos) La dineína es muy abundante en los cilios.

La quinesina I es una proteína de 380kDa, constituida por dos cadenas pesadas y dos cadenas ligeras. Las cadenas pesadas tienen regiones largas de α-helice que se enrollan una alrededero de la otra en una estructura de hélice enrollada. Los dominios de cabeza N-terminal de las cadenas pesadas son los dominios motores, que se unen tanto a los microtúbulos como al ATP, cuya hidrólisis produce la energía necesaria para el movimiento. La cola de la molécula de quinesina está constituida por las cadenas ligeras unidas a los dominios C-terminales de las cadenas pesadas. Esta region es la responsable de la unión a otros componentes, como vesículas y orgánulos. Hay 45 quinesinas conocidas en el ser humano. A pesar de que la mayoría se mueve hacia el extremo mas, algunas se mueven hacia el extremo menos (éstas tienen dominios motores C-terminales) y tres quinesinas no se mueven en absoluto (cuyos dominios motores

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se encuentran en el centro de la cadena pesada), pero se unen a la tubulina para anclar los microtúbulos a otras estructuras.

La dineína es una molécula extremadamente grande de 2000kDa, constituñida por dos o tres cadenas pesadas unida con un número variable de polipéptidos ligeros. Las cadenas pesadas forman dominios globulares motores de unión a ATP que son los responsables del movimiento. En muchas ocasiones la dineína trabaja con una proteína llamada dinactina, para transportar mercancía a larga distancia. Existen al menos dos tipos de dineínas citoplasmáticas y varios tipos de dineínas axonémicas, y diferentes dineínas citoplasmáticas pueden transportar mercancías diferentes.

Los microtúbulos y sus proteínas motoras también posicionan los orgánulos con membrana dentro de la célula. El retículo endoplasmático se extiende hacia la periferia celular en asociación con los microtúbulos, si esto no fuese asi, se retraería hacia el centro de la célula. De forma similar, ubica a los lisosomas alejados del centro de la célula. Otro ejemplo es la ubicación del aparato de golgi en el centro celular, si los microtúbulos se disgregan (por farmacos o mitosis), el golgi se rompe en pequeñas vesículas que se dispersan por el citoplasma. Cuando los microtúbulos se vuelven a formar, el Golgi también lo hace y las vesículas son transportadas al centro de la célula por la dineína.

Cilios y flagelos

Son prolongaciones de la membrana plasmática constituida por microtúbulos. Ambas estructuras eucarióticas son muy similares, cada una con un diámetro de aproximadamente 0,25μm.

Los cilios se encuentran en casi todas las células animales, muchas de las cuales están recubiertas por numerosos cilios de aproximadamente 10μm de longitud. Ellos baten coordinadamente de atrás hacia adelante y una función muy importante es el movimiento de los fluidos y el mucus sobre la superficie de las capas delas células epiteliales, por ejemplo, las células ciliadas que recubren el tracto respiratorio, que lo limpian de mucus y polvo. Los flagelos, por otra parte, tienen una longitud de hasta 200μm con un tipo de batido ondulatorio.

La estructura fundamental de cilios y flagelos es el axonema, constituido por microtúbulos y sus proteínas asociadas. Los microtúbulos se disponen en un patrón de “9 + 2” en el que un par central de microtúbulos se encuentra rodeado por nueve dobletes de microtúbulos exteriores. Los dos microtúbulos de cada doblete son distintos, uno, llamado microtúbulo A está compuesto por 13 protofilamentos; el otro, llamado microtúbulo B, está compuesto por 10 u 11 protofilamentos, unidos al túbulo A. Los dobletes exteriores se conectan a los

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microtúbulos centrales mediante espinas radiales, y entre sí mediante puentes formados por una proteína llamada nexina. Además, a cada túbulo A están unidos dos brazos de dineína, cuya actividad motora dirige el batido de cilios y flagelos.

Los extremos menos de los microtúbulos de cilios y flagelos están unidos a un cuerpo basal que tiene una estructura similar a la del centriolo y que contiene nueve tripletes de microtúbulos. Estos cuerpos basales sirven para iniciar el crecimiento de los microtúbulos del axonema, y para anclar cilios y flagelos a la superficie celular.

Los movimientos de los cilios y flagelos se producen por el deslizamiento de los dobletes externos, uno respecto al otro, impulsados por la dineína. La base de la dineína se une a los túbulos A mientras que sus grupos de cabeza se unen al túbulo B del doblete adyacente.El movimiento de la cabeza de dineína hacia el extremo menos provoca que el túbulo A de un doblete se deslice hacia el extremo basal del túbulo B adyacente.

Reorganización durante la mitosis

El conjunto de microtúbulos interfásicos se disgrega y las subunidades libres de tubulina se ensamblan para formar el huso mitótico, responsable de la segregación de los cromosomas hijos. Esta reestructuración es dirigida por la duplicación del centrosoma para formar dos centros organizadores separados en polos opuestos del huso mitótico.

Los centrosomas se duplican en las células interfásicas pero permanecen juntos a un lado del núcleo hasta el comienzo de la mitosis. A medida que la célula entra en mitosis, la dinámica de ensamblaje y desensamblaje de los microtúbulos cambia drásticamente.

1. La velocidad de desensamblaje aumenta cerca de diez veces, lo que origina una despolimerización general.

2. El número de microtúbulos que emana de los centrosomas aumenta entre cinco y diez veces

La formación del huso mitótico implica la estabilización selectiva de algunos microtúbulos que irradian desde el centrosoma. Estos son de tres tipos:

Microtúbulos cinetocóricos: se unen a los cromosomas condensados de las células en sus centrómeros, que están asociados a proteínas específicas.

Microtúbulos cromosómicos: se conectan con los extremos de los cromosomas mediante la cromoquinesina.

Microtúbulos polares: no se unen a los cromosomas, sino que se estabilizan al solaparse entre sí en el centro de la célula.

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Microtúbulos astrales: se extienden desde los centrosomas hacia la periferia de la célula, con sus extremos “más” libres.

En la anafase A, donde los cromosomas se mueven hacia los polos del áster sobre los microtúbulos del cinetócoro, la dineína está asociada con los cinetócoros y puede jugar un papel en el desplazamiento hacia los polos, al igual que la quinesina que se dirige al extremo negativo. Los microtúbulos cinetocóricos se acortan a medida que avanza el movimiento cromosómico y su desensamblaje y acortamiento, así como el de los microtúbulos cromosómicos está mediado por las quinesinas de motor céntrico que actúan como enzimas despolimerizantes.

En la anafase B se separan los polos del huso, lo cual está acompañado por la elongación de los microtúbulos polares, los cuales se deslizan uno sobre otros, separando los polos del huso. Éste movimiento resulta de la acción de varias quinesinas, que forman enlaces cruzados con los microtúbulos y los desplazan, alejándolos del polo del huso. Los polos del huso son separados también por los microtúbulos astrales, este movimiento implica la acción de la dineína anclada sobre los microtúbulos astrales. Simultáneamente se despolimerizan los microtúbulos astrales por parte de las quinesinas de motor céntrico, dando lugar a la separación de los polos del huso acromático y su desplazamiento hacia la periferia celular, antes de la formación de las dos células hijas.

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Ciclo Celular

Todas las células se reproducen mediante su división en dos, cada célula parental dando lugar a dos células hijas al final de cada ciclo de división. Éstas células hijas pueden crecer y dividirse, dando lugar a una población a partir del crecimiento y la división de una única célula parental.

La división ha de ser regulada y coordinada con el crecimiento celular y la replicación del ADN. En las células eucariotas, la progresión a lo largo del ciclo celular es controlada por proteínas quinasas. En eucariotas superiores, además, está controlada por factores de crecimiento.

El ciclo de división consiste en cuatro procesos coordinados: crecimiento celular, replicación del ADN, distribución de los cromosomas duplicados a las células hijas y división celular. Sin embargo, el ciclo celular se divide en dos fases fundamentales:

Mitosis: es la división del núcleo, corresponde a la separación de los cromosomas hijos y termina en la división celular (citocinesis). Ambas duran aproximadamente 1h.

Interfase: es el intervalo entre dos mitosis. Los cromosomas se descondensan y se distribuyen por el núcleo. En esta fase es cuando ocurre el crecimiento celular y la replicación del ADN.

La interfase, a su vez, se divide en tres etapas:

G1: (11h. 2n) corresponde al intervalo entre la mitosis y el comienzo de la replicación del ADN. La célula es metabólicamente activa y está creciendo, pero no se replica su ADN.

S: (8h. 2-4n) es cuando se replica el ADN. G2: (4h. 4n) prosigue el crecimiento y se sintetizan proteínas en preparación

para la mitosis.

En cultivo, las células humanas se dividen aproximadamente cada 24h, sin embargo las células embrionarias se dividen cada 30minutos aproximadamente pues no crecen, es decir, no tienen fase G1 y G2. También hay células, como las neuronas, que cesan su división. Y otras que solo se dividen para reemplazar la pérdida de las células por muerte celular o lesión. Estas células salen de G 1 para entrar en un estado de reposo llamado G0 en el que son activas metabólicamente pero no proliferan a no ser que sea requerido y haya una señal para ello.

Regulación del ciclo celular: La progresión de las células a través del ciclo se regula por señales extracelulares, así como por señales internas que supervisan y

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coordinan los diversos procesos. La coordinación de los procesos se consigue mediante una serie de puntos de control en las distintas fases.

Uno de estos puntos de control se encuentra en la fase G1 y se conoce como punto de restricción, regulado por factores de crecimiento. En ausencia de los factores, la célula en vez de pasar a la fase S entra en un estado de G 0. Sin embargo, una vez pasado el punto de restricción, la célula continuará con el ciclo incluso en ausencia de nutrientes.

Los oocitos de los vertebrados permanecen en G2 durante varias décadas hasta que se activa la fase M por estimulación hormonal.

Puntos de control

Para que la célula, por ejemplo, no entre en mitosis antes de copiar todo el genoma, existen puntos de control que no permiten el paso a otra fase hasta que los eventos de la fase presente no se completen.

Los puntos de control de daños al ADN detectan secuencias de ADN dañado o replicado parcialmente y coordinan la progresión del ciclo celular para completar la replicación o reparar el ADN. Estos puntos de control se encuentran en las tres fases de la interfase.

Al final de la mitosis hay un punto de control importante que supervisa que los cromosomas se alineen de manera correcta en el huso mitótico, lo que asegura que se distribuya un juego completo de cromosomas a cada célula hija.

El genoma solo se replica una vez en cada ciclo celular, para controlar que no se reinicie la replicación del ADN que ya ha sido replicado antes de la mitosis se recurre a la acción de una familia de proteínas MCM que se unen a los orígenes de replicación mediante las proteínas ORC (complejo de reconocimiento del origen). Las proteínas MCM se controlan a través de los “factores licenciadores” que permiten que se inicie la replicación. MCM solo son capaces de unirse al ADN durante G1, en la fase S, cuando se inicia la transcripción, son desplazadas del origen. La asociación de MCM durante las fases S, G2 y M está bloqueada por proteínas quinasas.

Proteínas quinasas

Factor promotor de la maduración, o MPF es un regulador general del paso de G2 a M. Está compuesto por dos subunidades: cdk1 y ciclina B. La ciclina B es una subunidad reguladora que se requiere para la actividad catalítica de cdk1. MPF puede ser regulado por la fosforilación y desfosforilación de cdk1.

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1. Cdk1 forma complejos con la ciclina B en G2. 2. Cdk1 es fosforilada en la treonina-161, en la tirosina-15 y la proteína

quinasa adyacente, wee1, que inhibe a cdk1 y hace que se acumulen complejos cdk1/ciclina inactivos.

3. El complejo se activa gracias a la desfosforilación de la thr-14 y la tyr-15 por una proteína fosfatasa llamada Cdc25.

4. La proteína cdk1 fosforila varias proteínas diana que inician la fase M.5. La actividad de MPF termina hacia el final de la mitosis por la

degradación de la ciclina B por proteólisis, inactivando el complejo, lo que lleva a la célula a salir de mitosis, sufrir citocinesis y volver a la interfase.

Los ciclos celulares no se controlan solamente por múltiples ciclinas sino por múltiples proteínas quinasas llamadas Cdk (proteínas dependientes de ciclina), que se asocian con ciclinas para llevar a cabo la progresión entre las fases del ciclo.

Transiciones

En levaduras

START (G1): Cdk1 con ciclinas G1 o Cln’s (1, 2, 3). A través de S: Cdk1 con Clb5 y Clb6 De G2 a M: Cdk1 junto a ciclinas de tipo B (Clb1, Clb2, Clb3 y Clb4).

En eucariotas superiores

A través de G1: Cdk4 y Cdk6 con ciclina D. Punto de restricción G1: Cdk4 y Cdk6 con ciclina D y Cdk2/ciclina E. De G1 a S: Cdk2 en asociación con ciclina E. A través de S: Ckd2 con ciclina A1 y A2. De S a G2: Cdk1 con ciclina tipo A. A través de G2 y de G2 a M: Cdk1 con ciclina tipo B (B1, B2, B3).

Sin embargo, células que carecen de cdk2, cdk4 y cdk6 pueden proliferar, pues cdk1 puede unirse a todas las ciclinas y dirige la progresión del ciclo.

Regulación de Cdk

1. Asociación con ciclinas: síntesis y degradación.2. Fosforilación activadora de la treonina cercana a la posición 160 catalizado

por CAK (cdk7/cycH).3. Fosforilación inhibidora de la treonina 14 y de la tirosina 15 en N-terminal

catalizado por wee1.

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4. Asociación con inhibidores de cdk (CKI): ink4 inhibe a cdk4-cdk6 (progresión G1); Cip/kip se unen a las ciclinas/cdk (stimula cdk4-6/cycD y cdk1/cycB, inhibe cdk2/cycA-E)

Factores de crecimiento

En ausencia de factores de crecimiento las células no pueden rebasar el punto de control en G1 y entran en el estado G0, del cual sale al ser estimulados por los factores de crecimiento.

La síntesis de la ciclina D1 se induce en respuesta a factores de crecimiento, como resultado de la señalización Ras/Raf/MEK/ERK y la cycD sigue siendo sintetizada mientras los factores de crecimiento están presentes. Los niveles de cycD descienden bruscamente en ausencia de los factores de crecimiento pues ésta se degrada fácilmente, lo cual parece ser una señal para entrar en la fase de reposo.

Rb, una proteína sustrato de cdk4-6/cycD, es un gen supresor de tumores pues ralentiza la progresión a través del ciclo. Además, es importante en el acoplamiento de la maquinaria del ciclo celular y la expresión de genes para la progresión a través de él y la síntesis de ADN. Rb es fosforilada por cdk4-6/cycD en G1. En su estado poco fosforilado, Rb se une a los factores de transcripción E2F, los cuales están unidos a sus secuencias diana; cuando se fosforila rb, se disocia de E2F y se activa la transcripción.

E2F estimula la síntesis de cycE, necesaria para entrar en la fase S. Además, cdk2/cycE es inhibido en G0 o G1 temprana mediante p27. Para eliminar la inhibición por p27, la señalización de ras/raf/MEK/ERK y PI 3-quinasa/akt reduce la transcripción de p27; a su vez, la sintesis de cycD provoca la unión de p27 a cdk4-6/cycD, liberando a cdk2/cycE. Cdk2 fosforila p27 para que sea ubiquitinada, activando el complejo. También fosforila a Rb y la inactiva; cdk2/cycE inician la fase S, activando MCM helicasa en los ori.

 Puntos de control de lesiones en el ADN

Para mantener la integridad del genoma, se detiene la progresión del ciclo celular en respuesta a ADN dañado o incompletamente replicado. En estos puntos de control se da el tiempo suficiente para que se repare el daño antes de continuar con el ciclo.

Intervienen dos proteínas quinasas, ATM y ATR. Ellas activan una vía de señalización que no solo induce la detención del ciclo celular sino la activación de los mecanismos de reparación y, en algunos casos, la apoptosis.

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ATM se activa fundamentalmente por roturas de doble hebra, mientras que ATR lo hace por roturas de la hebra sencilla o secuencias de ADN sin replicar. Tras su activación por una lesión en el ADN, fosforilan y activan las quinasas de los puntos de control, chk2 y chk1, éstas a su vez fosforilan e inhiben o inducen la degradación de las fosfatasas cdc25, necesarias para activar a cdk1 y cdk2 a través de los residuos fosforilados inhibitorios.

La detención en G1 también está mediada por una proteína llamada p53, que es fosforilada por ATM y por Chk2. Ésta fosforilación estabiliza a p53, evitando que se degrade rápidamente. P53 es un factor de transcipción que activa la transcripción del gen que codifica el inhibidor de cdk2/ciclina E, p21.

Fase M

Durante esta fase los cromosomas se condensan, la envuelta nuclear se desintegra, el citoesqueleto se reorganiza para formar el huso mitótico y los cromosomas migran a los polos opuestos.

La mitosis se divide en cuatro etapas:

1. Profase: Aparecen los cromosomas condensados, cada uno constituido por dos

cromátidas hermanas, las cuales están entrelazadas durante S y G2, unidas a través del centrómero.

Los centrosomas se separan y migran a lados opuestos del núcleo. Se rompe la envoltura nuclear (excepto en levaduras, que tienen una

mitosis cerrada) Prometafase: los microtúbulos del huso mitótico se anclan a los cinetócoros de

los cromosomas condensados. Los cromosomas se mueven hacia delante y hacia atrás, posicionándose en la placa metafásica.2. Metafase: los cromosomas se alinean en la mitad del huso.3. Anafase: Se rompe la unión entre las cromátidas hermanas, que migran a

polos opuestos.4. Telofase: los núcleos se regeneran y los cromosomas se descondensan.

La condensación de la cromatina interfásica para dar lugar a los cromosomas compactos de las células en mitosis permite que los cromosomas se desplacen por el hiso mitótico sin romperse y sin enredarse.

Las condensinas son proteínas de mantenimiento estructural de la cromatina (SMC), que junto a las cohesinas, contribuyen a la segregación cromosómica de la mitosis.

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Las cohesinas se unen al ADN en fase S y mantienen la unión de las comátidas hermanas luego de la replicación. A medida que la célula entra en fase M las cohesinas son sustituidas por condensinas a lo largo del cromosoma, exceptuando el centrómero. La fosforilación por Cdk1 activa a las condensinas, lo que dirige la condensación cromatínica.

En la condensación de la envuelta nuclear las membranas nucleares se fragmentan, los complejos de poro nuclear se disocian y las láminas nucleares se despolimerizan, por la fosforilación de las lamininas. Cdk1 también fosforila diversas proteínas en la membrana nuclear interna y en el complejo de poro nuclear.

Las proteínas integrales de membrana nuclear son absorbidas en el retículo endoplasmático, que se mantiene intacta y se distribuye entre las células hijas. El aparato de Golgi se fragmenta en pequeñas vesículas que pueden ser absorbidas por el retículo endoplasmático o distribuidas directamente a las células hijas. La degradación del aparato de Golgi depende de la fosforilación de proteínas de la matriz por cdk1, lo cual inhibe el acoplamiento y la fusión de vesículas.

La reorganización del citoesqueleto resulta de la inestabilidad de los microtúbulos.

En la profase, la activación de cdk1 provoca la separación de los centrosomas. Estos se desplazan haca sitios opuestos y comienzan a madurar, agrandándose y reclutando γ-tubulina y otras proteínas. La maduración y la formación del huso dependen de proteínas quinasa Aurora y Polo, localizadas en el centrosoma.

La tasa incrementada de renovación de microtúbulos resulta de la fosforilación de las proteínas asociadas a microtúbulos por la acción de cdk1, aurora y polo. El número de microtúbulos que emana de los centrosomas también aumenta.

Los microtúbulos de los polos opuestos del huso se unen a los cinetócoros de las cromátidas hermanas y el equilibrio de fuerzas que actúa sobre los cromosomas es lo que provoca que se alineen en la mitad del huso.

El paso de la metafase a la anafase está mediado por la activación de la ubiquitina ligasa del complejo promotor de la anafase/ciclosoma (APC/C). Los cinetócoros libres dan lugar al ensamblaje y activación de un complejo formado por proteínas Mad/Bub que inhiben a APC/C al unirse a cdc20. Una vez que todos los cromosomas están alineados, el complejo Mad/Bub se disocia, eliminando la inhibición por cdc20 y dando lugar a la activación de APC, el cual ubiquitiniza a la ciclina B, dando lugar a su degradación y la inactivación de cdk1. Además, APC/C ubiquitiniza a la securina, dando lugar a la activación de la separasa, la cual

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degrada una subunidad de la cohesina, rompiendo el enlace entre cromátidas hermanas.

Citosinesis

Comienza en la anafase tardía y se desencadena por la inactivación del cdk1, lo que coordina la división nuclear con la división citoplasmática de la célula. La citosinesis se produce por un anillo contráctil de filamentos de actina y miosina II que se forma debajo de la membrana plasmática. La localización de este anillo queda determinada por la posición del huso, la célula se divide por un plano que pasa a través de la placa metafásica y perpendicular al huso. A medida que estos filamentos se contraen, tiran de la membrana plasmática, lo que hace que la célula se estrangule y quede dividida en dos.

Meiosis

La meiosis es un ciclo celular especializado que reduce el número de cromosomas a la mitad, dando lugar a cuatro células haploides en base a una célula diploide. Esto se realiza mediante dos rondas consecutivas de división celular, que ocurren tras una única ronda de replicación del ADN.

- Meiosis I: los cromosomas homólogos se emparejan unos con otros y luego segregan a células hijas diferentes. Las cromátidas hermanas permanecen unidas, por lo que las células hijas contienen un único miembro de cada par cromosómico, cada uno constituido por dos cromátidas hermanas.

La profase está dividida en leptoteno, zigoteno, paquiteno, diploteno y diacinesis.

La recombinación se inicia por roturas de doble hebra que se inducen en la profase temprana meiótica (leptoteno) por la acción de una endonucleasa llamada Spo11. La sinapsis comienza en el zigoteno. Durante esta etapa, una estructura proteica similar a una cremallera, llamada complejo sinaptonémico, se forma a lo largo de los cromosomas apareados. Este complejo mantiene a los cromosomas homólogos estrechamente unidos y alineados durante el paquiteno., donde permanecen unidos en los lugares del entrecruzamiento (las quiasmas). En el diploteno desaparecen los complejos sinaptonémicos y los cromosomas homólogos se separan, menos en las quiasmas, las cuales son esenciales para que se alineen correctamente en la metafase.

A diferencia de la mitosis, en la meiosis los cinetócoros están adyacentes y orientados en la misma dirección, por lo que los microtúbulos de un lado del huso se unen a las cromátidas hermanas. La anafase I comienza con la rotura de los

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quiasmas por los que se mantienen unidos los cromosomas homólogos, los cuales se separan. La meiosis II es similar a la mitosis normal.

Regulación

La meiosis está regulada solo en dos puntos:

Diploteno: en esta etapa los cromosomas se descondensan y se transcribe activamente y acumulan material de reserva, incluyendo ARN y proteínas, que se necesitan para mantener el desarrollo temprano del embrión. En los humanos se reanuda la meiosis en respuesta a una estimulación hormonal, que activa a cdk1.

Cuerpo polar: la división celular tras la meiosis I es asimétrica, dando lugar a un cuerpo polar pequeño y a un oocito grande.

Metafase II: el factor citostático (CSF) es un factor citoplasmático que detiene la mitosis, una proteína serina/treonina quinasa llamada Mos es un componente fundamental del CSF y es esencial para mantener la actividad de Cdk1/cycB (estimulando la síntesis de cycB y evitando su degradación). Las proteínas quinasas MEK, ERK y Rsk modulan la acción de Mos. Rsk fosforila la proteína Emi2, Erp1, la cual inhibe a APC/C al unirse a cdc20.

Fecundación

El espermatozoide se une a un receptor en la superficie del ovulo y se fusiona con la membrana de éste, lo que provoca un aumento del calcio en el citoplasma del óvulo gracias a la activación de la hidrólisis del fosfatdilinositol 4,5 bifosfato (PIP2). Esto induce la alteración en la superficie que impide la entrada a más espermatozoides.

Los óvulos que permanecen en la metafase II se mantienen ahí por un inhibidor de APC/C llamado Emi2/Erp1. Cuando se degrada la ciclina B y condensina se completa la segunda división meiótica, teniendo una citocinesis asimétrica y produciendo un segundo cuerpo polar pequeño.

El ovulo fecundado (zigoto) contiene dos núcleos haploides (pronúcleos), cada uno proveniente de un progenitor. Estos entran en fase S y replican su ADN mientras migran el uno hacia el otro. Cuando se encuentran, el zigoto entra en la fase M de su primera división mitótica, las dos envueltas nucleares se rompen y los cromosomas condensados de origen paterno y materno se alinean en un mismo huso.

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Términos de interés

Fuerza iónica: energía que hace que las moléculas se mantengan unidas. Ortogonal: que está en un ángulo recto, perpendicular con respecto a otro eje. Retículo sarcoplásmico: red especializada de membranas internas que almacena una elevada concentración de Ca2+. Protofilamentos: unidades proteicas y longitudinales ensambladas en 13, en círculo.Protrusión: desplazamiento de un órgano o estructura hacia delante.