Los filamentos intermedios son componentes importantes del sistema citoesquelético de la célula. Pueden estabilizar orgánulos, como el núcleo, o pueden participar en uniones especializadas. Se distinguen de los «filamentos finos» por su tamaño (8-10 nm) y por el hecho de que los filamentos finos son obviamente móviles. Sin embargo, pruebas recientes indican que los filamentos intermedios también pueden tener propiedades dinámicas. Véase la barra lateral para ver algunas fotografías.
Los filamentos intermedios son uno de los tres tipos de elementos del citoesqueleto. Los otros dos son los filamentos finos (actina) y los microtúbulos. Con frecuencia, los tres componentes trabajan juntos para mejorar tanto la integridad estructural, la forma de la célula y la motilidad de la misma y de los orgánulos. Los filamentos intermedios son estables y duraderos. Tienen un diámetro de entre 8 y 10 nm (tamaño intermedio en comparación con los filamentos finos y los microtúbulos). Son prominentes en las células que soportan el estrés mecánico y son la parte más insoluble de la célula. Los filamentos intermedios pueden ser disociados por la urea.
Hay cinco tipos diferentes de filamentos intermedios:
- Tipos I y II: queratina ácida y queratina básica, respectivamente. Producidos por diferentes tipos de células epiteliales (vejiga, piel, etc).
- Tipo III. Los filamentos intermedios se distribuyen en varios tipos de células, entre ellas: Vimentina en fibroblastos, células endoteliales y leucocitos; desmina en el músculo; factor ácido fibrilar glial en los astrocitos y otros tipos de glía, y periferina en las fibras nerviosas periféricas.
- Neurofilamentos tipo IV H (pesados), M (medios) y L (bajos). Los modificadores se refieren al peso molecular de las proteínas NF. Otro tipo IV es la «internexina» y algunos IV no estándar se encuentran en las fibras del cristalino del ojo (filensina y facinina).
- El tipo V son las lamininas que tienen una secuencia de señal nuclear para poder formar un soporte filamentoso dentro de la membrana nuclear interna. Las lamininas son vitales para la re-formación de la envoltura nuclear después de la división celular.
- Plectina: Se une de forma cruzada a los microtúbulos
- Receptor de laminina B: se une a la membrana nuclear interna
- Anquilosina: une la actina a los filamentos intermedios en la base de la célula
- Desmoplakina: se une a los filamentos intermedios en el lugar del desmosoma
Polimerización del filamento intermedio.
El monómero:
Cada monómero del filamento intermedio consiste en un dominio de varilla alfa helicoidal, que conecta los terminales amino (cabeza) y carboxilo( cola). La figura siguiente (16-12 de Alberts et al Biology of the cell, Garland Publishing, N.Y. 1996) muestra algunos ejemplos de monómeros.
Las varillas se enrollan alrededor de otro filamento como un cabo para formar un dímero. Los terminales N y C de cada filamento están alineados. Algunos filamentos intermedios forman homodímeros; otros forman heterodímeros.
Estos dímeros forman entonces tetrámeros escalonados que se alinean cabeza-cola. Nótese que los terminales carboxi y amino se proyectan desde este protofilamento. Este tetrámero se considera la subunidad básica del filamento intermedio.
El filamento final de 10 nm es un conjunto helicoidal de estos tetrámeros.
Regulación del ensamblaje o desensamblaje de los filamentos intermedios.
La mayoría de los filamentos intermedios están completamente polimerizados. Sin embargo, hay pruebas de que incluso estas estructuras estables tienen propiedades dinámicas. Hay algo de tetrámero libre en el citoplasma, como si éste fuera la subunidad básica para el ensamblaje de nuevos filamentos. Además, si se fosforilan residuos de serina en los aminoterminales se puede provocar el desensamblaje.
Se añade el tetrámero etiquetado a una célula que produce ese tipo de filamento intermedio. Se puede observar cómo el tetrámero se incorpora al sistema citoesquelético y la etiqueta se ve en una matriz lineal o en forma de garabato. Si se añade a una célula que no produce normalmente el tetrámero, entonces no se incorporará y el sistema del citoesqueleto no se «iluminará».
Esto se puede comprobar mediante la recuperación de la fluorescencia tras el fotoblanqueo (FRAP)
Esta técnica utiliza luz láser UV para blanquear un área de la etiqueta en una célula. A continuación, se puede cronometrar la recuperación de la etiqueta, ya sea tras la introducción de nuevo material etiquetado, o a través del simple movimiento de la etiqueta en la estructura. En el caso de los filamentos intermedios, la FRAP permite detectar la incorporación de tetrámeros marcados en un punto blanqueado del citoesqueleto. Se pueden comparar los tiempos de incorporación de diferentes tipos de tetrámeros en diferentes tipos de filamentos intermedios. También se puede observar la motilidad de estas estructuras. El documento que se leerá para esta conferencia muestra ejemplos de estos dos tipos de pruebas. En la célula de abajo, se forma una mancha oscura después del fotoblanqueo con láser. La mancha es más pequeña después de 30 minutos y casi desaparece después de 2 h.
Las proteínas asociadas a los filamentos intermedios
Las proteínas asociadas a los filamentos intermedios pueden unirse a los filamentos en enlaces cruzados (para mejorar la estabilidad), o pueden unir los filamentos a otras estructuras. Algunos ejemplos se ven a continuación.
Tipos de filamentos intermedios
Laminas
En la evolución, las Laminas fueron probablemente los primeros filamentos intermedios fabricados.Tienen un dominio de varilla muy largo y llevan una señal de transporte nuclear porque residen en el núcleo justo debajo de la envoltura nuclear. Son continuos excepto por una ruptura en los sitios del complejo de poros nucleares.
Arriba se muestran formando un conjunto en forma de celosía (de Albertset al, Garland Press, NY). La figura de la izquierda es una micrografía electrónica de la zona que contiene las láminas, justo dentro de la envoltura nuclear. Son difíciles de distinguir de la densa heterocromatina cercana.
Las laminas se fosforilan al final de la profase y esto hace que se desarmen a medida que la envoltura nuclear también se rompe. A continuación, el fosfato se elimina justo antes de que se formen los núcleos de la célula hija y los filamentos de las láminas se vuelven a ensamblar alrededor de cada conjunto de cromosomas, bajo la membrana nuclear interna de cada célula hija. Se puede bloquear este proceso añadiendo anticuerpos a las láminas antes de que se formen las membranas nucleares.
Las uniones especializadas
Los filamentos intermedios de los tipos I y II son queratinas ácidas y básicas, respectivamente. Sus monómeros se encuentran en las mismas células y los dímeros deben contener uno de cada tipo (un heterodímero). Si se dan monómeros marcados de un solo tipo, pocas células añadirán la etiqueta al sistema citoesquelético. Sin embargo, si uno da monómeros de ambos tipos, los sistemas citoesqueléticos de queratina estarán muy marcados.
Las queratinas también tienen subtipos que son únicos para diferentes células epiteliales (vejiga, piel, etc) o incluso diferentes subconjuntos de un tipo de célula (como las células epidérmicas basales). Esto es útil en la detección del origen de las células de un tumor, especialmente de las células que han hecho metástasis.
En los epitelios, los filamentos intermedios de las queratinas forman uniones que mantienen a las células unidas (desmosomas), o fijan las células a la matriz (hemidesmosomas). En las células musculares, los filamentos intermedios que forman el desmosoma son «desminas».
Desmosomas: Dos placas de células adyacentes (que contienen desmoplaquina y otras proteínas) están conectadas por moléculas de caderina. Estas moléculas están unidas por el calcio. Los filamentos intermedios hacen un bucle en las placas extendiéndose hacia el citoplasma. Esto une estructuralmente a dos células. Queratinas
Las células de arriba son de la piel y las células parecen tener espinas proyectadas que tocan las espinas de las células adyacentes. En realidad, se trata de lugares de conexión de desmosomas, que es una unión vital en la piel. La técnica de fijación ha hecho que las células se encojan, dejando visibles los lugares de conexión. A la izquierda se ve una micrografía electrónica que muestra un desmosoma. Los filamentos intermedios se enrollan de forma casi paralela.
Los pacientes que producen anticuerpos contra las moléculas de cadherina tendrán desmosomas débiles o ausentes y la piel formará ampollas. Estas zonas llenas de líquido estarán en las regiones donde se encuentran las células con espinas.
Hemidesmosomas: Son sitios de conexiones en la base de una célula epitelial con la matriz. La viñeta de abajo muestra los componentes. Los filamentos intermedios están pegados en una placa (como la placa del desmosoma) y las moléculas de Integrina (receptores para las proteínas de la matriz) ayudan a conectar el sitio con la matriz.
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Filamentos intermedios tipo III
Se encuentran en una variedad de tipos de células. Cada uno es único para ese tipo de célula y se utiliza para identificar el tejido que contiene ese tipo de célula. La vimentina se encuentra en las células derivadas del mesodermo: fibroblastos, células endoteliales, glóbulos blancos;
La desmina se encuentra en las células musculares, conectando los discos Z y puede conectar el centro de las unidades contráctiles. También se encuentra conectando a los desmosomas en uniones especializadas (músculo cardíaco).
La proteína ácida fibrilar glial se encuentra en las células gliales del sistema nervioso central.
Filamentos intermedios de tipo IV
Incluyen los neurofilamentos L, M o H (llamados así por su bajo, medio o alto peso molecular. Estos neurofilamentos están unidos por puentes cruzados de plectina entre sí y con los microtúbulos. Esto añade fuerza y espaciamiento.
Las proteínas de los neurofilamentos aumentan el diámetro del axón y por lo tanto influyen en su función (los axones más grandes conducen más rápido).
Para más información, contacte con:
Gwen Childs, Ph.D.,FAAA
Profesora y Directora
Departamento de Neurobiología y Ciencias del Desarrollo
Universidad de Arkansas para las Ciencias Médicas
Little Rock, AR 72205
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