Fundamentos de Biología Celular y Desarrollo Embrionario: Citoesqueleto, Movimiento y Regulación Génica

Citoesqueleto

Es una red tridimensional de proteínas que provee soporte interno en las células, organizando su estructura interna e interviniendo en los fenómenos de transporte, tráfico y división celular.

Funciones del Citoesqueleto

• Ayudan al movimiento celular.
• Facilitan el movimiento intracelular.
• Mantienen y dan la forma a la célula.
• Permiten el transporte intracelular.
• Son esenciales para la división celular.

Está compuesto por:

• Microtúbulos
• Filamentos Intermedios
• Microfilamentos

Componentes del Citoesqueleto

Microfilamentos

Son fibras de proteínas con un diámetro de 3 a 7 nm, compuestos principalmente por una proteína llamada actina. Se sitúan en la periferia de la célula y se sintetizan desde puntos específicos de la membrana celular. La asociación de los microfilamentos de actina con la proteína miosina II es responsable de la contracción muscular; con la miosina I tienen un papel asociado al transporte de vesículas.

Filamentos Intermedios

Formados por agrupaciones de proteínas fibrosas. Su nombre deriva de su diámetro, de 10 nm, que es menor que el de los microtúbulos (24 nm) pero mayor que el de los microfilamentos (7 nm). Se encuentran entre los filamentos de actina y los filamentos de miosina. Su principal función es conferir resistencia a las células contra el estrés mecánico, especialmente frente al estiramiento.

Las principales proteínas que los componen son las láminas nucleares (que se encuentran dentro de la membrana nuclear), queratinas, vimentinas y desminas.

Microtúbulos

Son estructuras tubulares con un diámetro exterior de 25 nm y un diámetro interior de unos 12 nm. Se originan en los centros organizadores de microtúbulos (COMT) y se extienden a lo largo de todo el citoplasma. Están formados por la polimerización de un dímero de proteínas globulares: la alfa-tubulina y la beta-tubulina.

Son mecanismos esenciales que conectan todo el cuerpo celular, ya que a través de ellos se desplazan los orgánulos o vesículas.

Polimerización de Microtúbulos

La polimerización se inicia en los centros organizadores de microtúbulos (COMT), donde la gamma-tubulina actúa como nucleador para el crecimiento de los microtúbulos.

Proyecciones Dinámicas

Son estructuras que provocan un dinamismo en las células, como los lamelipodios y filopodios. Estas estructuras protruyen la membrana y permiten el movimiento de la célula.

Anillo Contráctil

Se forma durante la división celular (citocinesis), una vez que los cromosomas se han separado, y es responsable de la estrangulación de la célula para formar dos células hijas.

Microtúbulos Estables

Permanecen estables en el tiempo. Ejemplos incluyen los paquetes estereocíclicos de las células ciliadas del oído interno.

Proteínas Motoras Asociadas a Microtúbulos

Aprovechan la hidrólisis de ATP para generar energía mecánica y desplazar sustancias sobre los microtúbulos.

Microtúbulos y Movimiento de las Dineínas

La dineína hidroliza ATP, lo que genera un cambio conformacional que le permite "caminar" sobre los microtúbulos. Este movimiento continuo genera un desplazamiento que termina cuando la dineína se suelta del microtúbulo, permitiendo el transporte de carga.

Movimientos de Cilios y Flagelos

Son proyecciones de la membrana plasmática, como los cilios y flagelos, que se encuentran en tejidos como el epitelio de las vías respiratorias.

Los flagelos también son cruciales para el movimiento celular en organismos unicelulares y espermatozoides.

Estructura de Cilios y Flagelos

Su estructura principal es el axonema, un haz central de microtúbulos organizado en un patrón 9+2 (nueve dobletes periféricos y dos microtúbulos centrales). En su base, se encuentra el cuerpo basal, que presenta una estructura de 9 tripletes de microtúbulos. Incluyen proteínas de uniones cruzadas y una vaina interna central.

Dineínas Axonémicas

Las dineínas axonémicas son proteínas motoras que forman los brazos internos y externos del axonema. Poseen cadenas pesadas globulares con sitios de unión a ATP.

También incluyen cadenas intermedias y ligeras que anclan el brazo de la dineína al microtúbulo.

Funciones de las Dineínas Axonémicas

• Mantener unidos los microtúbulos del axonema.
• Generar la fuerza que permite el movimiento de cilios y flagelos.
• Regular las interacciones dentro del axonema.

Su movimiento resulta del desplazamiento de los microtúbulos, impulsado por la hidrólisis de ATP por la dineína. La dineína utiliza ATP para que los dobletes de microtúbulos se deslicen uno sobre el otro, generando la curvatura.

Desplazamiento Celular

Es el resultado de la coordinación de diferentes partes de las células.

Polaridad Celular en el Movimiento

El movimiento celular requiere una polaridad definida, con estructuras y funciones diferenciadas en la parte frontal (anterior) y posterior.

Gateo Celular (Movimiento Ameboide)

Proceso por el cual una célula forma extensiones de la membrana plasmática (lamelipodios y filopodios) mediante la polimerización de microfilamentos de actina, permitiendo el avance de la célula.

Pasos del Movimiento Celular

1. Extensión

La membrana plasmática es empujada hacia adelante por la polimerización de actina. Ocurre una ramificación de nuevos extremos de filamentos de actina, mediada por el complejo ARP2/3. Proteínas como la cofilina y la gelsolina fragmentan los filamentos existentes, contribuyendo al modelo de propulsión por fuerzas elásticas y movimiento browniano.

2. Adhesión al Sustrato

Ocurre cuando la membrana extendida y el citoesqueleto se ensamblan. Los haces de actina se anclan a sitios de fijación en el sustrato (adhesiones focales), impidiendo la retracción de las laminillas y actuando como anclaje.

3. Flujo del Citosol o Traslocación del Cuerpo Celular

El contenido de la célula (incluyendo los orgánulos asociados al citoesqueleto) se desplaza hacia adelante. La parte posterior de la célula se contrae, impulsando el avance.

4. Retracción de la Adhesión Celular

Las adhesiones focales en la parte posterior de la célula se rompen. Las fibras de estrés (haces de actina-miosina) se contraen, y existe un balance entre las fuerzas mecánicas del citoesqueleto y las adhesiones celulares para permitir el movimiento continuo.

Migración Celular y Señalización

La dirección del desplazamiento celular requiere señales para coordinar los procesos en las partes anterior y posterior de la célula. Por ejemplo, los factores de crecimiento estimulan la migración de fibroblastos en procesos como la cicatrización de heridas, el desarrollo embrionario y la metástasis.

Un gradiente externo de una señal (ej. quimiotaxina) induce un gradiente interno en la célula. Aunque los receptores pueden estar distribuidos uniformemente, la mayor concentración de la quimiotaxina en una dirección guía el movimiento.

El gradiente citosólico de Ca²⁺ regula proteínas como la miosina y la gelsolina, que a su vez controlan las transiciones sol-gel del citoplasma, fundamentales para la formación de pseudópodos.

Embriología Molecular

Es la ciencia que estudia la formación y desarrollo de las células en un embrión, o el inicio de un ser vivo a nivel molecular.

Procesos Esenciales en el Desarrollo de un Organismo

• Proliferación
• Especialización (Diferenciación)
• Interacción (Comunicación celular)
• Movimiento (Migración celular)

Etapas Tempranas del Desarrollo Embrionario

En la formación de un organismo, las etapas tempranas incluyen: Cigoto, Segmentación, Mórula, Blastocisto e Implantación.

Esquema Básico Común del Desarrollo

Un esquema básico común del desarrollo incluye: Segmentación, Gastrulación (formación de las capas germinales: Ectodermo, Mesodermo, Endodermo).

ADN Regulador y Regulación Génica en el Desarrollo

El ADN regulador contiene las instrucciones para construir un animal pluricelular. Estos elementos reguladores del gen controlan la expresión de genes codificantes, definiendo el programa secuencial del desarrollo. Establecen la pauta en la secuencia de expresión génica durante el desarrollo. A medida que las células proliferan y ocupan sus posiciones en el embrión, interactúan con sus vecinas, activando diferentes proteínas reguladoras.

División Celular Asimétrica

Es un proceso en el que dos células hermanas nacen con destinos diferentes. Esto ocurre porque un grupo de moléculas determinantes se reparte de forma desigual entre ellas, alterando el patrón de expresión génica de la célula que las recibe.

Interacciones Inductivas

Son interacciones entre células donde la exposición a diferentes células o señales a corto alcance (como las de familias de proteínas muy conservadas) influye en su desarrollo. Elevadas concentraciones de una señal pueden conducir a las células por una vía de desarrollo específica.

Morfógeno

Un morfógeno es una molécula de señalización que establece un patrón de desarrollo en un campo completo de células, dependiendo de su concentración.

Programas Intrínsecos y Organismos Modelo

Los programas intrínsecos son mecanismos inherentes a las células que dirigen su desarrollo. Las proteínas iniciales de inducción (como los morfógenos) se difunden, generando una serie de inducciones locales que establecen el plan corporal del desarrollo animal. La Drosophila melanogaster (mosca de la fruta) es un organismo modelo fundamental para estudiar la genética del desarrollo animal.

Genes Clave en la Construcción de un Animal

• Moléculas transmembrana de adhesión y señalización: Aproximadamente 2000 genes en C. elegans, pocos en levaduras.
• Proteínas reguladoras de los genes: 7 en levaduras, 4 en C. elegans, 84 en Drosophila melanogaster.

Importancia de Grupos de Genes Específicos

Los genes de la familia bucle-hélice-bucle (bHLH) son importantes porque permiten diversificar los productos obtenidos de la interacción génica, generando así una mayor pluralidad celular y destinos celulares variados.

Proteínas Relevantes en Biología Celular y del Desarrollo

• Miosina
• Dineína
• Tubulina (alfa y beta)
• Cinesina
• Dinactina

Drosophila melanogaster como Organismo Modelo

Es un organismo modelo fundamental para estudiar la genética del desarrollo animal. Los genes que controlan el patrón corporal en Drosophila tienen homólogos en animales superiores, lo que la convierte en una herramienta valiosa para entender el desarrollo en mamíferos, incluyendo humanos.

Principales Grupos de Genes que Establecen el Plan Anatómico

• Genes de Polaridad del Huevo:
  • Bicoid: Determina la región anterior.
  • Nanos: Determina la región posterior.

Genes de Efecto Cigótico

• Genes Gap: Definen bloques continuos de segmentos. Ej: mutante Kruppel.
• Genes de Regla Par (Pair-rule genes): Establecen el desarrollo de segmentos alternos. Ej: mutante Even-skipped.
• Genes de Polaridad de Segmentos: Organizan los patrones dentro de cada segmento.

Estos genes trabajan a través de interacciones jerarquizadas, expresándose en regiones específicas del embrión y no en otras.

Esto da lugar a cascadas de eventos regulatorios que definen compartimentos cada vez más pequeños.

Expresión de Genes Homeóticos (Hox)

Los genes homeóticos (o Hox genes) definen el plan anatómico fundamental y son cruciales para los procesos básicos del desarrollo.

Son genes maestros que determinan la identidad de regiones completas o grupos de segmentos. Se expresan en bloques de células de segmento de acuerdo con su posición en el complejo Hox.

Codifican proteínas de unión a ADN (factores de transcripción) que interactúan con otras proteínas reguladoras de genes.

Contienen una secuencia de ADN conservada llamada Homeobox, que codifica un dominio proteico llamado Homeodominio. Se expresan secuencialmente en sus homólogos Hox.

Desempeñan un papel evolutivamente muy conservado en la formación del patrón anteroposterior del cuerpo y regulan la identidad de segmentos completos del cuerpo.

Discos Imaginales (en Drosophila)

Son grupos de células epiteliales aparentemente indiferenciadas en las larvas de Drosophila que, durante la metamorfosis, proliferarán y se diferenciarán para formar las estructuras externas del adulto (ej. alas, patas, antenas).

Experimentos para Probar la Inducción Celular

Los experimentos para probar la inducción celular implican la extracción e inserción de células de una región a otra del embrión. Al modificar su posición o trasplantarlas a otro organismo en desarrollo, se observa cómo su destino es alterado por las señales de su nuevo entorno.

CAMs (Moléculas de Adhesión Celular)

Las Moléculas de Adhesión Celular (CAMs) son cruciales para la señalización celular, induciendo a las células vecinas a expresar secuencias de genes específicas según su posición y contexto en el tejido.