El citoesqueleto es una red altamente dinámica y organizada de proteínas filamentosas que se extiende por todo el citoplasma. Proporciona soporte mecánico, determina la forma de las células, posiciona los orgánulos y genera las fuerzas necesarias para la división y la motilidad de las células.

Filamentos de actina (microfilamentos)

Los filamentos de actina (actina F) tienen 7 nm de diámetro y están ensamblados a partir de monómeros globulares de actina (actina G) unidos a ATP o ADP. La polimerización ocurre preferentemente en el extremo con púas (más), mientras que la despolimerización ocurre en el extremo puntiagudo (menos), una propiedad llamada cinta rodante cuando las velocidades están equilibradas. Las proteínas de unión a actina regulan la dinámica de los filamentos: la profilina promueve la polimerización de actina mediante el intercambio de ADP por ATP, la cofilina corta filamentos y acelera la despolimerización, y el complejo Arp2/3 nuclea nuevos filamentos como ramas de los existentes. Las proteínas de protección unen el extremo con púas para estabilizar los filamentos, mientras que la tropomodulina cubre el extremo puntiagudo. Las forminas nuclean filamentos lineales no ramificados y permanecen asociados con el extremo con púas durante el alargamiento.

Microtúbulos

Los microtúbulos son cilindros huecos de 25 nm de diámetro compuestos de heterodímeros de tubulina α y β que se ensamblan de cabeza a cola en protofilamentos, típicamente trece de los cuales forman la pared de los microtúbulos. Los microtúbulos exhiben inestabilidad dinámica: alternan entre fases de crecimiento (polimerización de la tubulina GTP) y contracción rápida (catástrofe provocada por la hidrólisis de GTP en la subunidad β-tubulina). El centrosoma actúa como el principal centro organizador de microtúbulos en las células animales y contiene un par de centriolos rodeados por material pericentriolar rico en complejos de anillos de tubulina γ que nuclean los microtúbulos. Las proteínas asociadas a microtúbulos (MAP), como MAP2 y tau, estabilizan los microtúbulos, mientras que la katanina los corta. El fármaco taxol estabiliza los microtúbulos y se utiliza como agente quimioterapéutico, mientras que la colchicina y el nocodazol promueven la despolimerización.

Filamentos intermedios

Los filamentos intermedios tienen 10 nm de diámetro y están compuestos de diversas proteínas específicas de tejido. Los filamentos intermedios citoplasmáticos incluyen queratinas en las células epiteliales, vimentina en las células mesenquimales, desmina en las células musculares, proteína ácida fibrilar glial en los astrocitos y neurofilamentos en las neuronas. Los filamentos intermedios nucleares (láminas A, B y C) forman la lámina nuclear debajo de la membrana nuclear interna, proporcionando soporte mecánico al núcleo y anclando la cromatina. A diferencia de la actina y los microtúbulos, los filamentos intermedios no son polares y no utilizan la hidrólisis de nucleótidos para la polimerización. Proporcionan resiliencia mecánica a las células y tejidos, y las mutaciones en genes de filamentos intermedios causan enfermedades como la epidermólisis ampollosa simple (queratina), miocardiopatía (desmina) y progeria (lámina A).

Proteínas motoras

Las miosinas son proteínas motoras basadas en actina que se mueven hacia el extremo púas de los filamentos de actina (miosina de clase II en el músculo, miosina de clase V en el transporte de vesículas). La miosina II forma filamentos bipolares que deslizan los filamentos de actina antiparalelos entre sí, impulsando la contracción muscular y la citocinesis. Las cinesinas son motores basados en microtúbulos que normalmente se mueven hacia el extremo positivo (hacia la periferia celular), transportando vesículas, orgánulos y ARNm a lo largo de pistas de microtúbulos. Las dineínas son motores basados en microtúbulos que se mueven hacia el extremo negativo (hacia el centrosoma), impulsando el transporte axonal retrógrado en las neuronas, posicionando el aparato de Golgi e impulsando los latidos ciliares y flagelares. La disfunción de las proteínas motoras conduce a enfermedades como la esclerosis lateral amiotrófica (mutaciones de la cinesina) y la discinesia ciliar primaria (mutaciones de la dineína).

Citoesqueleto en división celular

Durante la mitosis, la matriz de microtúbulos en interfase se desmonta y se reorganiza en el huso mitótico, una matriz bipolar de microtúbulos que se unen a los cromosomas a través de cinetocoros. El punto de control del conjunto del husillo garantiza la correcta fijación bipolar antes del inicio de la anafase. Kinesin-5 (Eg5) entrecruza y desliza microtúbulos antiparalelos para separar los polos del huso. El citoesqueleto de actina forma el anillo contráctil en el surco de escisión durante la citocinesis, que consta de filamentos de actina y miosina II que se contraen para dividir la célula. La formación y la abscisión de la parte media del cuerpo completan la separación de las células hijas.

Motilidad y migración celular

La migración celular es un proceso cíclico impulsado por la dinámica de la actina. En el borde de ataque, el complejo Arp2/3 y las forminas nuclean redes de actina lineales y ramificadas que empujan la membrana plasmática hacia adelante para formar lamellipodios y filopodios. Las adherencias focales conectan el citoesqueleto de actina con la matriz extracelular a través de integrinas, proporcionando tracción. El cuerpo celular avanza a medida que la contracción de actina-miosina libera adherencias posteriores. La quimiotaxis es la migración celular dirigida a lo largo de gradientes químicos, mediada por la señalización de GPCR que activa PI3K, Rac y Cdc42, que a su vez regulan la polimerización de actina. Las células también se mueven a través de entornos tridimensionales utilizando metaloproteinasas de matriz para degradar la matriz extracelular o utilizando un movimiento ameboide que se abre paso a través de los huecos.