El citoesqueleto es una estructura tridimensional en todas las células eucariotas y, por lo tanto, se puede encontrar en las neuronas.
Aunque no se diferencia mucho del resto de células somáticas, el citoesqueleto de las neuronas tiene algunas características propias, además de tener su importancia cuando tienen defectos, como es el caso de la enfermedad de Alzhéimer.
A continuación veremos los tres tipos de filamentos que componen esta estructura, sus particularidades con respecto al resto de citoesqueletos y cómo está de afectado en el Alzhéimer.
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El citoesqueleto de la neurona
El citoesqueleto es uno de los elementos definitorios de las células eucariotas, es decir, aquellas que poseen un núcleo definido, estructura la cual puede ser observada en las células animales y vegetales. Esta estructura es, en esencia, el andamio interno en el que se sustentan los orgánulos, organizando el citosol y las vesículas que se encuentran en él, como pueden ser los lisosomas.
Las neuronas son células eucariotas especializadas en formar conexiones con otras y constituir el sistema nervioso y, al igual que con cualquier otra célula eucariota, las neuronas poseen citoesqueleto. El citoesqueleto de la neurona, estructuralmente hablando, no es muy distinto al de cualquier otra célula, poseyendo microtúbulos, filamentos intermedios y filamentos de actina.
A continuación veremos cada uno de estos tres tipos de filamentos o tubos, especificando en qué se diferencia el citoesqueleto de la neurona del de otras células somáticas.
Microtúbulos
Los microtúbulos de la neurona no son muy diferentes a los que se pueden encontrar en otras células del cuerpo. Su principal estructura consiste en un polímero de subunidades de tubulina 50-kDa, el cual se enrosca de tal manera que forma un tubo hueco con un diámetro de 25 nanómetros.
Hay dos tipos de tubulina: la alfa y la beta. Ambas son proteínas no muy diferentes entre sí, con una similitud secuencial cercana al 40%. Son estas proteínas las que constituyen el tubo hueco, mediante la formación de protofilamentos que se juntan lateralmente, formando así el microtúbulo.
La tubulina es una sustancia importante, dado que sus dímeros son los que se encargan de juntar dos moléculas de guanosín trifosfato (GTP), dímeros los cuales tienen la capacidad de realizar actividad enzimática sobre estas mismas moléculas. Es mediante esta actividad GTPasa la que se implica en la formación (ensamblaje) y desmontaje (desensamblaje) de los propios microtúbulos, dándole flexibilidad y capacidad de modificación a la estructura citoesquelética.
Los microtúbulos del axón y las dendritas no son continuos al cuerpo celular, ni tampoco están asociados con ningún MTOC (centro organizador de microtúbulos) visible. Los microtúbulos axonales pueden tener una longitud de 100 μm, pero tienen una polaridad uniforme. En cambio, los microtúbulos de las dendritas son más cortos, presentando polaridad mixta, con solo el 50% de sus microtúbulos orientados hacia la terminación distal al cuerpo celular.
Aunque los microtúbulos de las neuronas están compuestos por los mismos componentes que se pueden encontrar en el resto de las células, cabe destacar que pueden presentar algunas diferencias. Los microtúbulos del cerebro contienen tubulinas de diferentes isotipos, y con variedad de proteínas asociadas a los mismos. Además, la composición de los microtúbulos varía en función de la ubicación dentro de la neurona, como los axones o las dendritas. Esto sugiere que los microtúbulos del cerebro se podrían especializar en diferentes tareas, en función de los ambientes únicos que otorgue la neurona.
Filamentos intermedios
Al igual que con los microtúbulos, los filamentos intermedios son componentes tanto de la citoestructura neuronal como la de cualquier otra célula. Estos filamentos desempeñan un papel muy interesante determinando el grado de especificidad de la célula, además de usarse como marcadores de la diferenciación celular. En apariencia, estos filamentos recuerdan a una cuerda.
En el organismo existen hasta cinco tipos de filamentos intermedios, ordenados del I al V y, siendo algunos de ellos los que se pueden encontrar en la neurona:
Los filamentos intermedios de tipo I y II son de naturaleza queratínica y se pueden encontrar en varias combinaciones con células epiteliales del cuerpo. En contraste, los del tipo III se pueden encontrar en células menos diferenciadas, como los son las células de la glía o los precursores neuronales, aunque también se han visto en células más formadas, como las que componen el tejido muscular liso y en los astrocitos maduros.
Los filamentos intermedios tipo IV son específicos de las neuronas, presentando un patrón común entre exones e intrones, que se diferencian significativa de los de los tres tipos anteriores. Los tipo V son los que se encuentran en las láminas nucleares, formando la parte que envuelve al núcleo celular.
Aunque estos cinco tipos diferentes de filamentos intermedios son más o menos específicos de ciertas células, cabe mencionar que el sistema nervioso contiene diversidad de estos. A pesar de su heterogeneidad molecular, todos los filamentos intermedios en las células eucariotas se presentan, como habíamos mencionado, como fibras que recuerdan a una cuerda, de diámetro entre 8 y 12 nanómetros.
Los filamentos neuronales puede tener centenares de micrómetros de longitud, además de tener proyecciones en forma de brazos laterales. En cambio, en otras células somáticas, como las de la glía y no neuronales, estos filamentos son más cortos, careciendo de brazos laterales.
El principal tipo de filamento intermedio que se puede encontrar en los axones mielinizados de la neurona está formado por tres subunidades de proteínas, conformando un triplete: una subunidad de alto peso molecular (NFH, de 180 a 200 kDa), una subunidad de peso molecular medio (NFM, de 130 a 170 kDa) y una subunidad de bajo peso molecular (NFL, de 60 a 70 kDa). Cada subunidad de proteínas está codificada por un gen separado. Estas proteínas son las que conforman los filamentos de tipo IV, que son expresados únicamente en las neuronas y que presentan una estructura característica.
Pero aunque los propios del sistema nervioso son los tipo IV, también se pueden encontrar otros filamentos en el mismo. La vimentina es una de las proteínas que conforman los filamentos tipo III, presentes en gran variedad de células, entre ellas fibroblastos, microglía y células musculares lisas. También se encuentran en células embrionarias, como precursores de glía y neuronas. Los astrocitos y las células de Schwann contienen proteína glial fibrilar acídica, que constituye filamentos de tipo III.
Microfilamentos de actina
Los microfilamentos de actina son los componentes más viejos del citoesqueleto. Están formados por monómeros de 43-kDa actina, que se organizan como si fueran dos cuerdas de perlas, de diámetros de 4 a 6 nanómetros.
Los microfilamentos de actina se pueden encontrar en las neuronas y las células gliales, pero se encuentran especialmente concentradas en los terminales presinápticas, las espinas dendríticas y los conos de crecimiento neural.
¿Qué papel juega el citoesqueleto neuronal en el Alzhéimer?
Se ha descubierto una relación entre la presencia de péptidos beta-amiloides, componentes de las placas que se acumulan en el cerebro en la enfermedad de Alzhéimer, y la rápida pérdida de dinámica del citoesqueleto neuronal, especialmente en las dendritas, donde se recibe el impulso nervioso. Al ser menos dinámica esta parte, la transmisión de la información se vuelve menos eficiente, además de disminuir la actividad sináptica.
En una neurona sana, su citoesqueleto está compuesto por filamentos de actina que, aunque estén ancladas, presentan cierta flexibilidad. Para que se dé el dinamismo necesario para que la neurona pueda adaptarse a las demandas del medio existe una proteína, la cofilina 1, que se encarga de cortar los filamentos de actina y separar sus unidades. Así la estructura va cambiando de forma de forma, sin embargo, si la cofilina 1 es fosforilada, es decir, se le añade un átomo de fósforo, deja de funcionar correctamente.
Se ha visto que la exposición a péptidos de beta-amiloide induce una mayor fosforilación de la cofilina 1. Esto hace que el citoesqueleto pierda dinamismo, dado que los filamentos de actina se estabilizan, y la estructura pierde flexibilidad. Las espinas dendríticas pierden funcionamiento.
Una de las causas que hacen que la cofilina 1 se fosforile es cuando actúa sobre ella la enzima ROCK (Rho-cinasa). Esta enzima fosforila moléculas, induciendo o desactivando su actividad, y sería una de las causas de los síntomas del Alzhéimer, dado que desactiva la cofilina 1. Para evitar este efecto, sobre todo durante las primeras etapas de la enfermedad, existe el fármaco Fasucil, el cual inhibe la acción de esta enzima y evita que la cofilina 1 pierda su función.
Referencias bibliográficas:
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- Kirkpatrick LL, Brady ST. Molecular Components of the Neuronal Cytoskeleton. In: Siegel GJ, Agranoff BW, Albers RW, et al., editors. Basic Neurochemistry: Molecular, Cellular and Medical Aspects. 6th edition. Philadelphia: Lippincott-Raven; 1999. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK28122/
- Rush, T. et al (2018) Synaptotoxicity in Alzheimer’s disease involved a dysregulation of actin cytoskeleton dynamics through cofilin 1 phosphorylation The Journal of Neuroscience doi: 10.1523/JNEUROSCI.1409-18.2018
