FILAMENTS INTERMEDIS: ESTRUCTURA, TIPUS, FUNCIONS - BIOLOGIA - 2025

Els filaments intermedis, també coneguts en la literatura com "IFS" (de l'anglès Intermediate Filaments), són una família de proteïnes fibroses citosólicas insolubles que estan presents en totes les cèl·lules dels eucariotes multicel·lulars.

Formen part de l'citoesquelet, que és una xarxa filamentosa intracel·lular que s'encarrega, principalment, de el suport de l'estructura cel·lular i de diversos processos metabòlics i fisiològics com el transport de vesícules, el moviment i desplaçament cel·lular, etc.

Microscòpia per immunofluorescència de dues proteïnes dels filaments intermedis dels astròcits (vimentina i GFAP) (Font: GerryShaw via Wikimedia Commons)

Juntament amb els microtúbuls i els microfilaments, els filaments intermedis participen en l'organització espacial dels orgànuls intracel·lulars, en els processos d'endocitosi i exocitosi i també en els processos de divisió cel·lular i comunicació intercel·lular.

Els primers filaments intermedis que van ser estudiats i descrits van ser les queratines, un dels primers tipus de proteïnes l'estructura va ser analitzada per difracció de raigs X en la dècada de 1930.

El concepte de filaments intermedis, però, va ser introduït en la dècada de 1980 per Lazarides, qui els va descriure com complexos "integradors mecànics de l'espai cel·lular", caracteritzats per la seva insolubilitat i la seva capacitat de reensamblarse in vitro després de la seva desnaturalització.

Molts autors els consideren els elements de "amortiment" de l'estrès per a les cèl·lules animals, atès que són filaments més flexibles que els microtúbuls i els microfilaments. No només es troben en el citoesquelet, sinó que també formen part de l'nucleoesqueleto.

A diferència dels altres components fibrosos de l'citoesquelet, els filaments intermedis no participen directament en els processos de mobilitat cel·lular, sinó que funcionen en el manteniment estructural i la resistència mecànica de les cèl·lules.

estructura

Font:

Els filaments intermedis tenen un diàmetre aproximat de 10 nm, característica estructural per la qual van ser nomenats, ja que la seva mida es troba entre les mides corresponents als filaments de miosina i els d'actina, que ronden entre els 25 nm i els 7 nm, respectivament.

Es diferencien estructuralment dels altres dos tipus de filaments de l'citoesquelet, que són polímers de proteïnes globulars, en què les seves unitats constitutives són diferents proteïnes fibroses α-helicoïdals de gran longitud que s'agrupen entre si per formar estructures en forma de soga o corda.

Totes les proteïnes que constitueixen els filaments intermedis tenen una organització molecular semblant, que consisteix en un domini α-helicoïdal o de "corda" que posseeix diferents quantitats de segments "formadors de bobines" de la mateixa mida.

Aquest domini helicoïdal està flanquejat per una "cap" no helicoïdal N-terminal i una "cua" no helicoïdal en l'extrem C-terminal, i ambdues varien tant en grandària com en seqüència aminoacídica.

Dins de la seqüència d'aquests dos extrems es troben els motius consens que són comuns per als 6 tipus de filaments intermedis coneguts.

En els vertebrats, el domini de "corda" de les proteïnes dels filaments intermedis citosólicos té al voltant de 310 residus aminoacídics, mentre que les proteïnes citosòliques dels invertebrats i de la làmina nuclear tenen més o menys 350 aminoàcids de longitud.

assemblatge

Els filaments intermedis són estructures "autoensamblables" que no posseeixen activitat enzimàtica, el que també les diferencia de les seves contraparts citoesqueléticas (microtúbuls i microfilaments).

Aquestes estructures es munten inicialment com tetràmers de les proteïnes filamentoses que els conformen sota la influència, únicament, de cations monovalents.

Aquests tetràmers tenen 62 nm de longitud i els seus monòmers s'associen entre si lateralment per formar les "unitats de longitud" (UFL, de l'anglès unit-length Filaments), el que es coneix com la fase 1 de l'acoblament, que ocorre amb gran rapidesa.

Les UFLs són els precursors dels filaments llargs i, atès que els dímers que els conformen s'uneixen entre si de forma antiparalela i esglaonada, aquestes unitats posseeixen un domini central amb dos dominis flanqueantes a través dels quals passa la fase 2 de l'elongació, on es dóna la unió longitudinal d'altres UFLs.

Durant el que s'ha denominat com la fase 3 de l'acoblament, ocorre la compactació radial de el diàmetre dels filaments, el que produeix als filaments intermedis madurs de més o menys 10 nm de diàmetre.

funcions

Les funcions dels filaments intermedis depenen considerablement de l'tipus de cèl·lula que es consideri i, en el cas dels animals (incloent als éssers humans), la seva expressió és regulada de forma teixit-específica, de manera que també depèn de el tipus de teixit que en estudi.

Els epitelis, músculs, cèl·lules mesenquimals i glials i neurones posseeixen tipus de filaments diferents, especialitzats d'acord amb la funció de les cèl·lules a les que pertanyen.

Entre aquestes funcions, les més importants són el manteniment estructural de les cèl·lules i la resistència a diferents d'estrès mecànics, ja que aquestes estructures posseeixen certa elasticitat que els permet esmorteir diferents tipus de forces imposades sobre les cèl·lules.

Tipus de filaments intermedis

Les proteïnes que constitueixen els filaments intermedis pertanyen a una nombrosa i heterogènia família de proteïnes filamentoses que són químicament diferents però que es distingeixen en sis classes segons la seva homologia de seqüències (I, II, III, IV, V i VI).

Encara que no és molt comú, diferents tipus de cèl·lules, sota condicions molt particulars (desenvolupament, transformació cel·lular, creixement, etc.) poden co-expressar més d'una classe de proteïnes formadores de filaments intermedis

Classe I i II de filaments intermedis: queratines àcides i bàsiques

Les queratines representen la major part de les proteïnes dels filaments intermedis i, en els humans, aquestes representen més de les tres quartes parts dels filaments intermedis.

Tenen pesos moleculars que varien entre 40 i 70 kDa i es diferencien d'altres proteïnes de filaments intermedis pels seus alts continguts en residus de glicina i serina.

Es coneixen com queratines àcides i bàsiques pels seus punts isoeléctricos, que ronden entre 4.9 i 5.4 per a les queratines acídiques i entre 6.1 i 7.8 per a les bàsiques.

En aquestes dues classes s'han descrit al voltant de 30 proteïnes i són presents especialment en les cèl·lules epitelials, on es dos tipus de proteïnes "co-polimeritzen" i formen filaments compostos.

Moltes de les queratines de la casi I de filaments intermedis es troben en estructures com els cabells, les ungles, les banyes, les pues i les urpes, mentre que les de la classe II són les més abundants en el citosol.

Classe III de filaments intermedis: Proteïnes tipus desmina / vimentina

La desmina és una proteïna acídica de 53 kDa que, depenent del seu grau de fosforilació, posseeix diferents variants.

Alguns autors també han anomenat als filaments de desmina com "filaments intermedis musculars", ja que la seva presència està bastant restringida, encara que en petites quantitats, a tots els tipus de cèl·lules musculars.

A les miofibril·les, la desmina es troba en la línia Z, de manera que es pensa que aquesta proteïna contribueix amb les funcions contràctils de les fibres musculars a l'funcionar en la unió de miofibril·les i membrana plasmàtica.

Fotografia de la tinció de la proteïna vimentina, una proteïna dels filaments intermedis de les cèl·lules epitelials i embrionàries (Font: Viktoriia Kosach via Wikimedia Commons)

Al seu torn, la vimentina és una proteïna present en les cèl·lules mesenquimals. Els filaments intermedis formats per aquesta proteïna són flexibles i s'ha determinat que resisteixen a molts dels canvis conformacionals que tenen lloc durant el cicle cel·lular.

Es troba en els fibroblasts, en les cèl·lules del múscul llis, en els glòbuls blancs i en altres cèl·lules de el sistema circulatori dels animals.

Classe IV de filaments intermedis: proteïnes neurofilamentosas

També coneguts com "neurofilaments", aquesta classe de filaments intermedis comprèn un dels elements estructurals fonamentals dels axons i les dendrites neuronals; sovint s'associen amb els microtúbuls que també conformen aquestes estructures.

Els neurofilaments d'animals vertebrats han estat aïllats, determinant que es tracta d'un triplet de proteïnes de 200, 150 i 68 kDa que participen en l'acoblament in vitro.

Es diferencien d'altres filaments intermedis en què posseeixen braços laterals com "apèndixs" que es projecten des de la perifèria dels mateixos i que funcionen en la interacció entre filaments veïns i altres estructures.

Les cèl·lules glials produeixen un tipus especial de filaments intermedis coneguts com els filaments intermedis glials, que difereixen estructuralment dels neurofilaments, ja que estan compostos per una sola proteïna de 51 kDa i que té propietats fisicoquímiques diferents.

Classe V de filaments intermedis: filaments de la làmina nuclear

Totes les làmines que formen part de l'nucleoesqueleto són, en realitat, proteïnes de filaments intermedis. Aquestes tenen entre 60 i 75 kDa de pes molecular i es troben en els nuclis de totes les cèl·lules eucariotes.

Són essencials per a l'organització interna de les regions nuclears i per a moltes de les funcions pròpies d'aquest orgànul essencial per a l'existència dels eucariotes.

Classe VI de filaments intermedis: Nestinas

Aquest tipus de filaments intermedis pesa més o menys 200 kDa i es troba predominantment en les cèl·lules mare de sistema nerviós central. S'expressen durant el desenvolupament neuronal.

patologies relacionades

Existeixen múltiples malalties en els éssers humans que es relacionen amb els filaments intermedis.

En alguns tipus de càncer com els melanomes malignes o els carcinomes de si, per exemple, la co-expressió de filaments intermedis de vimentina i queratina comporten a la diferenciació o interconversió de cèl·lules epitelials i mesenquimals.

S'ha demostrat experimentalment que aquest fenomen s'incrementa l'activitat migratòria i invasiva de les cèl·lules canceroses, el que té importants implicacions en els processos metastàtics característics d'aquesta condició.

Eriksson i col·laboradors (2009) revisen els diferents tipus de malalties i la seva relació amb mutacions específiques en els gens implicats en la formació dels sis tipus de filaments intermedis.

Les malalties relacionades amb les mutacions dels gens codificants per als dos tipus de queratina són la epidermòlisi bullosa, la hiperqueratosi epidermolítica, distròfia corneal, queratodermias i moltes altres.

Els filaments intermedis de tipus III estan implicats en nombroses cardiomiopaties i en diferents malalties musculars relacionades principalment amb distròfies. A més, també són responsables de les cataractes dominants i d'alguns tipus d'esclerosi.

Nombrosos síndromes i desordres neurològics es relacionen amb els filaments de tipus IV, com ara el Parkinson. De la mateixa manera, defectes genètics en els filaments de tipus V i VI són responsables per al desenvolupament de diferents malalties autosòmiques i relacionades amb el funcionament de l'nucli cel·lular.

Exemple d'aquestes són la síndrome de progèria de Hutchinson-Gilford, la distròfia muscular Emery-Dreifuss, entre d'altres.

referències

1. Anderton, BH (1981). Intermediate Filaments: a family of homologous structures. Journal of Muscle Research and Cell Motility, 2 (2), 141-166.
2. Eriksson, JE, Pallari, H., Robert, D., Eriksson, JE, Dechat, T., Grin, B.,… Goldman, RD (2009). Introducing intermediate Filaments: from discovery to disease. The Journal of Clinical Investigation, 119 (7), 1763-1771.
3. Fuchs, E., & Weber, K. (1994). Intermediate Filaments: Structure, Dynamics, Function and Disease. Annu. Rev. Biochem., 63, 345-382.
4. Hendrix, MJC, Seftor, EA, Chu, YW, Trevor, KT, & Seftor, REB (1996). Rol dels intermediate Filaments in migration, invasió and metastasis. Cancer and Metastasis Reviews, 15 (4), 507-525.
5. Herrmann, H., & Aebi, U. (2004). Intermediate Filaments: Molecular Structure, Assembly Mechanism, and Integration into Functionally distinct Intracellular scaffolds. Annual Review of Biochemistry, 73 (1), 749-789.
6. Herrmann, H., & Aebi, U. (2016). Intermediate Filaments: Structure and Assembly. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 8, 1-22.
7. McLean, I., & Lane, B. (1995). Intermediate Filaments in disease. Current Opinion in Cell Biology, 7 (1), 118-125.
8. Steinert, P., & Roop, D. (1988). Molecular and Cellular Biology of Intermediate Filaments. Annual Review of Biochemistry, 57 (1), 593-625.
9. Steinert, P., Jones, J., & Goldman, R. (1984). Intermediate Filaments. The Journal of Cell Biology, 99 (1), 1-6.