Microfilamentos

Microfilamentos
Introducción
En eucariontes, existen filamentos
proteicos organizados que se
extienden por todo el citoplasma : es
el llamado citoesqueleto (cito, célula;
esqueleto, soporte). Este organelo
proporciona un soporte a los demás
organelos y permite mantener la
forma de la célula. Además de este
papel estructural, el citoesqueleto es
responsable no solo del movimiento
de toda la célula sino del transporte
interno de los organelos y de otras
estructuras
tales
como
los
cromosomas. Es evidente que se
requiere de moléculas energéticas
para lograr estos movimientos, en
algunos casos es el ATP en otros el
GTP.
Aunque su nombre pudiera sugerir
una rigidez, realmente es una
estructura muy dinámica que está en
permanente modificación estructural.
A excepción de los filamentos
intermedios, esta característica se
traduce en formación y desaparición
de las estructuras. Se habla
entonces
de
ensamble
y
desensamble para referirse a esta
dinámica del citoesqueleto. El
ejemplo más evidente es el
ensamble
de
microtúbulos
al
comenzar
la
mitosis
y
su
desensamble al finalizar. Y durante
la mitosis, los microtúbulos se
elongan y se acortan, otro ejemplo
de su dinamismo.
Prof. Iván Rebolledo
El citoesqueleto está integrado por
tres tipos de filamentos proteicos :
microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos. Este orden no
es caprichoso, está determinado por
sus dimensiones. Es así como :
Microfilamentos ≈ 7 nm ∅
Filamentos intermedios ≈ 10 nm ∅
Microtúbulos ≈ 24 nm ∅
Es claro de los valores mostrados, la
denominación de intermedios a un
tipo de estas proteínas filamentosas.
En
términos
generales
los
microfilamentos son estructuras
proteicas, sólidas y alargadas. Los
filamentos intermedios son fibras
integradas por varias proteínas de
estructura similar. Los microtúbulos
son estructuras cilíndricas huecas
cuya pared está conformada por la
proteína llamada tubulina.
Las funciones generales del
citoesqueleto pueden resumirse en :
­mantener la forma de la célula
­posicionar los organelos en citosol
­movimiento intracelular de materia
les y organelos
­movimiento de la célula
­transmisión de señales extracelulares al interior de la célula.
Citoesqueleto
MICROFILAMENTOS
La principal proteína citoesquelética de muchas células es la
actina, que se polimeriza para
formar filamentos delgados, flexibles
de ≈7 nm de Ø y hasta varios µm de
largo. Ellos forman manojos o redes
tridimensionales con propiedades
del gel semisólido. Existe una
variedad de proteínas unidas a la
actina que permiten regular los
procesos de ensamble y desensamble, sus enlaces en los manojos y
sus
asociaciones
con
otras
estructuras (vesículas, por ejemplo).
Ahora bien, vamos a explicar eso
de los extremos + y –. Seguro que
alguno quiso interpretar como
extremos cargados positiva y
negativamente. Nada más lejos. Se
trata que el extremo más se alarga 5
a 10 veces más rápido que el
extremo menos. Además, los
monómeros de actina que se
polimerizan poseen ATP y luego de
ensamblarse en el filamento el ATP
se hidroliza en ADP. Entonces las
actinas que poseen ATP se
polimerizan más fácilmente que los
que poseen ADP.
Extremo +
Molécula de actina
Actina G
La molécula de actina es globular
compuesta de 375 aminoácidos.
Cada monómero de actina se llama
actina globular (actina G). Posee 2
extremos opuestos que le permite
interactuar con otros monómeros :
un extremo + y otro –. Los
monómeros llegan a unirse para
formar filamentos (actina F). Cada
monómero en el filamento está
rotado 166º dando así una
apariencia de hélice a todo el
filamento. Considerando que todos
los monómeros están orientados en
la misma dirección, los filamentos
también tienen una polaridad : un
extremo + y otro –. (ver Figura ⇒⇒)
Dímeros
de Actina
Trímeros
de Actina
Extremo –
Actina F
Citoesqueleto
Considerando que la polimerización es reversible, los filamentos
pueden
despolimerizarse
por
disociación de subunidades de
actina con ADP. Así, existe un
aparente equilibrio entre los
monómeros y los filamentos, que
es dependiente de la concentración
de
monómeros
libres.
Este
fenómeno se conoce como el
molino, el cual ilustra el comportamiento
dinámico
de
los
filamentos de actina.
Extremo –
ADP
ADP
ADP
ADP
PO4
PO4
ATP
ATP
ATP
ATP
Extremo +
Este proceso de molino pudiera
reflejar el ensamble y desensamble
dinámico de los filamentos de
actina necesarios para que la
célula pueda moverse o cambiar de
forma.
Es necesario mencionar algunas
drogas que interfieren con la
polimerización de los filamentos.
Una de ellas es la citocalasina (1)
que se une al extremo + e impide su
elongación. Esto incide en cambios
en la forma celular así como
inhibición de algunos movimientos
celulares.
Otra droga es la faloidina (2) que
se une fuertemente al extremo – e
impide su disociación en monómeros
de actina.
Los casos mencionados son
drogas exógenas que influyen sobre
los microfilamentos de actina. Pero
dentro de la célula existen proteínas
que
normalmente
regulan
el
dinamismo de los filamentos de
actina. La más abundante de ellas
es la timosina, una molécula
pequeña de ≈5 kd que impide el
ensamble de filamentos secuestrando los monómeros. Otra proteína
es la profilina que también se une a
los monómeros de actina impidiendo
la formación de filamentos. Ya que
la profilina también se relaciona con
fosfolípidos de membrana que tienen
que ver con señales extracelulares,
entonces puede hacer que el ADP
de las actinas se intercambie por
ATP y así se puedan unir al extremo
+ del filamento.
(1) Citocalasina : alcaloide derivado de hongos
de la especie aspergillus.
(2) Faloidina : alcaloide derivado de la Amanita
phalloides
Citoesqueleto
Filamentos de actina
Los filamentos de actina se
organizan en dos tipos generales de
estructuras : manojos y redes. En
los manojos, filamentos paralelos se
encuentran empaquetados. En redes
los filamentos forman una trama
tridimensional. Estas disposiciones
son logradas por participación de
proteínas que unen los filamentos.
a) Manojos : Los filamentos de
actina se organizan paralelamente
formando un grupo apretado de
longitud variable. El caso mejor
estudiado es el manojo de
filamentos de actina existente en el
interior de las microvellosidades,
presentes en la superficie luminal de
las células absortivas en el epitelio
del intestino delgado.
Micrografía electrónica que muestra cortes
longitudinales de microvellosidades de una
célula absortiva intestinal.
Micrografía electrónica que muestra cortes
transversales de las
microvellosidades
observadas en la micrografía anterior.
Observe el manojo de filamentos de actina
en el centro de cada microvellosidad.
Ahora bien, vamos a explicar
cómo es que se mantienen unidos
estos filamentos. Existen unas
proteínas denominadas proteínas
atadoras de actina (ABP, por sus
siglas en inglés de Actine-bundling
proteins), son pequeñas y rígidas
forzando a los filamentos de actina a
disponerse en manojos o atados. Se
destacan dos de ellas : la fimbrina y
la vilina. La fimbrina es una
proteína de 68 kd que contiene dos
dominios de unión fuerte para dos
filamentos de actina separados por
14 nm. La vilina es una proteína de
95 kd que hace la misma función
que la anterior; es la más abundante
en las células intestinales y renales.
(Ver dibujo siguiente página).
Citoesqueleto
Extremo +
Membrana
plasmática
Filamentos
de actina
Miosina I
Fimbrina
y villina
Filamentos
De actina
ABD
ABD
Fimbrina
Dibujos esquemáticos que muestran la disposición de los filamentos de actina dentro de las
microvellosidades, con las moléculas que unen los filamentos. ABD, dominio atadura de actina.
(b) Redes : Aquí los filamentos
de actina se encuentran unidos por
la proteína llamada filamina (ABP280)
conformada
por
dos
subunidades de 280 kd. Como se
aprecia en la figura de la derecha,
los dominios de dimerización y los
de unión con actinas se encuentran
en polos opuestos. Así esta
proteína llega a ser flexible,
permitiendo que los filamentos de
actina lleguen a conformar una
trama laxa tridimensional.
Dominio
lámina β
Dominio de
dimerización
Dominio de
unión actina
Filamentos de actina
Citoesqueleto
Molécula
ABD
Filamentos de actina en
la membrana plasmática
Los glóbulos rojos (eritrocitos o
hematíes) son estructuras muy útiles
cuando se necesita examinar la
membrana sin contaminantes de
otras membranas, pues carecen de
núcleo u otros organelos membranosos; además, carecen de otros
componentes del citoesqueleto lo
que deja al citoesqueleto cortical
como único componente determinante de su forma bicóncava.
Cadena
alfa (α)
Cadena
beta (β)
Cadena
beta (β)
Cadena
alfa (α)
Micrografía electrónica de barrido que muestra
eritrocitos con su forma bicóncava.
La
principal
proteína
que
proporciona la base estructural del
citoesqueleto
cortical
es
la
espectrina. Esta proteína se
presenta
como
un
tetrámero
conformado por dos cadenas
polipeptídicas llamadas α (240 kd) y
β (220 kd). La cadena β posee en su
amino terminal una molécula de
ABD. Esta disposición dimérica se
asocia con otra igual pero al revés
(Ver la figura anexa)
Molécula
ABD
Los extremos de este tetrámero se
asocian con filamentos de actina
resultando en una trama espectrinaactina
que
constituye
el
citoesqueleto del eritrocito. Pero
esta trama está unida a proteínas de
la membrana plasmática, ¿cómo lo
hace? Siga leyendo.
Citoesqueleto
Cabe destacar aquí que a
semejanza de las proteínas banda 3
y ancrina, existen otras proteínas
que unen filamentos de actina a la
membrana. Así el caso de la
distrofina (427 kd), que une
filamentos de actina a una proteína
de la membrana de células
musculares.
Los
filamentos
de
actina
contienen en toda su longitud una
proteína
fibrosa
llamada
tropomiosina. En uno de sus
extremos se ubica otra proteína
llamada banda 4.1, que le permite
tomar contacto con una proteína de
la membrana llamada glucoforina.
Además, la banda 4.1 sirve de
proteína enlace a un extremo de la
espectrina y a la aducina, con el
filamento de actina.
La ausencia o anormalidad de
esta proteína conduce a un cuadro
clínico
denominado
distrofia
muscular de Duchenne. Esta
enfermedad se caracteriza por
pérdida progresiva de la musculatura
estriada que conduce a la muerte en
etapas tempranas de la vida. El gen
de la proteína se encuentra en el
cromosoma X, lo que hace a los
varones más susceptibles de
adquirir esta enfermedad.
Además, en el centro de la
molécula de espectrina se ubica
una proteína denominada ancrina
que sirve de unión con otra
proteína de membrana llamada
banda 3. De esta forma, la
espectrina llega a unirse a dos
proteínas
de
membrana
y
constituye así una trama bien
conectada que actúa como un
citoesqueleto (ver Dibujos abajo)
Actina
glucoforina
Banda 3
Tropomiosina
Ancrina
Aducina
espectrina
Citoesqueleto
Miosina
Los filamentos de actina se
asocian con la miosina para realizar
muchos tipos de movimientos. La
miosina es una proteína muy
especial: denominada el motor
molecular, debido a que es capaz de
convertir la energía química (ATP)
en energía mecánica (movimiento).
La asociación más notable ocurre en
las fibras musculares por su
disposición altamente ordenada, en
la unidad muscular denominada
sarcómera.
Las células musculares están
especializadas para la contracción.
En los vertebrados hay tres tipos de
fibras
musculares
:
músculo
esquelético, responsable de los
movimientos voluntarios; músculo
cardíaco, que bombea sangre;
músculo liso, para los movimientos
involuntarios.
Utilizando análisis genómico, se
han identificado 13 miembros de la
familia de la miosina. Las más
abundantes son la miosina I y II,
que se encuentran presentes en casi
todas las células eucarióticas. La
miosina II interviene en la contracción muscular y la citocinesis,
mientras que la miosina I y la V
intervienen en las interacciones del
citoesqueleto de la membrana.
“cabeza” región
globular
Cadena liviana
Cadena pesada
“cola” α hélice
Dibujo de una molécula de Miosina II, con
sus cadenas pesadas y livianas.
La miosina II es una molécula
grande (≈ 500 kd) compuesta de dos
cadenas pesadas (≈ 200 kd c/u) y
cuatro cadenas livianas (≈20 kd c/u).
Cada cadena pesada posee una
región globular (“cabeza”) y una
región alargada α-hélice (“cola”). Un
par de cadenas livianas por cada
región
globular
completan
la
molécula de miosina II.
Ahora que ya tenemos caracterizados a los dos protagonistas de la
contracción muscular, la actina y la
miosina, explicaremos algo de la
sarcómera.
Primero,
debemos
mencionar que los músculos están
conformados por manojos de células
largas llamadas fibras musculares.
Luego, que cada una de ellas posee
varios núcleos periféricos y muchas
miofibrillas centrales. Por último, las
miofibrillas son manojos de filamentos de actina y miosina organizados en cadenas de unidades
repetidas. (ver microfotografía en
siguiente página)
Citoesqueleto
Núcleo
Micrografía electrónica de transmisión mostrando la extensión de una sarcómera, de la banda A y
de la banda I. Las líneas negras verticales que cursan por el centro de la banda I es la línea Z.
Micrografía electrónica de barrido mostrando los microfilamentos relacionados con la línea Z.
Las tres flechas negras muestran las relaciones estructurales de la actina con la miosina
La sarcómera mide ≈2,3 µm de
largo y se extienden de una línea Z
a la siguiente. Observando la
primera micrografía, se deduce que
una sarcómera está integrada por
una banda A (anisotrópica) y dos ½
bandas I (isotrópica). Observando
ahora la micrografía de abajo, nos
damos cuenta que los puentes
entre los filamentos se encuentran
sólo en la banda A. Deducimos que
en esta banda A están presente los
dos tipos de filamentos: actina y
miosina; mientras que en la banda I
sólo se encuentra un tipo de
filamentos: actina.
Citoesqueleto
Línea Z
actina
nebulina
miosina
titina
Línea M
Dibujo esquemático de una sarcómera.Las moléculas de titina se extienden desde
la línea Z hasta la lInea M sosteniendo los filamentos de miosina. Las molécula de
nebulina se extienden desde la línea Z reteniendo los filamentos de actina.
Los filamentos de actina y de
miosina se encuentra sujetos a la
proteína de la línea Z. La nebulina
es la proteína que une los filamentos
de actina a la línea Z y la titina hace
lo mismo con los filamentos de
miosina. La línea Z está compuesta
por una proteína llamada α-actinina.
Línea Z
Ya desde 1954, cuando dos
investigadores de apellido Huxley,
quienes propusieron el modelo de
deslizamiento de los filamentos, se
postula que durante la contracción
muscular las sarcómeras se acortan,
haciendo que las líneas Z se
acerquen hacia la línea M.
actina
miosina
Línea M
Deslizamiento del filamento
contracción
Citoesqueleto
Línea Z
Extremo +
actina
“Cabezas” de miosina
Extremo –
Filamento grueso de miosina
Línea M
Extremo –
Extremo +
Dibujo esquemático de una sarcómera, mostrando las relaciones entre las “cabezas” de
la miosina y las actinas. Observe la disposición de las moléculas de miosina a partir de
la línea M. El extremo + de los filamentos de actina se encuentra junto a la línea Z.
En la contracción muscular, las
“cabezas” de la miosina se mueven
en dirección de los extremos + de
los filamentos de actina. Estos
movimientos
hacen
que
los
filamentos de actina se deslicen
hacia la línea M, es decir, ocurre
un acortamiento de la longitud de la
sarcómera. Ahora veremos qué
ocurre a nivel molecular.
El ciclo de la contracción
muscular comienza con la miosina,
que en ausencia de ATP está
fuertemente unida a una actina. El
aporte de ATP a la “cabeza” de la
miosina la separa de la actina. La
hidrólisis del ATP provoca cambios
de conformación en la “cabeza” de
la miosina que parece desplazarse
en una dimensión de 10 nm,
quedando frente a la siguiente
actina. La eliminación del PO4 hace
que la cabeza se una a dicha
actina. La eliminación del ADP
hace que la “cabeza” adquiera su
posición normal y con esto el
filamento de actina se ve obligado
a desplazarse.
Usaremos unos esquemas para
mostrar este ciclo de la contracción.
Filamento de actina
A
“cabeza” miosina
ATP
B
ATP
Filamento de miosina
En la parte A, se muestra a la
“cabeza” de la miosina unida a una
actina. Al adquirir un ATP, se
separa de dicha actina, como se
muestra en la parte B.
Citoesqueleto
C
P
La hidrólisis del ATP en la
“cabeza” de la miosina provoca un
cambio conformacional que resulta
en un cambio de posición: ahora
queda frente a la siguiente actina.
Este cambio hace que el PO4 se
libere, quedando en la “cabeza” el
ADP (ver figura C).
D
ADP
Deslizamiento del filamento
ADP
E
La “cabeza” de la miosina
retorna a su posición original
En la figura D, se muestra que la
“cabeza” de la miosina al poseer
ADP se une a la nueva actina y en la
figura E, se observa que al liberarse
el ADP, la “cabeza” vuelve a su
posición inicial, con lo cual desliza el
filamento de actina en unos 10 nm.
Pero
queda
una
pregunta
importante, ¿cuál molécula inicia la
contracción a nivel muscular? Para
responder esta pregunta debemos
mencionar que la célula muscular
posee un retículo endoplásmico
especial llamado sarcoplásmico.
Este retículo es capaz de almacenar
grandes cantidades de iones Ca+2.
La liberación de iones Ca+2 desde el
retículo hacia el citosol provoca la
contracción muscular mediante la
acción de dos proteínas unidas al
filamento de actina: la tropomiosina
y la troponina.
La tropomiosina es una proteína
fibrosa que se une a lo largo de un
surco del filamento de actina. Su
longitud es equivalente a siete
actinas. Ellas se unen cabeza con
cola, en tal manera que forman una
larga proteína de longitud igual al
filamento de actina.
La troponina es una proteína
compleja formada por tres cadenas
polipeptídicas: TnC, troponina que
une calcio; TnI, troponina inhibitoria
y TnT, troponina que se une a la
tropomiosina.
Citoesqueleto
Como podrá ver en los dibujos
de abajo, de un corte transversal
de un filamento de actina, la
tropomiosina está cubriendo el
dominio de la actina que permite
unir a la “cabeza” de la miosina.
Además, podrá ver que la
adición del ión Ca+2 a la troponina
C, provoca el desplazamiento de
las restantes moléculas dejando al
descubierto, en la actina, el sitio de
unión para la miosina. Con esto, se
produce el ciclo de la contracción
explicado anteriormente.
tropomiosina
actina
Pero, queda otra pregunta:
¿cómo se libera el ión Ca+2 del
retículo sarcoplásmico? y ¿cuál es
el estímulo que provoca dicha
liberación?.
Debemos recordar que el
impulso
nervioso
es
una
despolarización de la membrana de
las células nerviosas. También
debemos
recordar
que
las
terminaciones nerviosas pueden
llegar a músculos y glándulas.
Estas terminaciones nerviosas se
llaman botones sinápticos. De ellos
se liberan los neurotransmisores
que llegan a tomar contacto con la
membrana de las células musculares, provocando una despolarización. Este fenómeno se transmite
por toda la membrana de la célula
muscular, introduciéndose por los
tubos T hacia el interior de las
microfibrillas.
En
la
página
siguiente se mostrará un dibujo en
el que se destacan las moléculas
que intervienen en la liberación de
iones Ca+2.
“cabeza” miosina
Sitio unión
con miosina
tropomiosina
Citoesqueleto
A
B
LUMEN DEL TUBO T
Molécula sensible
al voltaje
Membrana del tubo T
CITOSOL
Membrana del retículo
LUMEN DEL RETICULO
En la parte A de la figura superior
podrá observar un ovalo en la
membrana del tubo T, que
representa a la molécula sensible al
voltaje. Por debajo, su ubica la
molécula canal de Ca+2. Las esferas
pequeñas representan los iones
Ca+2. En la figura B, se puede
observar
que
al
ocurrir
la
despolarización de la membrana del
tubo T, cambia la conformación de la
proteína sensible al voltaje, que a su
vez hace cambiar la conformación
del canal de Ca+2, con esto salen los
iones Ca+2 desde el lumen del
retículo sarcoplásmico hacia el
citosol. Estos iones Ca+2 irán a
unirse a la TnC y así se inicia la
contracción.
Una vez que ha pasado la
desporalización,
las
moléculas
recuperan su forma normal y cesa la
salida de los iones. Aunque no se
muestra en la figura, existe otra
molécula en la membrana del
retículo sarcoplásmico que bombea
los iones Ca+2 desde el citosol hacia
el retículo.
Todos estos fenómenos ocurren
dentro de milisegundos en cada
sarcómera de todas las miofibrillas
de la célula muscular. De aquí que
todo el músculo se contrae al mismo
tiempo.
Bueno, aunque el estudio de los
microfilamentos salió un poco largo,
trataremos ahora los filamentos
intermedios.