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M Á Q U I N A S V I V I E N T E S ¿ C Ó M O
M U E V E N L A S C É L U L A S ?
S E
Autores: ISAURA MEZA / EUGENIO FRIXIONE
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/menu.htm
COMITÉ DE SELECCIÓN
EDICIONES
DEDICATORIA
PREFACIO
I. INSTRUCCIONES PARA LA FABRICACIÓN DE
....PARTES: LA MOLÉCULA DEL ADN
II. FABRICACIÓN DE LAS PARTES: DEL ADN
....A LAS PROTEÍNAS
III. ENSAMBLE DE LAS PARTES: DE LAS
....PROTEÍNAS A LA ORGANIZACIÓN
....SUPRAMOLECULAR
IV. COMBUSTIBLE PARA EL MOVIMIENTO:
....BOENERGÉTICA
V. MOTORES Y MÁQUINAS SIMPLES:
....MECANOENZIMAS Y POLÍMEROS DE SOPORTE
VI. APARATOS DE PRECISIÓN: MOTILIDAD COORDINADA
VII. SISTEMAS MIXTOS: MOVIMIENTO GENERADO POR MICROTÚBULOS
....POLÍMEROS Y MICROFILAMENTOS
VIII. OPERACIÓN DE LA MAQUINARIA: REGULACIÓN CELULAR
CONTRAPORTADA
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C O M I T É
D E
Dr. Antonio Alonso
Dr. Juan Ramón de la Fuente
Dr. Jorge Flores
Dr. Leopoldo García-Colín
Dr. Tomás Garza
Dr. Gonzalo Halffter
Dr. Guillermo Haro †
Dr. Jaime Martuscelli
Dr. Héctor Nava Jaimes
Dr. Manuel Peimbert
Dr. Juan José Rivaud
Dr. Emilio Rosenblueth †
Dr. José Sarukhán
Dr. Guillermo Soberón
Coordinadora Fundadora:
Física Alejandra Jaidar †
Coordinadora:
María del Carmen Farías
S E L E C C I Ó N
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E D I C I O N E S
Primera edición 1996.
La Ciencia para todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura
Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con
los auspicios de la Secretaría de Educación Pública y del Consejo
Nacional de Ciencia y Tecnología.
D. R. © 1996, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA
Carretera Picacho-Ajusco 227; 14200 México, D.F.
ISBN 968-l 6-4988-5
Impreso en México
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D E D I C A T O R I A
A la memoria del doctor DANIEL MAZIA
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P R E F A C I O
La vida es movimiento. La íntima relación entre estos dos conceptos
ha sido cincelada en la imaginación humana de manera
estremecedora, con la repetida observación de que el fin de la
vida—la muerte— tiene como señal inequívoca la cesación
irreversible del movimiento. El vínculo ha parecido tan claro para
todas las culturas que, casi sin excepción, se le ha supuesto de
validez bidireccional: el movimiento es signo de vida. Las
personificaciones del viento, el océano y los astros como
individualidades dotadas de conductas voluntarias en las mitologías
de todas las épocas, derivan precisamente de la asociación intuitiva
entre movimiento y vitalidad. En nuestros días la biología ha podido
confirmar que, si bien no todo lo que se mueve está vivo, el
movimiento organizado caracteriza a lo viviente prácticamente en
todas sus manifestaciones. Hoy está claro que al menos a escala
microscópica todos los organismos muestran algún tipo de actividad
— crecimiento, división, cambio de forma, locomoción— que implica
redistribuciones ordenadas de su propia sustancia en el espacio.
Esta singular capacidad de la materia viviente, con sus
innumerables variantes, ha constituido uno de los más pertinaces
enigmas de la biología. Desde los asombrosos hallazgos de
Leeuwenhoek, dados a conocer por primera vez en 1673, se han
acumulado pruebas de que la aptitud de moverse por fuerza propia
se encuentra incluso en los organismos más diminutos. Pero sólo
hasta las dos últimas décadas, gracias al desarrollo de poderosos
recursos en el campo de la microscopía y la biología molecular, se
ha logrado integrar un cuerpo de teoría en el que la profusa
diversidad de fenómenos de movimiento biológico halla su
explicación en un conjunto limitado de componentes y mecanismos
básicos del citoplasma.
Las páginas que siguen intentan ofrecer, en términos accesibles al
público general, una visión panorámica de los elementos operativos
esenciales que hacen posible la motilidad celular. El libro ha sido
escrito con un enfoque inédito hasta ahora. En lugar de la clásica
introducción general seguida por un catálogo de ejemplos
acompañados de sus explicaciones particulares, se hace una
exposición progresiva de las piezas que conforman la maquinaria
motriz intracelular, desde su origen común a partir de la
información genética hasta su integración en tipos cada vez más
complejos de máquinas y aparatos alimentados por energía
metabólica. El texto cubre, pues, aspectos de la biología molecular;
la biología celular y la fisiología, teniendo a la vez en mente a un
ingeniero curioso por saber cómo se las arregla la materia viva para
fabricar y montar dispositivos capaces de efectuar movimientos
autónomos, desde el simple tránsito de partículas intracelulares en
una alga primitiva hasta las espectaculares piruetas de un acróbata
consumado.
Enmarcar un espectro de esta amplitud en el formato de un
volumen de divulgación ha exigido restringir o incluso eliminar por
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completo algunos asuntos. Las decisiones en este sentido, aunque
arbitrarias, han obedecido a los criterios siguientes:
1) Nos hemos circunscrito a revisar el tema a partir de la célula
individual como unidad fundamental de los seres vivientes. Se
excluye por consiguiente el interesante y complejo material relativo
a la interacción entre células en los organismos multicelulares. Así,
por ejemplo, el capítulo que trata sobre la contracción de los
músculos concluye sin incursionar en el control nervioso del trabajo
muscular.
2) Se tratan únicamente los principales sistemas de motilidad, es
decir; aquellos que han sido muy conservados por la evolución y
dan cuenta de la inmensa mayoría de los movimientos biológicos.
No se encuentran, en consecuencia, casos especiales —como los
flagelos de los procariontes, los espasmonemas de los vorticélidos,
el curioso mecanismo de invasión de los microsporidios, o las
respuestas motoras por cambios de turgencia en algunas plantas—,
cuya operación es independiente o paralela a la del citoesqueleto
típico.
3) Se menciona sólo brevemente todo cuanto toca a la regulación
del movimiento celular; dado que constituye un campo en el que —
aparte de la intervención casi universal de los iones de calcio— no
existe un esquema teórico de validez general equivalente a los que
han logrado establecerse en relación con los aspectos propiamente
mecánicos de la motilidad, o con la síntesis de las proteínas que
desempeñan un papel central en tales procesos.
Esperamos que, no obstante estas limitaciones inescapables, los
lectores encontrarán en este libro una ventana abierta hacia la
información disponible hoy en día sobre ese atributo fundamental y
fascinante de la vida, el movimiento.
Deseamos hacer constar nuestro agradecimiento a los miembros de
los grupos de investigación que, de una manera u otra, colaboraron
con nosotros en la obtención de algunas de las imágenes
micrográficas que nos sirvieron para ilustrar las células o
componentes del citoesqueleto que aparecen en este libro. En
particular a Lourdes Ruiz Zamarripa, Roberto Lagunes Torres y
Alejandro Trejo Carmona.
México, D.F, diciembre de 1993.
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I . I N S T R U C C I O N E S P A R A L A
F A B R I C A C I Ó N D E P A R T E S : L A
M O L É C U L A D E L A D N
EL MOVIMIENTO de las células, igual que sus demás funciones, es
como el de una maquinaria integrada por muchas piezas que deben
funcionar con precisión. A diferencia de las máquinas construidas
por el hombre, la célula tiene que fabricar todas y cada una de sus
partes y ensamblarlas después en un conjunto funcional. En gran
medida el ensamblaje de las partes procede de manera automática
gracias a que las piezas tienen formas definidas y complementarias
que encajan unas con otras como en un rompecabezas. Por
consiguiente, la funcionalidad del conjunto depende de la precisión
en la fabricación de las partes, lo cual asegura el engranaje
perfecto. La célula cuenta con los planos o instrucciones para
fabricar estas piezas en un código almacenado en las moléculas de
ácido desoxirribonucleico (ADN), el cual se encuentra contenido
dentro del núcleo en la mayoría de las células. Estas instrucciones
son muy importantes y necesarias para el correcto funcionamiento
de cada ser vivo, por lo que deben preservarse cuidadosamente y
ser transmitidas de generación en generación, ya que constituyen el
material genético.
Una molécula de ADN tiene una estructura helicoidal, parecida a una
escalera de caracol que gira hacia la derecha y en la que los
escalones están formados por un par de moléculas planas unidas
entre si por puentes angostos, llamados puentes de hidrógeno,
unidas a la vez, como los eslabones de una cadena, a las moléculas
que forman los escalones contiguos a través de uniones químicas
covalentes denominadas enlaces fosfodiester. Las moléculas planas
de los escalones son bases nitrogenadas de cuatro variedades,
adenina, guanina, citosina y timina y se representan como A, G, C y
T. Debido a sus formas y dimensiones particulares cada base del
par, o sea un medio escalón, sólo puede hacer pareja con otra base
especial para completar el escalón. Así tenemos que A se aparea
solamente con T, y G solamente con C, lo que da como resultado
que las bases de un escalón sean siempre complementarias. Los
escalones son distintos entre sí y pueden estar ordenados en una
gran diversidad de secuencias, tantas como las combinaciones
posibles en el alfabeto que maneja la célula, que es de cuatro
letras, A, T, G, C. La conexión, entre las bases de una misma
cadena se hace por enlaces que se establecen entre las moléculas
del azúcar des oxirribosa que acompaña cada una de las bases y
grupos fosfato asociados a los oxidrilos de las desoxirribosas (Figura
I.1).
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Figura I.1. Organización de las bases en las cadenas de la doble hélice del
ADN. A = adenina, T = timina, G = guanina, C = citosina, D = azúcar
desoxirribosa, P = enlace fosfodiéster.
Al conjunto que forman una base, su azúcar y uno o más fosfatos
se le llama un nucleótido. Será un nucleótido monofosfato si tiene
un fosfato, nucleótido difosfato si tiene dos, etc. En la molécula del
ADN un fosfato une a dos nucleótidos formando el enlace fosfodiester
(Figura I.2). Una secuencia definida de pares de bases constituye lo
que se llama un gen, la variabilidad en la secuencia de bases forma
el código genético. En los genes de un organismo está la
información precisa, que al ser descifrada permite construir las
piezas necesarias para que funcionen las diferentes máquinas que
en su conjunto forman una célula. El núcleo de pares de bases y de
genes en un organismo puede ser muy variable. El ADN de un virus
tiene alrededor de 5 000 pares de bases, mientras que el ADN
humano 4 500 millones.
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Figura I.2. Fórmula y representación esquematica de los nucleótidos
trifosfato.
En 1953, James Watson y Francis Crick, trabajando juntos en
Inglaterra; y basándose en estudios de otros investigadores, como
Linus Pauling, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, concibieron un
modelo de la estructura del ADN que reunía todos los requisitos de
una molécula autorreplicable. Este modelo es conocido como el
modelo de la doble hélice y corresponde a la forma como se ha
comprobado experimentalmente que se arreglan estas moléculas
(Figura I.3). Este modelo tuvo gran repercusión sobre todo el
pensamiento biológico del momento, ya que la estructura propuesta
contiene dentro de sí misma todos los elementos que le permiten,
por un lado, almacenar la información genética y transmitirla y, por
el otro, duplicarla, asegurando que la información almacenada pase
a otras generaciones, con lo cual cumple con los requisitos para ser
un almacén de información tan importante.
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Figura I.3. Imagen tridimensional de la doble hélice.
Una mólécula de ADN que contiene miles de pares de bases puede
tener longitudes macroscópicas, es decir, que se podrían medir con
una regla y hasta con un metro. El ADN de la bacteria Escherichia
coli por ejemplo, tendría 1 mm de longitud, o sea 1 000 veces más
largo que la longitud total de la bacteria. Para caber dentro de esta
célula el ADN tiene que ser compactado, como sucedería al rehacerse
un ovillo de estambre que se ha desmadejado. En los organismos
eucariontes, llamados así porque sus células contienen un núcleo, el
ADN no está en el citoplasma, como en las bacterias, sino dentro del
núcleo, el cual a su vez está contenido dentro de la célula y por
consiguiente es muy pequeño. En este caso la molécula de ADN,
cuya longitud es mayor que el ADN de las bacterias, tiene que
compactarse muchísimo y esto se logra enredándose sobre otras
moléculas, que son las proteínas llamadas histonas. Se forma así la
unidad básica de las estructuras conocidas como cromosomas y de
las cuales todos los organismos mantienen un número constante. La
longitud del ADN cuando se empaca en un núcleo se reduce de 1.5
m para formar cromosomas cuya longitud promedio es de 1 x 10-6m
(Figura I.4).
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Figura I.4. Los estados de comparación de la cromatina para formar un
cromosoma.
Independientemente de la forma en que el ADN se compacte, la
información genética está siempre contenida en la estructura
primaria de la doble hélice. Al ser complementarios todos los pares
de bases, la clave escrita en la secuencia de bases en una de las
cadenas de la hélice, correspondiente a la mitad de los escalones,
será el molde de la otra mitad. Una analogía a esta situación sería
lo que es el positivo y el negativo en una película fotográfica, que
tienen la misma imagen pero complementaria. La clave se puede ir
descifrando en cualquiera de las dos cadenas pero leyéndola en
sentidos opuestos, como puede verse en la Figura I.1. Por esta
razón se dice que una molécula de ADN tiene polaridad. Cada cadena
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tiene entonces un extremo 5´ y uno 3´ en lados opuestos. Por la
polaridad y complementaridad del arreglo de las bases siempre se
puede reconstruir un medio escalón, ya que se sabe qué base se
necesita para completarlo, y si se daña una de las cadenas, ya sea
en su totalidad o solamente en un fragmento, este daño podrá
repararse copiando de la cadena intacta (que será el molde) la
secuencia dañada. Esta reparación restituye así la información
completa.
Ya que la información genética tiene que transmitirse de generación
en generación, las moléculas del ADN deben duplicarse muchas
veces, tantas como una célula se divida para formar dos nuevas
células y debe hacerlo con alta fidelidad. ¿Cómo puede entonces
duplicarse una molécula tan grande y compleja? La replicación del
ADN requiere a su vez de la duplicación de cada una de las cadenas
por separado, lo cual se puede hacer si en principio las dos cadenas
de la hélice se separan (Figura I.5). Abrir todos los puentes que
unen a los pares de bases de cada escalón requiere gran cantidad
de energía, esto y la formación o síntesis de las nuevas cadenas
necesita la participación de otras moléculas que proporcionen la
energía, y que como ayudantes mantengan abiertas a las cadenas
maternas para que los nucleótidos puedan ser adicionados a las
cadenas nuevas. Estas moléculas ayudantes son las proteínas
llamadas enzimas, las cuales pueden actuar como catalizadores de
reacciones químicas. Se unen a las moléculas que participan en la
reacción, llamadas substrato, aumentando su concentración local en
el sitio en donde se llevará a cabo la reacción y manteniendo la
orientación correcta de los grupos químicos reaccionantes. Además,
al unirse al substrato, la energía derivada de esta unión contribuye
a la catálisis. Al final de la reacción la enzima se desprende del
substrato ya modificado, quedando lista para actuar de nuevo. El
proceso de replicación de una molécula del ADN demanda alta
fidelidad y podría dividirse en tres grandes etapas. La primera es la
selección del nucleótido que se va a incorporar a la molécula nueva
y el desenrollamiento de las cadenas en el sitio en donde va a
empezar la replicación y se incorporan los nucleótidos
seleccionados.
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Figura I.5. Replicación del ADN. El crecimiento en la dirección 5´- 3´ es el
que sucede en forma continua. No se ha encontrado ninguna polimerasa
que pueda agregar nucleótidos en la dirección 3´- 5´.
Una vez incorporado un nucleótido a la nueva cadena, hay que
asegurarse que es el correcto, es decir, el complementario a la base
o letra que se está leyendo en la cadena que sirve de molde. Un
error en esta parte implica que el nucleótido tendrá que ser
eliminado, pues de lo contrario el código se altera y al descifrarlo se
tendrá una palabra incorrecta y una instrucción errónea.
Finalmente, una vez terminado el ensamble de los nuevos
nucleótidos en una cadena hay que asegurarse de la fidelidad de la
copia y hacer las correcciones necesarias, como un editor al revisar
un texto recién escrito o impreso.
La enzima llamada polimerasa del ADN es la que se encarga de
seleccionar el nucleótido adecuado y meterlo a la cadena que se
está construyendo. Los nucleótidos se incorporan al ADN como
nucleótidos trifosfato, se pegan entre sí formando el enlace químico
llamado fosfodiéster, perdiendo dos grupos fosfato.
El apareamiento correcto ya mencionado, y que solamente se da
entre bases complementarias, A con T y C con G, es aparentemente
la forma más estable desde el punto de vista energético. Sin
embargo, se ha calculado que se introduce un nucleótido que no
corresponde por cada 10 millones de pares de bases; este
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nucleótido es sacado de la cadena al romperse
fosfodiéster por otra enzima llamada exonucleasa.
su
enlace
En algunos casos se pasa por alto el error y esto puede resultar en
un beneficio para el organismo, ya que el futuro de una población
depende en parte de su habilidad para cambiar y adaptarse
fabricando piezas de máquinaria con ciertas ventajas para una
nueva
situación.
Estos
cambios
o
mutaciones
suceden
frecuentemente cuando las condiciones del medio ambiente se
hacen más difíciles. Tal posibilidad de cambio y adaptación, iniciada
en las secuencias de las bases del ADN, constituye la base molecular
del proceso evolutivo de las especies conocido como selección
natural.
La polimerasa únicamente puede incorporar los nucleótidos en una
de las dos cadenas a la vez, pues lo hace leyendo el mensaje que
está en la cadena que tiene la orientación 3´-5´s. ¿Cómo se hace
entonces la síntesis de la otra cadena que tiene la polaridad
invertida? El proceso es un poco diferente y la copia de esta cadena
se hace ensamblando pequeños fragmentos sobre las bases que
llevan la orientación correcta 3´-5´, aunque por esta razón la
incorporación de nucleótidos no puede ser continua. Estos
fragmentos son sintetizados después de un iniciador formado por
ribonucleótidos del ácido ribonucleico (ARN) y se denominan
fragmentos de Okazaki (su descubridor), y están unidos o ligados
por una enzima llamada ligasa, previo desprendimiento del ARN
iniciador. La fabricación o sin tesis de esta cadena es más lenta, ya
que implica la participación de varias enzimas y un mecanismo más
complejo (Figura I.6).
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Figura I.6. Ilustración de un punto de replicación en la doble hélice. Se
muestran las varias enzimas que participan.
La síntesis de nuevas cadenas del ADN también requiere del
desenrollamiento de la doble hélice en el punto de replicación para
que puedan; llevarse a cabo todas las acciones de incorporación de
nuevos: nucleótidos. Esto se realiza mediante enzimas específicas
que facilitan el proceso, como las llamadas topoisomerasas, B
helicasa, etc., que ayudan a desenrollar la doble hélice y a
mantener las dos cadenas separadas mientras se incorporan los
nucleotidos. Estos procesos necesitan de la energía que es provista
por el ATP. En el caso de que el ADN se asocie a proteínas, como
sucede en los organismos nucleados, la replicación del ADN va
acompañada por la síntesis de estas proteínas, ya que la nueva
molécula del ADN debe enrollarse nuevamente sobre ellas para
formar los cromosomas.
Entendiendo la estructura de la doble hélice, ¿podremos conocer la
secuencia en que se ordenan las bases para formar genes en una
determinada molécula de ADN? Cada célula humana, por ejemplo,
contiene aproximadamente 100 000 genes, cuya información, al ser
descifrada, permite formar un ser humano funcional. Esta
información contenida en el ADN de cada organismo constituye su
genoma. Descifrar la estructura de los genes de: un genoma,
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aunque éste corresponda a un organismo primitivo o tan complejo
como un ser humano, es una tarea de grandes proporciones, ya que
hablamos de millones de pares de bases. Sin embargo, las nuevas
técnicas desarrolladas para el estudio del ADN hacen posible pensar
que en un futuro próximo se podrá tener descifrado el genoma
humano. Ya se han localizado 1 500 de los genes humanos en
varios de los 23 pares de cromosomas que forman el mapa
cromosómico humano. Una de las técnicas más promisorias en la
tarea de identificar genes es la posibilidad de introducir y
multiplicar, dentro de las bacterias, fragmentos del ADN de cualquier
organismo.
Esta multiplicación de fragmentos específicos, llamada donación,
permite que el ADN introducido (extraño) se replique y amplifique en
las bacterias, las cuales al crecer y multiplicarse producen
cantidades grandes de los fragmentos del ADN extraño. Si se logra
obtener un número grande de bacterias recombinantes (aquellas
que han integrado fragmentos del ADN extraño) , la posibilidad de
tener donados a la mayoría de los genes contenidos en el ADN de
cualquier organismo es también muy alta. Se tiene así lo que se
llama una biblioteca genómica, ya que de ésta podrá sacarse en
cualquier momento la información guardada junto con el ADN de las
bacterias. Los diferentes genes presentes en una biblioteca de este
tipo pueden identificarse; por varias metodologías que se han
desarrollado en los últimos años y que por su importancia en la
investigación biológica les ha merecido a sus inventores el codiciado
premio Nobel. Una vez identificado el gen, su secuencia de
nucleótidos se establece caracterizando a las bases que la forman
por sus propiedades químicas y físicas. En este punto ha sido muy
importante el descubrimiento de enzimas que pueden romper las
cadenas del ADN en sitios en donde hay una secuencia particular de
bases, como sería por ejemplo AGTC. Al usar la enzima que
solamente rompe a esta secuencia sabemos de antemano que si se
rompe el ADN que estamos estudiando es porque existe esta
secuencia en el gen. El uso de una combinación de este tipo de
enzimas facilita no sólo la identificación de las bases sino que nos
permite conocer su arreglo lineal en una molécula de ADN.
Con estas metodologías se ha podido conocer la secuencia de varios
genes y establecer que no todos sus nucleótidos contienen la
información utilizable para construir las partes de la maquinaria.
Estas secuencias, sin información, tienen una función regulatoria,
necesaria para que pueda descifrarse la clave de un gen,
asegurando, a través de programas bien establecidos, cuándo y
como se va a transmitir la información contenida en el gen. Hay
también algunas secuencias en el ADN que no contienen ningún
mensaje pero cuyo papel regulatorio se ejerce cuando la molécula
del ADN se va a duplicar, cuando se desenrolla y vuelve a enrollarse
para formar los cromosomas o también cuando se desenreda un
poco mientras se pasa la información del código a otras moléculas
encargadas de llevar las instrucciones a los sitios donde se fabrican
piezas para las máquinas celulares.
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I I .
F A B R I C A C I Ó N D E L A S P A R T E S :
D E L A D N A L A S P R O T E Í N A S
COMO vimos anteriormente, la escalera que forma a la molécula del
ADN puede abrirse longitudinalmente al separarse las mitades de los
escalones temporalmente por rompimiento de los puentes de
hidrógeno que mantienen unidas a las bases complementarias.
Cada mitad de escalón, desconectada, puede entonces asociarse a
una contraparte provisional, formando así un nuevo par de bases.
La cadena de bases sintetizada sobre el molde del ADN es
necesariamente complementaria al segmento abierto de la escalera.
A medida que la molécula del ADN se abre y la información se
transmite, se va formando una nueva molécula complementaria. La
cadena sintetizada será de ADN cuando el ADN se duplica, mientras
que cuando la información del ADN se pasa a una molécula de ácido
ribonucleico (ARN) decimos que el código ha sido transcrito.
SÍNTESIS DE LOS
INTERMEDIARIAS
ARNs:
FABRICACIÓN
DE
MOLÉCULAS
Los ARNs fueron hallados primeramente en las células formando las
estructuras llamadas ribosomas que participan en la síntesis de
proteínas. Años después se descubrieron los ARNs de transferencia
(ARNt) y los ARNs mensajeros (ARNm). En los últimos años se ha
identificado un gran número de ARNs pequeños dentro del núcleo de
las células (ARNsn). A diferencia del ADN, cada molécula del ARN está
formada por una sola cadena de bases, esto es, como si fuera sólo
media escalera y por lo tanto no tiene estructura de doble hélice.
Tres de las bases son idénticas a las del ADN (A, G, C,), y el uracilo
(U) sustituye a la timina apareándose perfectamente con la adenina.
Las bases en las moléculas de los ARNs contienen además un azúcar
diferente al que se encuentra en el ADN. Los nucleótidos se asocian
al azúcar llamado ribosa, mientras que en el ADN se asocian a la
desoxirribosa, cuyas uniones entre los átomos de carbono son mas
estables. Por esta característica los ARNs son más lábiles, es decir,
se rompen con facilidad. Los diferentes tipos de ARNs varían de
tamaño. Hay ARNs muy grandes, como los ribosomales, que pueden
tener miles de nucleótidos y ARNs pequeños con solamente 25-30
nucleótidos. Cada uno de ellos tiene una función diferente en las
células, aunque todas ellas están relacionadas con la transmisión de
la información genética. Participan en la edición de los mensajes, ya
sea que ellos mismos lleven el mensaje, o se encarguen de dirigir el
ensamblaje de las proteínas seleccionando a los componentes de
éstas y llevándolos a la línea de ensamble. Tenemos así que las
moléculas de ARN mensajero (Figura II.1) llevan las instrucciones
del ADN a ribosomas que son la línea de ensamble. Ahí, el mensaje
se descifra para. tener las instrucciones y acomodar las partes que
forman urna proteína específica. En este nivel se requiere la ayuda
de los" ARN de transferencia (Figura. II.2), cuyo papel es llevar los
aminoacidos, que son los componentes de una proteína, al sitio de
ensamble.
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Figura II.1. Estructura del ARN mensajero.
Figura II.2. Asas y regiones de doble cadena en los ARN de transferencia
(ARNt). La región variable en los diferentes ARNt corresponde al anticodón,
donde se une al codón correspondiente en el ARN mensajero. El extremo
3´ es al que se unen los aminoácidos.
Los ribosomas mismos están constituidos por ARN ribosomales
(Figura II.3). Cada ribosoma está formado por tres moléculas de
ARN, que en este caso tienen un papel estructural. Los ARNs que son
de tamaño muy pequeño (ARNsn) tienen una participación
importante en la edición de los mensajes, es decir, participan en la
modificación del ADN mensajero, para asegurar que cuando éste
llegue a los ribosomas lleve un mensaje correcto.
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Figura III.3. El complejo arreglo de asas y regiones de doble cadena que
muestran las ARN ribosomales en procariontes (16S) y en eucariontes
(18S). Se nota una cierta similitud estructural entre los ARN, la cual se
mantiene en toda la escala evolutiva.
El tener un material primario o precursor que puede ser arreglado
en diferentes formas por corte y reunión de fragmentos de las
moléculas de ARN, ofrece un gran número de posibilidades para
hacer: 1) diferentes mensajes a partir de una información limitada,
y 2) corrección de errores que no se hubieran detectado en la
transcripción primaria. Por otro lado, al estudiarse estos procesos
quedó claro para los investigadores que estas modificaciones de los
ARNs, que implican actividades enzimáticas inherentes a las mismas
moléculas, podrían explicar cómo se originó la clave de la
información genética y los mecanismos para preservarla y
transmitirla. Si consideramos al ARN como el primer biopolímero, o
sea, la primera macromolécula biológica que se formó en la tierra
primitiva, sus características de enzima le habrían permitido romper
y reunir diferentes fragmentos de sí misma, proceso llamado
autocatálisis, hasta formar fragmentos con información coherente y
por lo tanto utilizable. Una vez formados los fragmentos podrían dar
instrucciones para fabricar proteínas. Más tarde, a partir de estos
mismos ARNs, se originarían moléculas del ADN, ya que las bases de
los dos tipos de moléculas son siempre complementarias. Este paso
habría requerido de la reacción inversa a la reacción conocida como
transcripción y de la cual ya hemos hablado. De hecho se ha
probado que se presenta esta reacción y es mediada por la enzima
transcriptasa reversa, que ya ha sido identificada por varios
investigadores en todas las células. El ADN como tal, por sus
características de estabilidad y capacidad de autorreplicación, sería
seleccionado como el almacén de la información genética
primeramente organizada al azar por las moléculas primitivas de
ARN. Desde ese momento el flujo de información sería de ADN a ARN
y se origina la fabricación de proteínas.
La transcripción del ADN para formar una molécula de ARN se hace
por las enzimas llamadas polimerasas del ARN, que incorporan
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ribonucleótidos en una cadena leyendo siempre la información que
está en el ADN en la dirección 3´-5´ (Figura II.4). Las diferentes
polimerasas se encargan de sintetizar los distintos tipos de ARNs por
un mecanismo idéntico. Cada polimerasa empieza a leer un
mensaje en el ADN cuando encuentra una señal que le indica dónde
y qué tan rápido debe leerlo. Esta señal puede ser una secuencia
especial de bases o la presencia de proteínas reguladoras en el sitio
en donde se inicia la lectura. Una vez iniciada la lectura la
polimerasa continúa incorporando ribonucleótidos a la cadena nueva
hasta que se encuentra una señal en el ADN que le indica que ahí
acaba la lectura de ese mensaje. Este mensaje o transcrito primario
se desprende del ADN y de la polimerasa, y queda libre para ser
modificado o llevado directamente a los ribosomas. El ADN puede
volver a cerrar sus medios escalones en la región de la molécula
que fue transcrita.
Si el transcrito tiene información para hacer proteínas es un
precursor de ARN mensajero. El transcrito puede ser también
precursor de ARNs ribosomales, de ARNs de transferencia o de ARNs
pequeños.
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Figura II.4. Esquema de la transcripción: A) Llegada de la ARN- polimerasa
a su promotor; B) desdoblamiento de la doble hélice para que se inicie la
síntesis de ARN; C) iniciación de la síntesis de ARN; D) alargamiento del
ARN a medida que se desplaza la polimerasa; E) el ARN transcrito se
desprende ya completo, al igual que la polimerasa.
El primer nivel de control de la traducción de un mensaje viene
desde la modificación adecuada del mensaje que va a salir del
núcleo a través del proceso de edición, en un segundo paso ese
mensaje se traducirá siempre y cuando tenga las características
esenciales. Por ejemplo, para el primer nivel un ARNm se puede
transcribir en todas las células de un organismo; sin embargo, sólo
es editado adecuadamente en algunas de ellas, permitiendo que la
proteína correspondiente se sintetice solamente en algunas células.
Para el segundo nivel de control se puede usar como ejemplo la
presencia y longitud de una secuencia localizada en el extremo 3´
de la mayoría de los ARNm, como se ve en la figura II.1. Esta
secuencia de alrededor de 200 bases está formada exclusivamente
de adeninas, por lo que se le conoce como el extremo poli A. La
longitud de este poli A determina la velocidad y frecuencia de
traducción de un ARNm, de modo que ARNs mensajeros con un poli A
muy pequeño ya no se asocian con ribosomas para sintetizar
proteínas, de donde se ha propuesto que la célula no utiliza
mensajeros viejos que podrían estar alterados o dañados.
El precursor de un ARNm tiene además bloqueado su extremo 5´ por
una guanina que se coloca en posición invertida en la cadena de
22
ribonucleótidos, formando un tapón (Figura II.5), por lo cual no
puede ser desprendida por las enzimas que romperían, un enlace
fosfodiéster típico. Este bloqueo se conserva para proteger a la
molécula de ARNm durante el proceso de edición, al igual que la
secuencia poli A mencionada anteriormente. Otras secuencias que
se conservan en el ARNm modificado, esto es, aquellas que codifican
a la proteína respectiva, se llaman exones. Las secuencias que se
eliminan durante la modificación se llaman intrones.
Figura II.5. Bases metiladas en el tapón o casquete del extremo 5´de los
ARN mensajeros.
Un transcrito primario puede entonces tener varios exones y varios
intrones. Por ejemplo; el gen de ovalbumina, una proteína formada
por aproximadaniente 4 300 aminoácidos, contiene las secuencias
de siete intrones que se transcriben al ARNm y se eliminan cuando el
ARNm se modifica. El ARNm que se encuentra en los ribosomas sólo
tiene las secuencias que codifican 4 300 aminoácidos que forman la
proteína. Se ha especulado que los intrones, al no tener un
mensaje, son los sitios en que pueden introducirse; alteraciones (en
donde la frecuencia de mutación es muy alta) y aun preservar sin
cambio aquellas secuencias que tienen mensajes que no pueden
alterarse para el funcionamiento normal de las células. La
modificación de los ARNm por remoción de intrones se conoce como
splicing que en español correspondería a edición (Figura II.6). En
este proceso participan los ARNsn formando partículas ribonucleoproteicas sobre las que se hace la edición. La edición del mensaje
se hace eliminando partes que no se necesitarán para entender las
instrucciones y construir una determinada pieza o proteína o
reuniendo fragmentos de mensajes provenientes de diferentes
regiones del ADN y que al unirse adquieren sentido. Este último
proceso de edición seria el equivalente a formar un párrafo
recortando y pegando palabras de varios artículos diferentes de una
revista. Los ARNs ribosomales y los ARNs de transferencia se
sintetizan también de precursores que se transcriben de regiones
23
especiales del ADN utilizando polimerasas que reconocen las señales
específicas para que estas moléculasfpuedan sintetizarse. Se
transcriben como precursores y deben ser modificados mediante
edición de los transcritos primarios para que puedan convertirse en
moléculas funcionales. Estos ARNs así como los ARNs pequeños no
tienen información para hacer proteínas y participan en los
diferentes mecanismos que resultan en la transcripción de la
información de un gen y en la síntesis de las proteínas.
Figura II.6. Proceso de edición (splicing) de un ARN mensajero snrp =
partículas ribonucleoproteicas. Los números 1 a 6 se refieren a diferentes
tipos de partículas: A) mensajero que se va a editar; B) eliminación del
intrón; C) formación de la estructura de lazada (lariat); D) mensajero
editado.
PRODUCCIÓN DE LAS PARTES: SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
Las proteínas corresponden a las partes de las diferentes
maquinarias celulares que ejecutan las instrucciones almacenadas
en el ADN. Las instrucciones no se limitan a cómo unir a los
aminoácidos sino que también indican cuándo se traduce el
mensaje del cual se construye una proteína y el orden en que ésta
debe construirse. Las instrucciones también permiten que se
puedan hacer muchas copias de una proteína cuando así se
requiera. Cada secuencia de tres nucleótidos en un ARNm forma un
codón, es decir, la unidad mínima en la clave que, al descifrarse,
indica qué aminoácido se selecciona para ponerlo en la línea de
ensamble. Un ARNm debe ser por lo tanto tres veces más largo en
nucleótidos que la proteína que codifica.
Cuando un ARNm especifica su información se dice que esta siendo
traducido, pues ése es el momento en que la información contenida
24
originalmente en el ADN se interpreta y se puede sintetizar una
proteína. Los ARNs de transferencia son los encargados de
seleccionar cada uno de los aminoácidos, lo reconoce y se une a él
a través de su extremo 5´. Los ARNt cargados llegan a los
ribosomas, en donde el ARNm está siendo traducido y translocan al
ribosoma el aminoácido necesario para que la proteína se vaya
formando. Cada molécula de ARNt se une solamente a un tipo de los
20 aminoácidos que se encuentran en el citoplasma de las células y
de cuya combinación resultan las proteínas. En el extremo opuesto,
en donde se une el aminoácido a la molécula de ARNt, hay una
estructura en forma de asa y en ella está la secuencia de tres bases
llamada anticodón, la cual encaja perfectamente con el codón del
ARNm ya que le es complementaria (figura II.3) Al engancharse
estas secuencias se asegura que el aminoácido seleccionado se
incorpore en el orden preciso en la secuencia de la proteína que se
está sintetizando. Todo este ensamble coordinado entre codones,
anticodones y formación de enlaces químicos entre aminoácidos
para fabricar una proteína se lleva a cabo sobre los ribosomas
(Figura II.7). Las dos partículas de ribosomas contienen moléculas
de ARN combinadas con proteínas. El ARNr de mayor tamaño
(llamado de 26 ó 28S) y uno llamado 5S forman la partícula más
grande y el de menor tamaño (16 ó 18S) forma la partícula
pequeña. El arreglo estructural de los ribosomas permite que sobre
ellos se acomoden todos los elementos que participan en la
construcción de una proteína. En esta compleja línea de ensamble
existen también diferentes enzimas y factores que inician y
terminan la traducción del mensaje, permiten formar la unión entre
los aminoácidos y desprender a la proteína completamente
terminada. Un mensaje puede ser usado muchas veces si la célula
requiere de una gran cantidad de una proteína determinada o
puede ser descartado si sólo requiere que se traduzca una sola vez.
Estos pasos son controlados por las necesidades de producción de
las células y de acuerdo con programas bien establecidos, lo que
lleva al buen funcionamiento de un organismo. Las proteínas
constituyen más de la mitad del peso seco de una célula, tienen
gran diversidad de tamaños, arreglos tridimensionales y muy
variadas funciones. En el humano hay más de 100 000 proteínas
diferentes. Algunas son enzimas o catalizadores de reacciones
químicas dentro de las células, otras tienen actividad lítica para
destruir blancos específicos y componentes extraños a la célula, y
otras más forman diversas estructuras celulares. Los aminoácidos
que las forman (20 diferentes) son moléculas con una estructura
básica común, formada por un carbono denominado alfa, al que se
une un grupo carboxilo (COOH), un grupo amino (NH2) y un residuo
de varios carbonos y otros átomos que le dan a cada aminoácido su
propia personalidad química y carga eléctrica.
25
Figura II.7. Traducción de un ARN mensajero y síntesis de la proteína para
la cual lleva la información.
De esta manera se producen aminoácidos básicos, ácidos y neutros,
cuya combinación, al fabricarse una proteína, también le confiere a
ésta características químicas propias. La posibilidad de combinar
varios aminoácidos permite también gran versatilidad en la
fabricación de proteínas y por consiguiente en las funciones que
desempeñan. Los diferentes aminoácidos se unen entre sí
originándose un enlace peptídico que se forma entre el grupo
carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del aminoácido que se
inserta en la cadena. Una cadena o polipéptido formado de varios
aminoácidos tiene entonces un extremo amino terminal y un
extremo carboxilo terminal (Figura II.8). De la secuencia en que se
ordenan los aminoacidos o la estructura primaria de la proteína
dependerá la estructura de ésta a niveles secundarios. Por ejemplo,
las interacciones entre ciertos aminoácidos pueden formar puentes
de hidrógeno o puentes disulfuro y dar origen a regiones en la
proteína con forma de espiral o de hojas planas. Las combinaciones
que se dan en estas regiones constituyen lo que se denomina un
dominio. Una proteína pequeña tiene por lo general un dominio, una
grande tendrá varios. Algunas proteínas están constituidas por la
asociación de varios polipéptidos idénticos, otras están formadas
por polipéptidos que pueden tener diferente secuencia de
aminoácidos y distinto tamaño. Las proteínas tienen que
sintetizarse con mucha precisión, ya que un solo cambio en un
aminoácido es suficiente para alterar su estructura y función, a
veces con resultados fatales. Por ejemplo, en la proteína
hemoglobina, componente principal de los glóbulos rojos de la
26
sangre, el cambio de glutámico por valina es suficiente para que
esta proteína funcione inadecuadamente y se produzca en el
organismo el padecimiento llamado anemia falciforme.
Figura II.8. Formación de la unión peptídica entre aminoácidos para
formar un polipéptido o proteína. Algunas proteínas están formadas por
varios polipéptidos que una vez sintetizados interaccionan entre sí a
través de enlaces diversos. Las proteínas formadas por un solo polipéptido
se llaman monoméricas, a diferencia de las que tienen dos, que son
diméricas, tres las triméricas, etc., hasta poliméricas.
En el caso que nos interesa en este libro, que es el de las proteínas
que participan en movimiento, éstas se encuentran en el citoplasma
de las células formando la matriz fibrosa que constituye el
citoesqueleto. Este nombre se deriva de las características
estructurales de sus elementos que dan un soporte rígido alrededor
del cual se organiza el resto del citoplasma y del cual depende
también la forma que adopta la célula y los movimientos que puede
realizar. Las primeras observaciones del citoesqueleto en el
citoplasma se hicieron desde el siglo XIX. Hay descripciones
detalladas de estructuras fibrosas en neuronas, realizadas por
Sigmund Freud y Santiago Ramón y Cajal.
Este último, usando técnicas de tinción de plata, pudo describir una
matriz organizada en células de glia. No fue sino hasta los años
cincuenta y sesenta que el uso del microscopio electrónico y del
glutaraldehído, como fijador de células, permitieron la identificación
de estructuras individuales y morfológicamente distintas dentro de
la matriz citoplásmica. Sin embargo, la verdadera y diversa
identidad proteica de los componentes del citoesqueleto se pudo
establecer años más tarde, utilizando metodología bioquímica e
inmunológica. Analizaremos los componentes proteicos más
abundantes del citoesqueleto:
Actina. Ésta es una proteína globular con un peso molecular de 42
700 daltones, es decir, que tiene aproximadamente 427
aminoácidos formando una cadena lineal o polipéptido. Su nombre
deriva del griego y significa rayo. Es una proteína acídica, pues
contiene un elevado porcentaje de aminoácidos ácidos y una carga
eléctrica negativa. Tiene una molécula de Ca2+ asociada que utiliza
la conformación globular y una molécula de ATP, cuyo fosfato
terminal se hidroliza cuando varias moléculas se asocian y
polimerizan para formar la actina filamentosa. Al enredarse dos de
estos filamentos se forma un microfilamento de actina que; se ve al
27
microscopio electrónico como una fibrilla de 7- 9nm en el
citoplasma de las células (Figura II.9).
Figura II.9. Estructura de un monómero de actina con sus sitios de unión a
Ca2+ y ATP (A) y de un polímero o microfilamento de actina (B) formado
de muchos monómeros ensamblados en una doble espiral.
Hay varias formas de la actina en los diferentes tipos de células de
un organismo y en ocasiones dentro de una misma célula. Las
diferencias se deben principalmente a sustituciones de uno o varios
aminoácidos que no alteran las propiedades funcionales de la
proteína. Así tenemos que la actina alfa es característica del
músculo esquelético, mientras que las formas beta y gamma
existen en músculo liso y estriado y en células no musculares. Esto
significa que en un mismo organismo pueden existir diferentes
isoformas de la actina, lo que llevó a considerar que debe haber
genes diferentes para codificar a las diferentes actinas. Se ha
encontrado que ciertamente existen en una célula varias copias de
los genes de la actina, algunas de las cuales se expresan solamente
en un tipo celular, por lo que ciertas células sólo fabrican una
isoforma de esta proteína —como sería el caso del músculo
esquelético—, aunque tienen la información para hacerlas todas.
Algunas veces, como en el actinomiceto Dictyostelium discoideum,
se expresa una sola forma de la actina, aunque hay 17 copias del
gen de ésta.
Una gran variedad de proteínas se asocia a la actina y gobierna de
diferentes formas la configuración y función de la proteína y de los
microfilamentos. Algunas de estas proteínas regulan, por ejemplo,
la viscosidad de la actina purificada formando puentes entre los
filamentos, otras forman haces de éstos, provocando rigidez en
filamentos en paralelo, algunas forman conexiones a distancia entre
las fibras aisladas, y otras mas se unen a filamentos aislados y
regulan su polimerización rompiendo el filamento o estabilizándolo.
Entre estas proteínas asociadas a la actina se puede citar a la
gelsolina, la tropomiosina, la severina, la fimbrina, la vellosina, etc.
y, desde luego, la miosina, que junto con la actina puede convertir
28
la energía química del ATP en movimiento contráctil en muchos tipos
de células. Hace tiempo se pensaba que la actina y la miosina eran
proteínas exclusivas de las células musculares. Ahora se sabe que
también son proteínas estructurales en las células no musculares.
Miosina. Es una proteína de gran tamaño. Su nombre se deriva de
la voz músculo ya que es en los tejidos musculares donde se
encuentra en gran abundancia. La etimología de músculo proviene
del griego mus (ratón), al parecer porque los médicos hipocráticos
encontraron una analogía entre estos roedores y las masas de carne
que parecen deslizarse rápidamente por debajo de la piel. La
miosina existe en varias formas. La miosina I tiene una cadena de
aminoácidos llamada pesada, porque está formada por 1 200 a 1
400 aminoácidos y una o dos cadenas ligeras con 130 a 150
aminoácidos. Este tipo de miosinas se encuentra en células no
musculares. La miosina II forma los filamentos gruesos en los
sarcómeros de los músculos y también se encuentra en células no
musculares que requieren la contracción de las estructuras
formadas por la actina, como puede ser el anillo de constricción en
una célula en división (Figura II.10). Está formada por una
combinación de seis polipéptidos, dos con cadenas de 2 000
aminoácidos y dos pares de cadenas ligeras formadas por 160 a
200 aminoácidos. Por su gran tamaño esta molécula es soluble
solamente a altas concentraciones de sal. Cuando se agregan estos
seis polipétidos forman fibras con extremos globulares o cabezas en
donde se acomodan las cadenas ligeras. La combinación de varias
de estas fibras produce un filamento grueso que, visto en el
microscopio electrónico, tiene un diámetro de aproximadamente 30
nm. A diferencia de la actina, las miosinas varían mucho en su
evolución, pero la secuencia de aminoácidos, aunque algo similar, sí
es diferente en los distintos tipos de células. Hay varios genes para
las diferentes miosinas y, como en el caso de la actina, no todos se
expresan en las mismas células. H. Huxley encontró que la parte de
la molécula de miosina que interacciona con la actina se puede
desprender del resto de la molécula, y ya separada puede seguir
interaccionando con los filamentos de actina para formar complejos
que, observados al microscopio electrónico, tienen la apariencia de
puntas de flecha. Esta metodología fue utilizada en células no
musculares por H. Ishikawa y sus colaboradores en la Universidad
de Pensilvania, quienes demostraron que los fragmentos de miosina
se unían a estructuras específicas en las células que correspondían
en apariencia a los microfilamentos observados por varios
microscopistas en los sarcómeros del músculo. Esta unión es
completamente específica para la actina, lo que permitió no sólo
observar en una célula no muscular a los filamentos de la actina,
sino distinguirlos de otros tipos de estructuras fibrosas en el
citoplasma. La interacción de la actina con la miosina y otras
proteínas regula en las células no musculares los movimientos como
la citocinesis y la locomoción, migración de partículas y organillos,
contracción de vacuolas y cambios de forma.
29
Figura II.10. Diagrama de las moleculas de miosina II (A) y I (B) en el que
se muestra la cabeza globular asociada a las cadenas ligeras.
Tubulina. Esta proteína es también mayoritaria en el citoesqueleto
de las células. Está organizada como un dímero con un peso
molecular de 115 000 daltones, en el que participan las proteínas
llamadas tubulina alfa y tubulina beta en la misma proporción
(Figura II.11). Cada una de estas proteínas está formada por
aproximadamente 550 aminoácidos, con una buena proporción de
residuos acídicos, por lo que también son proteínas acídicas. Los
dos tipos de tubulina, aunque son similares, no son idénticos y de
hecho se transcriben de genes diferentes. La tubulina alfa puede
también estar acetilada, es decir; tener un grupo acetilo unido a
uno de sus aminoácidos. La acetilación ocurre una vez que la
proteína se desprende de los ribosomas. Esta tubulina se comporta
en forma diferente y se asocia en forma particular a estructuras
celulares como los flagelos. Se ha encontrado también tubulina
destirosinada, y esto significa que la tubulina perdió el aminoácido
tirosina de su extremo amino terminal, y en esta forma se le asocia
al aparato de Golgi. Las tubulinas son, como la actina, proteínas
conservadas, por lo que su secuencia de aminoácidos no varía
mucho en diferentes células, sean animales o vegetales, y de
hecho, si se observan al microscopio los microtúbulos aislados y las
estructuras formadas por microtúbulos, se encuentra siempre la
misma organización básica.
30
Figura II.11. A) estructura del heterodímero de tubulina con sus sitios de
unión a GTP y a colchicina; B) microtúbulo formado por la polimeración de
los heterodímeros. Un microtúbulo en corte transversal muestra 13
unidades alrededor de la luz.
Los microtúbulos se ensamblan por la polimerización de los dímeros
de tubulina dejando un espacio central o luz de 10 nm de diámetro,
de manera que al cortar transversalmente un microtúbulo se
observan 13 unidades estructurales alrededor de la luz,
correspondientes a los dímeros ordenados para formar el tubo.
Recientemente se ha identificado una tubulina gamma que se
encuentra asociada a los centrómeros de los cromosomas. Hay
proteínas asociadas a la tubulina y su papel es facilitar la
polimerización de la proteína en microtúbulos. Estas proteínas
forman grupos llamados MAPS y TAU.
Proteínas de filamentos intermedios. Las proteínas que forman los
filamentos intermedios constituyen el grupo más diverso de
proteínas del citoesqueleto; tienen diferentes propiedades
bioquímicas y diferentes tamaños, y contienen desde 400 hasta 2
000 aminoácidos aunque son codificadas por una familia de genes
similares que se expresan diferencialmente en distintos tipos de
células o en diferentes estadios funcionales. Reciben diferentes
nombres, según el tipo de célula de donde se han aislado. Hay por
lo menos 20 subtipos de queratinas que se han identificado en
epitelios, desmina en el músculo, filamentos gliales en células glia,
neurofilamentos en muchos tipos de neurona y vimentina en células
de origen mesenquimatoso. La proteína lámina que forma la
membrana de los núcleos es un miembro de esta familia. Todas
estas moléculas tienen una región central de longitud constante en
la que de 30 a 70% de los aminoácidos son idénticos (Figura II.12).
A través de esta región se hace la unión de varias moléculas para
formar el arreglo que finalmente constituye un filamento
intermedio. Estos filamentos son muy estables, por lo que estas
proteínas, a diferencia de las ya mencionadas, no se polimerizan y
despolimerizan continuamente. Es frecuente encontrar fosforiladas
a las proteínas de filamentos intermedios, modificación que es
31
reversible y llevada a cabo por cinasas específicas que responden a
señales celulares relacionadas con niveles iónicos en el citoplasma o
con fenómenos membranales. Se conocen por lo menos dos tipos
de proteínas asociadas a filamentos intermedios: filagrina y
sinemina. No obstante, su función específica es poco clara. En
algunas enfermedades, como la de Alzheimer, se ha demostrado
que las proteínas de los filamentos intermedios están alteradas, por
lo que muchos investigadores estudian estas proteínas tratando de
establecer una correlación entre esta enfermedad y la alteración de
los filamentos intermedios.
Figura II.12. Interacción de los dímeros de proteínas de filamentos
intermedios (A) para formar los tetrámeros (B) que al polimerizar forman
la unidad estructural de los filamentos intermedios (C).
32
I I I .
E N S A M B L E D E L A S P A R T E S : D E
L A S P R O T E Í N A S A L A
O R G A N I Z A C I Ó N S U P R A M O L E C U L A R
UNA vez formada una cadena de aminoácidos o polipéptidos ésta
puede adquirir diversas conformaciones tridimensionales. Un
péptido puede asociarse también a otras proteínas de la misma o
diferente secuencia de aminoácidos y adoptar diferentes
configuraciones. Igualmente, a nivel tridimensional las proteínas
tienen que ordenarse con precisión. La interacción entre sus
diferentes dominios resulta en asociaciones específicas tanto con
moléculas diferentes como con moléculas del mismo tipo. Cuando
esto último sucede, la interacción no covalente de subunidades trae
como resultado la formación de una estructura polimérica.
Este fenómeno de ensamble o polimerización tiene las siguientes
ventajas: 1) se construye una estructura a partir de subunidades
iguales de modo que la información para hacer una sola de ellas es
suficiente, 2) se puede controlar tanto el ensamble como el
desensamble, y para esto se requiere relativamente poca energía, y
3) el ensamble permite corregir más fácilmente errores que se
darían si cada vez se tuviera que sintetizar toda la estructura.
Para que se realice el ensamble se requiere solamente que una
proteína tenga un sitio de unión que sea complementario a otra
región de su propia superficie. Así se pueden formar dímeros, que
es el caso más simple, trímeros y hasta polímeros, en los cuales
hay miles de subunidades o monómeros asociados. En el caso del
citoesqueleto las estructuras subcelulares que lo componen, tanto
los diferentes tipos de filamentos como los microtúbulos, se forman
por polimerización de sus subunidades proteicas (Figura III.1). La
forma alargada de estas estructuras les da las características
esenciales para formar las partes de una maquinaria de la que se
requiere fuerza mecánica.
33
Figura III.1. Curva de polimerización de una proteína del citoesqueleto. Se
puede apreciar que el polímero que se esta formando crece mas
rápidamente en el extremo (+). La concentración crítica (Cc) es aquella
por debajo de la cual no hay polimerización. Tr = treadmilling, se refiere al
rango de concentración en el polímero se polimeriza en el extremo (+) y
se despolimeriza en el (-).
MICROFILAMENTOS
Los monómeros de actina pueden ser polimerizados aumentando la
concentración de sales a nivel fisiológico (Figura III.2).
Figura III.2. Micrografía de filamentos de actina polimerizados in vitro. La
actina se extrajo de músculo esquelético de conejo y se introdujo a
polimerizar en presencia de Mg2+.
Durante la polimerización el fosfato terminal de una molécula de
ATP, que está regularmente asociada con los monómeros, se
hidroliza proveyendo la energía necesaria para el ensamble. La
actina despolimerizada, llamada también soluble, forma una
solución poco viscosa, pero al polimerizarse hay un rápido aumento
de viscosidad que al medirse nos dará una indicación de la
velocidad con que se asocian los monómeros de actina para formar
un filamento (Figura II.9).
Cada microfilamento tiene dos cadenas de monómeros de actina
enrollados en espiral, la cual crece siempre en un extremo (extremo
+), puesto que sus extremos son estructuralmente diferentes por la
molécula deATP o ADP que se halla asociada a los monómeros
ensamblados. Esta polaridad de la molécula es muy importante en
la asociación de los filamentos con otras proteínas y en la forma
como se desensambla un filamento. Este desensamble se puede
producir aumentando los niveles de Ca2+ y también por la acción de
algunas drogas, como la citocalasina. El desensamble siempre
ocurre a partir del extremo (-) de los filamentos.
Los filamentos de actina interaccionan con otras moléculas para
poder funcionar. Su interacción va a depender del tipo de célula en
la que se encuentren y de las funciones que ésta lleve a cabo. En
los diferentes tipos de músculos la actina interacciona con la
miosina para producir la contracción muscular. En otros tipos de
34
células los filamentos de actina forman redes y haces (Figura III.3)
que dan más resistencia al citoplasma y permiten desplazamiento
de las células. Las proteínas que facilitan la formación de haces se
llaman, en forma genérica, hacinadoras, aunque dos de ellas se han
caracterizado mejor y se conocen como fascina y fimbrina. Otras
proteínas favorecen el entrecruzamiento de los filamentos para
formar redes y entre ellas están la ABP, la filamina y la alfa-actinina.
Otras rompen los filamentos, como la gelsolina y la severina,
facilitando la despolimerización y la repolimerización. En los sitios
de contacto de filamentos con la membrana celular se encuentran
proteínas como la ankirina, la espectrina y la fodrina. En áreas de
contacto de las células con el substrato se encuentran los
filamentos de actina asociados a proteínas como vinculina y talina.
Asimismo, proteínas como la profilina se asocian a los monómeros
de atina inhibiendo su polimerización y manteniendo la actina en la
célula en forma soluble. Toda esta gama de proteínas regula de
manera precisa la forma en que la actina participa en los
movimientos celulares y determina cuándo y cómo se debe inducir
la polimerización, así como la despolimerización de los
microfilamentos (Figura III.4).
Figura III.3. Red de filamentos de actina vistos por microscopía de
inmunofluoresencia dentro de una célula en cultivo. Los filamentos de
actina se decoraron con un anticuerpo específico contra la actina que, una
vez unido a está, se revela con un segundo anticuerpo acoplado a un
reactivo fluoresente.
35
Figura III. 4. Representación de algunas de las proteínas que se unen
específicamente a filamentos y monómeros de actina para darles
diferentes organizaciones dentro de la célula.
Las moléculas de miosina también se polimerizan en forma
espontánea para formar filamentos gruesos (Figura III.5). El
número de cadenas que se ensamblan para formar una fibra
depende del tipo de la miosina, pero básicamente la estructura es
similar. Las cadenas pesadas se enredan una sobre la otra
formando una espiral, manteniendo la misma dirección y dejando
libre una parte de la molécula en donde se asocian las cadenas
ligeras, constituyendo con ello una especie de cabeza.
36
Figura III. 5. Micrografía de filamentos de miosina obtenidos de una célula
no muscular. (Foto cortesia de J. Kendrick Jones.)
Para formar un filamento grueso las colas de moléculas individuales
se asocian por uniones hidrofóbicas y así se dejan las cabezas
sueltas. Esta asociación se va haciendo fuera de fase, de modo que
un filamento tendrá cabezas a todo lo largo con ciertos intervalos
(Figura V.1). En el músculo esquelético se asocian cientos de
cabezas para formar un filamento grueso. En otras células los
filamentos de miosina pueden estar formados por fibras
individuales. Las cabezas de las fibras son la parte de la molécula
de miosina que interacciona con la actina. Estas moléculas tienen
una actividad enzimática de ATPasa, es decir, son capaces de
hidrolizar ATP, con lo que se deriva la energía necesaria para la
interacción con la actina y los movimientos que se llevan a cabo con
esta interacción. Además de la actina hay varias proteínas que se
asocian a la miosina, y las mejor definidas hasta ahora son aquellas
que se asocian a los filamentos en el músculo y regulan el
deslizamiento. La tropomiosina se une como una varilla a lo largo
del filamento de la actina, la troponina se une a intervalos regulares
a los filamentos de la actina y regula los niveles de Ca2+, y la alfa
actinina ayuda a unir los filamentos de actina a la línea Z del
sarcómero. Cuando una de las dos cadenas ligeras de la miosina se
fosforila o uno de sus aminoácidos (serina) adquiere un grupo
fosfato, la cabeza de la miosina puede interaccionar con la actina y
entonces el filamento se desplaza sobre la actina. Esta fosforilación,
así como la activación subsecuente de otras moléculas, depende de
los niveles de Ca2+ en la célula. En células no musculares la miosina
forma filamentos menos organizados que los del músculo y para
ensamblarse debe ser fosforilada, si esto no sucede, la molécula se
agrega sobre sí misma y no forma filamentos. La asociación de la
miosina y la actina en células no musculares forma estructuras
contráctiles o pequeñas maquinarias para llevar a cabo ciertos
movimientos. Un ejemplo es el anillo contráctil que divide el
citoplasma de una célula para formar dos células hijas (véase figura
7.VII). Otro ejemplo son las fibras de tensión que se forman en
células en movimiento y que se insertan en la membrana celular en
los puntos de contacto con el substrato sobre el que se desplazan.
En algunas células, como las de los epitelios, la interacción forma
redes permanentes que les permite mantener su forma y sus
contactos con otras células (Figura III.5). Cuando las estructuras no
son permanentes se establece un equilibrio dinámico entre las
proteínas solubles y las polimerizadas, lo cual le permite a la célula
regular el ensamble o desensamble de estas maquinarias, según lo
necesite, manteniendo todas las partes en equilibrio y listas para su
reutilización. Los filamentos de actina pueden despolimerizarse por
interrupción del equilibrio entre monómeros y polímero. Hace
algunos años se encontró que las drogas llamadas citocalasinas se
unen a los microfilamentos en el extremo (-) causando su
polimerización por el extremo (+). En esta condición los filamentos
no se pueden repolimerizar, lo cual da como resultado su
desensamble total y la inhibición defunciones celulares en las que
éstos participan.
MICROTÚBULOS
37
La unidad básica de los microtúbulos es el dímero, formado por
tubulinas alfa y beta en iguales proporciones. El ensamble de estos
dímeros para formar un microtúbulo requiere de la hidrólisis de GTP,
un nucleótido trifosfato que contiene la base guanina en lugar de
adenina, como en el ATP, y que se encuentra asociado a cada
dímero. La energía provista por la hidrólisis del GTP favorece la
polimerización en el extremo del túbulo, que aumenta de tamaño.
El otro extremo, al no crecer, se empieza a despolimerizar. Por esta
razón los microtúbulos son muy inestables y pueden polimerizarse y
despolimerizarse con gran rapidez. Los dímeros, al polimerizar,
forman filamentos alargados (Figura III.6) que posteriormente se
asocian en grupos de 13 y dejan una luz central que le da a la
estructura el carácter de túbulo en el citoplasma. Los microtúbulos,
de aproximadamente 240 nm, se forman de manera espontánea
partiendo de centros de nucleación llamados organizadores de
microtúbulos (MTOC), en donde se concentran las subunidades de
tubulina. Con base en estas estructuras se organizan los
microtúbulos que radian hacia el citoplasma (Figura III.7). Los
centros organizadores de microtúbulos forman los ásteres en la
mitosis y también los cuerpos basales de los cilios y flagelos en
muchas células.
Figura III. 6. Micrografía de microtúbulos polimerizados in vitro. La
tubulina se obtuvo de cerebro de rata y se hizo polimerizar en presencia
de GTP.
Algunos dímeros de tubulina se modifican una vez ensamblados en
un microtúbulo, para participar en funciones definidas. Así vemos
cómo algunas tubulinas se acetilan y otras pierden el aminoácido
tirosina. También, al asociarse a algunas proteínas los microtúbulos,
se estabilizan.
38
Figura III. 7. Centros organizadores de microtúbulos (MTOC). Los
microtúbulos se observan por microscopía de inmunofluoresencia dentro
de las células, ya que se decoraron con un anticuerpo contra la tubulina.
La región más brillante alrededor de los núcleos corresponde al MTOC, de
donde irradian los microtúbulos a todo el citoplasma.
Entre las proteínas que estabilizan a los microtúbulos se encuentran
las llamadas MAPs, que son de peso molecular elevado y que están
formadas por aproximadamente 2 000 a 3 000 aminoácidos, y las
llamadas TAU, con 400 a 600 aminoácidos. Ambas se asocian a todo
lo largo de los microtúbulos y contienen dos dominios, uno que une
a varios dímeros y ayuda a polimerizarlos y otro que permite que
los microtúbulos se unan a otras proteínas. La estructura
microtubular más organizada es tal vez el axonema de cilios y
flagelos, en el cual nueve pares exteriores de microtúbulos se
arreglan alrededor de un par central, todos ellos conectados entre sí
por un gran número de proteínas diversas que ayudan a que este
axonema lleve a cabo el movimiento de deslizamiento que resulta
en el movimiento batiente de los cilios y de látigo o tirabuzón de
algunos flagelos (Figura III.8). En el caso de cilios y flagelos los
microtúbulos son muy estables y no se despolimerizan con facilidad.
Cada par exterior tiene asociada una proteína con actividad de
ATPasa, que se conoce como dinaina, y que al hidrolizar el ATP
genera la energía necesaria para permitir el deslizamiento de los
túbulos y, por consiguiente, de los flagelos o cilios.
39
Figura III. 8. A) Videomicrografía del protozoario parásito Giardia con sus
dos flagelos en movimiento. B) Representación esquemática del axonema
de túbulos arreglados en nueve pares exteriores y un par central. El
movimiento de los microtubulos causa la flexión de los flagelos y esto
permite a la célula desplazarse en su medio ambiente.
La polimerización de los microtúbulos puede inhibirse por
temperatura, presión, falta de cationes como Ca2+ y Mg2+ y por
drogas, como la colchicina, que al interaccionar con los dímeros de
tubulina impide que éstos se integren al microtúbulo que esta
créciendo en un extremo, causando la despolimerización del otro
extremo. Ya que un microtúbulo está en un equilibrio dinámico
entre dímeros y polímeros, cualquier factor que interrumpa este
equilibrio interferirá con su funcionamiento. Es por esto que la
colchicina es un inhibidor de la mitosis, del transporte axonal y de
otras funciones que requieren la participación de microtúbulos. La
droga llamada taxol actúa en forma contraria a la colchicina, esto
es, estabiliza al polímero de modo que los microtúbulos no pueden
despolimerizarse, con la consecuente inhibición del equilibrio
dinámico y de los procesos ya mencionados, en los que participan
los microtúbulos.
FlLAMENTOS INTERMEDIOS
Los filamentos intermedios se forman al ensamblarse cuatro
elementos fibrosos, compuesto cada uno de subunidades
correspondientes a un mismo tipo de polipéptido. Las cuatro
cadenas pueden agruparse en diversas combinaciones, dependiendo
de las proteínas de esta familia que existan en la célula (como se
vio en la figura II.12). Se asocian lateralmente en algunas zonas,
dejando espacios libres en donde las subunidades proteicas
adquieren diferentes configuraciones. Los filamentos intermedios
son de longitud variable y posiblemente se extienden hasta el
citoplasma de la célula para interaccionar con otras estructuras,
como los llamados desmosomas en las membranas, dándoles
rigidez y ayudando a su función de mantener a las células unidas
entre sí (Figura III.9). Generalmente se piensa que tienen una
función mecánica dentro de las células, puesto que existen siempre
40
en forma polimerizada. La presencia de clases específicas de
filamentos intermedios, en diferentes tipos celulares, ha permitido
tipificar a una célula e identificar de dónde proviene, lo cual ha
resultado muy útil en los casos de cánceres en que el origen de las
células en una metástasis puede determinarse por el tipo de
proteínas que constituyen a los filamentos intermedios que
contiene, y así localizar el punto de origen de la metástasis.
Figura III. 9. Micrografía por inmunofluoresencia de células en cultivo que
han sido decoradas con un anticuerpo contra filamentos intermedios (en
este caso vimetina). La intrincada red de estos filamentos se extiende por
toda la célula hasta su periferia.
Hay también proteínas asociadas a filamentos intermedios; dos bien
conocidas son la filagrina y la sinemina. Sin embargo, su función
específica es poco clara todavía, ya que los filamentos intermedios
son muy estables. En algunas enfermedades, como la de Alzheímer,
se ha demostrado que las proteínas de los filamentos intermedios
están alteradas. La fosforilación de las proteínas que forman a los
filamentos intermedios está relacionada con algunas de sus
funciones, es reversible y se observa cuando las células cambian de
forma o se reestructura un componente celular, como sucede con la
envoltura nuclear. No se conocen drogas que los despolimericen,
aunque en células tratadas con colchicina estos filamentos se
colapsan sobre el núcleo sin desensamblarse, por lo que se ha
observado que la organización de los microtúbulos controla la
organización de los filamentos intermedios y entonces la colchicina,
al desensamblar los microtúbulos, produce un colapso de la red de
filamentos intermedios. Este proceso es reversible y tanto los
filamentos como los microtúbulos se reorganizan al quitarse la
colchicina. Sin embargo, no se han hallado los cofactores que
participan en la reorganización de filamentos intermedios.
41
I V . C O M B U S T I B L E P A R A E L
M O V I M I E N T O : B I O E N E R G É T I C A
HASTA aquí hemos descrito cómo las células fabrican, siguiendo las
instrucciones contenidas en su código genético, los elementos
necesarios para construir largas estructuras lineales que pueden
entrecruzarse o hacinarse en extensas redes y fuertes armazones
internos. La gran resistencia mecánica de tales complejos
estructurales permite a la mayoría de las células mantener una
forma definida y característica, a la vez que brinda puntos de apoyo
para que se ejerza y transmita el movimiento. Es por esta razón,
como hemos dicho, que al conjunto organizado de microtúbulos,
filamentos de actina y filamentos intermedios se le ha dado el
nombre de citoesqueleto. Pero, salvo en los cuentos de terror, los
esqueletos no se mueven por sí mismos, y el esqueleto de la célula
no es la excepción de la regla. Por tanto, la siguiente etapa de
nuestro análisis la destinamos a considerar qué es lo que mueve al
citoesqueleto, actividad de la cual depende la generalidad de los
movimientos de las células.
Por supuesto, cualquier cambio en la organización del citoesqueleto,
sea por la adición de una nueva red estructural, sea por la
ampliación, conversión o desmantelamiento de otra ya existente, o
por una combinación de todas estas causas, puede dar como
resultado una alteración en la forma de la célula. Esta clase de
reacomodo es sin duda un tipo de movimiento, en la medida en que
lo son también el hundimiento de la carpa de un circo cuando se
elimina uno de sus postes de sostén, o las dramáticas metamorfosis
que experimenta un paragüas cuando cambian de posición sus
varillas. Más adelante veremos cómo algunas células —como las
amibas y los glóbulos blancos de la sangre, que de continuo
cambian de forma, o los espermatozoides de ciertos invertebrados
marinos, en los que una súbita polimerización de la actina produce
un largo tentáculo que les permite anclarse al óvulo— muestran
ejemplos notables de esta suerte de movimiento. Sin embargo, la
sola transformación de estructura no es suficiente para explicar la
vasta diversidad de movimientos que se observan en la materia
viviente. La contracción activa del cuerpo celular, la agitación de
apéndices en su superficie, y el transporte de materiales por el
interior de las células, que en general depende estrictamente de los
microtúbulos o de filamentos de actina, requieren además de otros
componentes indispensables.
El movimiento celular es producto de la actividad de una complicada
maquinaria compuesta a su vez por diferentes tipos de máquinas
individuales, distribuidas y arregladas conforme a distintos diseños,
según el tipo de célula y de movimiento de que se trate. Ahora
bien, toda máquina consta de algunas partes fijas que sirven de
soporte y de las partes móviles que ejecutan la función. Pero, si nos
enfocamos a examinar las máquinas que son capaces de
movimiento propio, es decir; que no son accionadas por el esfuerzo
corporal del hombre o de algún animal, es fácil percatarse de que
por lo común las piezas móviles comprenden dos categorías:
42
aquellas que únicamente son jaladas o empujadas, y las que se
encargan de originar el movimiento. Estas últimas son los motores,
que convierten alguna forma de energía —térmica, química,
hidrodinámica, eléctrica, nuclear, etc.— en energía mecánica. La
maquinaria que produce el movimiento celular tiene también sus
motores. Al igual que todo esqueleto, el citoesqueleto depende de
elementos generadores de fuerza para efectuar los cambios de
posición que determinan el movimiento. Hace no muchos años se
acuñó el nombre de citomusculatura para referirse al conjunto de
tales factores clave para el cinetismo biológico. En la actualidad el
término ha caído en desuso, pero el concepto gana validez día con
día, a medida que se descubren nuevas proteínas especializadas en
convertir energía metabólica en fuerza mecánica. Son estos
potentes motores moleculares los que, con apoyo en el
citoesqueleto, impulsan a los seres vivos. El movimiento de las
células es por tanto activo, producto de los componentes del propio
citoplasma y se denomina motilidad para distinguirlo de movilidad,
es decir, de movimientos debidos a causas externas. Antes de
describir sus mecanismos de operación, conviene mencionar
brevemente de dónde obtienen la energía que utilizan.
FUENTES DE ENERGÍA
La energía que mueve al mundo viviente proviene del Sol. La
energía solar es capturada por algunos organismos —ciertos
microbios y las plantas verdes— que la aprovechan directamente
para construir, a partir de materiales inorgánicos simples que
absorben del medio, las complejas moléculas orgánicas que los
constituyen (Figura lV.1) El resto de los seres vivientes, que no
tienen la facultad de utilizar directamente la energía solar de esta
manera, dependen de un proceso inverso para funcionar. Ingieren
las moléculas orgánicas creadas por el proceso anterior y las
desarman hasta convertirlas otra vez en sustancias simples, con lo
que se libera la energía invertida para la construcción de las
primeras. Los motores que mueven a las células, al igual que el
resto de los mecanismos fisiológicos, consumen la energía derivada
del Sol, tanto por la vía directa como por la indirecta. Por cualquiera
de ambas vías dicha energía queda almacenada temporalmente en
un combustible de uso general llamado trifosfato de adenosina, al
que los biólogos acostumbran referirse por sus siglas en inglés: ATP.
43
Figura IV. 1. Utilización de la energía solar por los seres vivos.
El ATP es un nucleótido idéntico a uno de los cuatro eslabones que
componen cada una de las cadenas del ADN, excepto que en lugar
de un solo grupo fosfato tiene tres, los dos últimos conectados en
serie con el primero (Figura IV.2). Su propiedad de servir como
intermediario en el flujo de energía en las células estriba en que el
tercer grupo fosfato se encuentra, por así decir, acomodado a
presión en la molécula. Un ejemplo mecánico puede ayudar a
explicar de qué manera el ATP guarda energía que es capaz de
transferir a otras moléculas para promover una reacción bioquímica.
Figura IV. 2. Fórmula del ATP, la fuente principal de energía dentro de la
célula.
44
Imaginemos una caja de madera en la que se empacan tres balones
de hule, aunque únicamente caben dos sin dificultad; el tercero
alcanza a entrar sólo parcialmente, por lo que para cerrar la caja es
necesario oprimir la tapa y asegurarla con un broche. La elasticidad
de los balones les permite deformarse para ser encajonados si se
les fuerza a ello, pero estarán listos para tomar su forma original a
la primera oportunidad.
Para construir este sistema se ha requerido invertir la energía en
varios momentos: en primer lugar, hay que considerar la energía
que tomó la producción de los materiales básicos (digamos, el
crecimiento de los árboles que proveyeron la madera para la caja y
el caucho para los balones); se tiene además la energía gastada
para la confección de cada uno de los elementos del sistema
(fabricar la caja y los tres balones); por último, está la energía
aplicada para integrar el sistema con base en los elementos (colocar
en la caja los tres balones y cerrarla venciendo la resistencia que
resulta de la presencia del tercer balón). (Figura IV.3).
Figura IV. 3. Modelo mecánico para ilustrar la formación del enlace de alta
energía en el ATP durante su fosforilación y la liberación de esta energía
por la hidrólisis del enlace. La liberación de energía se aprovecha para
realizar un trabajo T. Gran parte del trabajo en una célula se expresa como
movimiento.
La energía invertida en este sistema no es recuperable por
completo, pero sí una buena parte de ella. Por ejemplo, un método
para extraer del sistema el máximo de energía recuperable es
prenderle fuego, lo que produce una generación de calor que se
puede aprovechar para realizar trabajo si la combustión ayuda a
vaporizar agua en una caldera y la presión del vapor se emplea
para poner en movimiento una máquina. Sin embargo, a pesar de
que este procedimiento es muy efectivo, implica la destrucción total
del sistema, lo que no siempre es deseable. Una manera menos
drástica de recuperar parte de la energía contenida en el sistema
consiste simplemente en desabrochar la tapa de la caja; los tres
balones volverán a su forma original y uno de ellos saldrá
disparado, empujando la tapa tan pronto como desaparezca la
barrera que los mantenía aprisionados en el interior. La fuerza
desarrollada espontáneamente por el sistema, cuando se relaja,
45
también podrá realizar un trabajo; por ejemplo, impulsar hacia
arriba un objeto relativamente ligero colocado encima de la tapa.
Parte de la energía almacenada habrá sido transferida al objeto,
que gracias a ella efectúa un movimiento ascendente a pesar de la
atracción gravitacional. Esta energía fácilmente liberable es una
consecuencia exclusiva de la presencia del tercer balón, porque sin
él la energía restante del sistema no realizaría el trabajo de manera
espontánea. Por otra parte, el sistema puede ser puesto en servicio
en múltiples ocasiones, pues para ello basta con introducir
nuevamente el tercer balón en la caja, oprimir la tapa y abrocharla.
Una situación equivalente existe en el ATP. Al igual que cualquier
otra molécula, contiene energía —la invertida en la creación y el
ensamble de sus componentes. La descomposición total de la
molécula liberaría el máximo de energía recuperable, pero las
células prefieren aprovechar sobre todo su capacidad de guardar
energía fácilmente liberable por la presencia del tercer grupo
fosfato, que se encuentra agregado de manera forzada en la
estructura. Desde luego, en este caso no se trata de una
compresión mecánica, sino de una posición desfavorable a la
estabilidad de la molécula, debida principalmente a repulsiones
eléctricas entre átomos vecinos. Sin embargo, el sistema opera de
manera semejante al modelo descrito. Tan pronto como se abre la
posibilidad, el tercer grupo fosfato se desprende del conjunto y la
energía liberada es aprovechable para efectuar una alteración que
no ocurriría de manera espontánea en moléculas cercanas. De esta
manera el ATP queda convertido en ADP (difosfato de adenosina),
que puede ser "recargado" nuevamente si, a expensas de una
fuente extra de energía, se le añade otra vez un tercer grupo
fosfato (Figura IV.4).
Figura IV. 4. Formación del ATP y su hidrólisis.
A diferencia de los balones del ejemplo mecánico anterior; la
división del ATP implica la ruptura de un enlace químico entre el
segundo grupo fosfato y el tercero. Los dos cabos sueltos de este
enlace tienen cargas eléctricas de signos contrarios y tienden a
asociarse de manera natural con algo que las neutralice; para ello
46
utilizan los dos fragmentos en que puede partirse una molécula de
agua (H+ y OH-). A este fenómeno se le denomina hidrólisis (del
griego hydros agua y lysis, descomponer), por lo que se dice que el
ATP es hidrolizado cuando se divide en ADP y fosfato libre. En la
célula, la hidrólisis del ATP es promovida por enzimas llamadas
ATPasas, que al mismo tiempo capturan la energía liberada para
aplicarla a un fin particular. Cuando, como veremos, la aplicación
consiste en que la ATPasa modifica transitoriamente su propia
conformación para realizar un trabajo mecánico, se le da el nombre
de mecanoenzima. Otras ATPasas utilizan la energía derivada de la
hidrólisis del ATP para distribuir solutos de manera asimétrica entre
ambos lados de las membranas celulares, por lo que constituyen un
verdadero sistema de bombeo. Muchas otras ATPasas aplican la
energía para vincular moléculas durante la construcción de
cómpuestos orgánicos mayores.
La adición de un grupo fosfato a una molécula de ADP para
regenerar ATP se conoce como fosforilación. Como mencionamos en
un párrafo anterior, en el comienzo del flujo energético a través de
los sistemas vivientes la energía necesaria para incorporar el tercer
fosfato proviene del Sol. La luz es energía radiante capaz de actuar
sobre la materia, como lo atestiguan todos los recursos que ofrece
la fotografía, el cambio de tono de la piel después de asolearse, y la
posibilidad de incendiar una hoja seca mediante una lente que
concentre en un punto los rayos solares. Las plantas verdes y
algunos microorganismos tienen la facultad de capturar esta
energía y aprovecharla para producir ATP. Este fenómeno, llamado
fotofosforilación, tiene lugar gracias a la existencia de sustancias
que son excitadas por la luz, como la clorofila (Figura IV.5).
Figura IV. 5. Fotosíntesis.
47
En las plantas dichas sustancias se encuentran enclavadas en las
membranas internas de numerosos corpúsculos citoplásmicos
llamados cloroplastos. Cuando éstos reciben la radiación, la
incidencia de la energía lumínica ocasiona que algunos electrones
de los átomos de la clorofila sean dislocados de su posición habitual
y se desplacen hacia moléculas contiguas de otro tipo, que a su vez
los descargan en otras moléculas, y éstas los hacen pasar a otras
más, a lo largo de una compleja cadena dentro de la propia
membrana de que forman parte. La energía de este flujo de
electrones es empleada para acumular iones de hidrógeno en uno
de los dos espacios separados por la membrana. Al verse más
concentrados en uno de los compartimientos, los iones de
hidrógeno tienden naturalmente a difundirse hacia el lado contrario
buscando alcanzar el equilibrio. Y sucede que el único camino para
el regreso a través de la membrana es una enzima que saca
provecho del empuje de los iones de hidrógeno en su retorno para
unir un grupo fosfato al ATP. Estas enzimas se denominan ATPsintetasas.
Una fracción de los electrones que la luz desprende de la cloroflia
regresa a ésta por una ruta molecular alterna, pero el resto termina
por abandonar la membrana, uniéndose a compuestos solubles que
los aceptan. Esta segunda parte tiene que reponerse de algún
modo, puesto que de no ser así el proceso se interrumpiría
rápidamente al agotarse los electrones que pueden ser dislocados
de la clorofila. La fuente inagotable de electrones que mantiene en
marcha el mecanismo es el agua, que los cede a la clorofila. El
resultado total es la descomposición de la molécula de agua en dos
protones y un átomo de oxígeno. La inmediata asociación de dos de
estos átomos produce oxígeno molecular; que puede difundirse a
través de las membranas del cloroplasto hacia otras regiones de la
célula e incluso más allá, fuera de la planta, hacia la atmósfera. Por
su parte, los electrones que emergen de la membrana, asociándose
con aceptores solubles, proveen la energía necesaria para la
fabricación de carbohidratos o azúcares a partir de bióxido de
carbono, que los vegetales absorben de la atmósfera. A través de
estos dos procesos paralelos, que en conjunto reciben el nombre de
fotosíntésis, la energía solar queda atrapada en forma de ATP y
compuestos orgánicos, con lo que ingresa en el mundo viviente,
donde es distribuida por medio de las cadenas alimentarias. La
nutrición de unos seres vivos a expensas de otros implica no sólo la
obtención de materias primas para crecer y resarcir el desgaste
natural de los componentes corporales, sino también —y de manera
capital— la apropiación de la energía indispensable para dicho
mantenimiento y para la reproducción.
La degradación de los materiales orgánicos ingeridos, en particular
de los carbohidratos, constituye el principal recurso energético con
que cuentan los animales y otros organismos incapaces de efectuar
la fotosíntesis. Dicha degradación se lleva a cabo con la
participación de numerosas enzimas que conducen paso a paso el
proceso, y puede seguir dos vías principales. La más sencilla y
antigua, aunque menos eficiente, consiste en fragmentar moléculas
de algunos azúcares como la glucosa, y se denomina por tanto
glucólisis (Figura IV.6). La división de una molécula de glucosa
48
libera energía suficiente para la generación de dos moléculas de
ATP, a partir de ATP y de fosfato inorgánico. Si bien esta clase de
reacción se encuentra representada de manera casi universal en los
organismos, su rendimiento energético es bajo en comparación con
la cantidad total de energía recuperable que existe en la glucosa.
No sorprende, por tanto, que la evolución haya favorecido el
desarrollo y la expansión de la segunda vía de degradación de
carbohidratos, en general subsecuente a la primera, que permite
una explotación más completa de su potencial energético.
Figura IV. 6 Glucólisis.
En este último proceso la glucosa es descompuesta a través de una
completa serie de reacciones enzimáticas hasta revertir a sus
ingredientes originales, es decir, el bióxido de carbono y el agua
que las células vegetales utilizaron durante la fotosíntesis. Buena
parte de la energía solar que hizo posible dicha transformación es
retenida mediante la fosforilación de 36 moléculas de ADP por cada
molécula de glucosa degradada totalmente. Este método de
reconstitución del ATP requiere de oxígeno, cuya combinación con el
carbono de la glucosa para dar como resultado terminal el bióxido
de carbono constituye una oxidación, por lo que se ha dado el
nombre de fosforilación oxidativa. Es indispensable un continuo
abastecimiento de oxígeno para mantener en operación este
49
eficiente proceso de extracción de energía metabólica. Los animales
superiores cuentan con un aparato respiratorio y un sistema
circulatorio que colaboran en la tarea de ingresar y distribuir el
oxígeno en sus cuerpos. Sin embargo, la respiración es un
fenómeno mucho más general, que ocurre en la gran mayoría de
las especies animales y vegetales. El sitio donde tiene lugar la
respiración esta en el interior de las células, en las membranas de
pequeños corpúsculos funcionalmente similares a los cloroplastos:
las mitocondrias.
El paralelismo inverso evidente entre la fotosíntesis y la respiración
se refleja en una clara similitud de sus mecanismos. La degradación
metabólica de carbohidratos y otros compuestos orgánicos aporta
electrones que son conducidos a lo largo de una cadena de
moléculas enclavada en la membrana mitocondrial, que termina por
cederlos al oxígeno con la consiguiente producción de agua. El
movimiento de los electrones brinda la energía para un bombeo de
iones de hidrógeno a través de la membrana, y el empuje de dichos
iones para redistribuirse de manera uniforme a ambos lados de la
misma impulsa la operación de una ATP-sintetasa. La energía del
ATP es aprovechada después por diversos tipos de ATPasas, entre
las que se encuentran las mecanoenzimas o motores moleculares,
cuyo funcionamiento examinaremos a continuación.
50
V . M O T O R E S Y M Á Q U I N A S S I M P L E S :
M E C A N O E N Z I M A S Y P O L Í M E R O S D E
S O P O R T E
PARA proceder en el orden cronológico de sus respectivos
descubrimientos, entre los motores celulares debe mencionarse, en
primer lugar, a la miosina, la cual se describió e ilustró en capítulos
anteriores.
MIOSINA
La miosina, con sus dos cabezas en uno de sus extremos, tiende
espontáneamente a formar fascículos con un arreglo peculiar. Cada
molécula se une a otra con orientación opuesta, empalmando las
colas, y cada una de estas parejas se asocia lateralmente con otras
parejas hasta constituir fibras en donde las cabezas quedan
asomando escalonadamente en la periferia del fascículo. Constituida
de esta manera, la apariencia de la fibra es similar a la que
presentaría un ramo doble de rosas en botón, en el que las varas
sin hojas estarían empalmadas en sentido contrario, y los botones
quedarían expuestos alternada y simétricamente a lo largo de los
extremos. Las cabezas de miosina son enzimas capaces de
hidrolizar ATP y aprovechar la energía liberada (Figura V. 1). La
miosina utiliza esta energía para modificar de manera transitoria su
propia conformación, y puesto que este cambio produce trabajo
mecánico, como veremos a continuación, se trata de una
mecanoenzima.
Figura V. 1. Filamento de miosina II y su interacción con microfilamentos
de actina. A) Múltiples moléculas de miosina asociadas para formar un
filamento bipolar. B) La interacción de filamentos de miosina con
filamentos de actina produce el deslizamiento de estos últimos.
Cuando una de estas fibras se encuentra con un microfilamento
alineado en paralelo, las cabezas de miosina propenden a acoplarse
con las moléculas de actina, favoreciendo una firme asociación
entre ambas estructuras. Es entonces cuando, en presencia de ATP,
51
se expresan las propiedades motoras de la miosina y sus cabezas
literalmente caminan a lo largo del filamento. Al igual que el
movimiento de un pie, este notable fenómeno ocurre en varias
etapas: 1) separación del punto de contacto inicial; 2) avance hacia
una nueva posición; 3) afianzamiento en el nuevo punto de
contacto, y 4) efecto de arrastre sobre el resto de la estructura en
esa dirección. Las moléculas de ATP participan en las dos primeras
etapas a través dos acciones. Por una parte, tienen la virtud de
desprender las cabezas de miosina del filamento de actina; por la
otra, ceden su energía para permitir que las cabezas ya liberadas se
enderecen de su condición retraída normal y puedan alcanzar el
siguiente punto de anclaje. Así, cada molécula de ATP, de éste toma
energía para enderezarse, y se ancla nuevamente en un punto
vecino al filamento. Al concluir este último paso, la cabeza de
miosina se vuelve a retraer y, puesto que se halla unida al
filamento de actina, la retracción se refleja en el arrastre de su cola
(Figura V.2). El ciclo se repite una y otra vez, siempre que haya ATP
disponible. Una cabeza de miosina consume la energía que aportan
entre 5 y 10 moléculas de ATP cada segundo para desarrollar este
trabajo. Dado que otras cabezas de miosina en esa misma fibra
efectúan un proceso equivalente, la fibra se desplaza
longitudinalmente sobre el filamento.
Figura V. 2. Interacción de una molécula de miosina II con un filamento de
actina. A) En estado de reposo la cabeza de miosina se encuentra
firmemente asociada al filamento. B) La unión con una molécula de ATP le
permite desprenderse del filamento. C) Una vez suelta, la cabeza de
miosina hidroliza el ATP y aprovecha la energía liberada para cambiar de
conformación y alcanzar un sitio algo más distante sobre el filamento. D)
Al ser eliminado el ATP la cabeza de miosina vuelve a asociarse al
filamento en el nuevo sitio alcanzado. A la vez recupera automáticamente
su conformación original y tira del resto de la molécula en la dirección del
avance. Nuevas moléculas ATP permiten la repetición sucesiva del ciclo y
el avance lento sobre el filamento.
Esta descripción del funcionamiento de un motor molecular no es
producto de la imaginación. Aunque no es posible ver directamente
la interacción dinámica entre las moléculas de actina y miosina,
existen numerosos indicios de que así es como opera, hace algunos
años se obtuvo una prueba contundente de ello. Los investigadores
52
purificaron moléculas de miosina a partir de músculo de conejo, y
las fijaron por métodos químicos sobre esférulas de un material
sintético visible al microscopio. Cuando estas esférulas se pusieron
en contacto con los filamentos de actina que existen en ciertas
algas verdes, de inmediato se observó que migraban a lo largo de
los filamentos, y el movimiento sólo ocurrió si existía ATP en el
medio. Además de corroborar la teoría formulada previamente
acerca del mecanismo de deslizamiento de fibras de miosina sobre
filamentos de actina, este ingenioso experimento puso en evidencia
que dicho mecanismo es común en células tan distintas y distantes
entre sí, desde el punto de vista evolutivo, como son las del
músculo de un animal superior y las de una planta primitiva. Se
trata, por consiguiente, de un recurso tan eficaz que la evolución lo
ha conservado y distribuido entre una gran variedad de organismos
para desempeñar múltiples funciones.
Un filamento de actina se convierte así en una pista para que la
miosina camine sobre él, y esto impone una orientación definida al
movimiento en el espacio tridimensional. Además, tal como sucede
con la mayoría de las pistas, aparte de que el desplazamiento debe
efectuarse a lo largo del filamento, la dirección está también
determinada: las cabezas de miosina pueden caminar únicamente
en un sentido. Esto es consecuencia de la polaridad estructural de
los filamentos de actina, que acepta la asociación entre ambas
clases de moléculas exclusivamente en una posición específica, de
manera análoga o como los asientos de un avión determinan una
posición regular y orientada de los pasajeros. Esta propiedad puede
demostrarse luego de exponer filamentos desnudos ante una
multitud de cabezas de miosina dispersas en una solución carente
de ATP. En tales condiciones, por lo explicado antes, la miosina se
adhiere con firmeza a los filamentos, y el microscopio electrónico
revela que la adhesión ocurre de acuerdo con un arreglo preciso.
Las cabezas aparecen recubriendo por completo cada filamento,
ordenadas una junto a otra como pequeñas salientes inclinadas que
dan al conjunto el aspecto de una apretada serie de puntas de
flecha, similar al de una espiga de trigo (Figura V.3). Se dice
entonces que el filamento fue decorado con las cabezas de miosina,
y ello constituye una prueba contundente de que se trata de un
filamento de actina. Cuando las cabezas forman parte de una fibra
de miosina en la condición natural, el desplazamiento de la fibra es
en dirección contraria a aquella en la que señalan las puntas de una
flecha. En términos de la polaridad del filamento de la actina, esta
dirección es la que ve hacia el extremo (+), o aquél en donde
ocurre preferentemente la adición de moléculas de actina durante la
polimerización.
Figura V. 3. Filamento de actina decorado con miosina II.
53
La explicación de los mecanismos que median la interacción motora
de la miosina con los filamentos de actina ha sido un camino arduo
en el que han participado muchos brillantes investigadores, y dista
aún de completarse en todos sus detalles. Sin embargo, por
compleja que pueda parecer la descripción dada en los párrafos
anteriores, el principio de operación es, en última instancia, el de
una de las máquinas más simples inventadas por el hombre;
corresponde a lo que en mecánica se llama un trinquete, es decir,
un dispositivo en el que una uñeta avanza a lo largo de un poste,
clavándose sucesivamente en ranuras hendidas de manera
periódica sobre la superficie del mismo. En cada paso, la uñeta se
separa de la ranura que ocupa y alcanza la ranura siguiente, donde
se engancha para iniciar un nuevo ciclo. La forma de la uñeta y las
ranuras es complementaria y oblicua con respecto al eje del poste,
de tal modo que el avance sólo puede efectuarse en una dirección;
el mecanismo se atranca en la dirección contraria. De manera
análoga, la miosina avanza unidireccionalmente como una uñeta
sobre el filamento de la actina. La única diferencia fundamental es
que la uñeta del trinquete mecánico responde pasivamente a una
fuerza externa —aplicada por la mano de un operador; por
ejemplo— , mientras que la miosina consume energía directamente
para realizar ella misma todo el trabajo. La energía obtenida del ATP
es utilizada por la miosina de manera específica para enderezar la
cabeza y ponerla en posición de alcanzar un nuevo sitio de anclaje.
Es por esta razón que la miosina, a diferencia del trinquete, es un
motor.
Dado que las cabezas de miosina deben tener una orientación
particular para asociarse funcionalmente con los filamentos de
actina, una fibra de miosina, organizada simétricamente con
cabezas caminantes apuntando en direcciones opuestas, sólo puede
interaccionar con filamentos orientados de manera adecuada en
cada uno de sus dos extremos. Sin embargo, el extremo opuesto
puede interaccionar con filamentos de actina colocados en posición
antiparalela, es decir, cuya polaridad esté invertida con respecto a
los primeros. La actividad motora de la miosina en ambos extremos
de la fibra resultará entonces en una aproximación de los dos
conjuntos de filamentos de actina, si éstos se encuentran libres.
Pero si, como es habitual, los filamentos se encuentran unidos en
sus cabos distantes con membranas u otros componentes celulares,
tales componentes experimentarán una fuerza de tracción hacia la
zona en que se halla la miosina. Puesto que las fibras de miosina
tienen cabezas caminantes proyectadas en diversos ángulos en
torno a su eje, cada fibra puede interaccionar a la vez con varios
filamentos de actina en cada extremo. Se multiplica así el trabajo
realizado por la fibra y aumenta la fuerza que es capaz de generar.
Este es, esencialmente, el fenómeno que ocurre durante la
contracción muscular aunque, como veremos en capítulos
posteriores, las células aprovechan este mecanismo para diversos
fines. La combinación de este motor molecular—la miosina— con
filamentos que transmiten la fuerza constituye una (de las
máquinas biológicas más ubicuas y, por consiguiente, más
estudiadas y mejor comprendidas. Veamos ahora otros ejemplos.
DINAÍNA, CINESINA Y DINAMINA
54
El funcionamiento del complejo actina-miosina hace patente que las
estructuras del citoesqueleto resultan ideales como puntos de
apoyo, guías y líneas de transmisión de las fuerzas desarrolladas
por los motores moleculares en las células. No sorprende, por tanto,
que los microtúbulos, algo más rígidos y resistentes que los
filamentos de actina, constituyan el soporte para la operación de
otros motores moleculares. Y en retrospectiva, tampoco causa
mucho asombro que tales motores estén diseñados conforme al
mismo principio que la miosina. De hecho, al menos en el primer
caso que abordaremos a continuación, existe una gran similitud
(Tabla 1) .
Tabla 1. Motores moleculares
Miosina I
Miosina II
Dinamina
Cinesina
Dinaína
400-500
Peso
110-140 Kda.. 200 Kda.
100 Kda.
120 Kda.
Kda.
molecular
Número
de
1
2
1
2
2ó3
cabezas
Proteínas
y
y/o
microtúbulos
organelos actina
miosina II
microtúbulos vesículas
o vesículas
con
los vesículas
que
se
une
ATPasa
microfilamentos microfilamentos
microtúbulos microtúbulos microtúbulos
activada
de actina
de actina
por
La dinaína —la proteína de la fuerza— es otra mecanoenzima que
utiliza energía derivada de la hidrólisis del ATP para cambiar
transitoriamente su conformación. Se trata también de una
molécula de grandes dimensiones integrada por varias subunidades,
las mayores de las cuales son dos cabezas globulares con un peso
de 410 000 daltones cada una, en las que reside la actividad de
ATPasa. Esta actividad aumenta sustancialmente en presencia de
microtúbulos. La dinaína fue inicialmente identificada como el motor
que genera el movimiento de apéndices vibrátiles llamados cilios y
flagelos que ciertas células poseen. En fechas más recientes ha
podido comprobarse que hay otras formas de dinaína distribuidas
en el citoplasma de una vasta variedad de organismos.
La característica distintiva de las dinaínas es su capacidad para
avanzar sobre los microtúbulos, de manera análoga a como lo hace
la miosina sobre los filamentos de actina (Figura V.4). Cabe aclarar
que esta interacción es por el exterior y no por la estrecha luz de
los microtúbulos, como justificadamente alguien pudiera pensar.
Todo indica que las cabezas de la dinaína se afianzan a un sitio en
la pared de los microtúbulos, en seguida cambian bruscamente de
forma, y luego se desprenden para enderezarse y afianzarse en un
nuevo sitio, repitiendo el ciclo sin cesar mientras dispongan de ATP.
55
Figura V. 4. Interacción de la cinesina con microtúbulos. A) Mecanismo
básico propuesto para la acción de la cinesina; B) desplazamiento de
microtúbulos, uno con respecto a otro, a través de la cinesina; C)
movimiento mediado por cinesina de una partícula sobre un microtúbulo.
Puesto que normalmente las moléculas de dinaína están unidas a
estructuras celulares por el extremo opuesto al de las cabezas
motrices, dichas estructuras responden al esfuerzo de arrastre que
se ejerce sobre ellas. Cuando la dinaína se halla asociada con una
vesícula o algún otro tipo de partícula en libertad para desplazarse,
ésta migra a lo largo del microtúbulo. Pero si la dinaína se
encuentra anclada en otro microtúbulo, se produce un
deslizamiento de un microtúbulo sobre el otro y cada uno de ellos
actúa como elemento de transmisión de la fuerza generada hacia
las partes de la célula con las que esté conectado mecánicamente.
El fenómeno puede reproducirse experimentalmente colocando
microtubulos purificados sobre una laminilla de vidrio recubierta con
moléculas de dinaína; se observa entonces que los microtúbulos se
deslizan paralelamente a la superficie si el medio está provisto de
ATP.
Al igual que en la máquina constituida por actina y miosina, la
polaridad de los microtúbulos determina la dirección del avance de
la dinaína sobre ellos. Una diferencia importante, sin embargo, es
que en este caso el sentido del movimiento apunta hacia el extremo
(-) del microtúbulo, es decir; el menos propicio para la adición de
moléculas de tubulina durante su polimerización. Por fortuna, en los
últimos diez años han aparecido otros dos tipos de mecanoenzimas
—las cinesinas o proteínas del movimiento (120 000 daltones) y la
dinamina o proteína de la potencia (100 000 daltones)— con
propiedades y funciones semejantes a las de las dinaínas, pero que
se trasladan en sentido contrario al de éstas sobre los microtúbulos
(figura .V.5). En consecuencia, un mismo microtúbulo puede servir
como soporte y guía para movimientos de otros componentes
celulares en ambas direcciones.
56
Figura V. 5. Desplazamiento de microtúbulos mediado por la dinaína.
Hemos completado así un inventario mínimo de partes e
ingredientes indispensables para la integración y el funcionamiento
de la maquinaria que mueve a las células, y a través de estas
últimas a la mayoría de los seres vivientes. La lista incluye los tres
principales componentes del citoesqueleto —encargados de
mantener la forma de las células y la distribución de estructuras en
su interior —, una familia de cuatro tipos de motores moleculares
capaces de generar fuerzas sobre algunos polímeros del
citoesqueleto, y el combustible necesario para alimentar estos
motores. Vimos también que las máquinas simples constituidas por
la combinación de motores y polímeros del citoesqueleto pueden
desarrollar tensión entre puntos específicos de una célula o acarrear
estructuras a través de su citoplasma. Pasaremos ahora a examinar
cómo estas máquinas simples se reúnen en conjuntos armónicos
para integrar aparatos que desempeñan muy variadas funciones.
SISTEMAS DE TRANSPORTE COLECTIVO
Ya hemos dicho que cuando las moléculas de miosina, dinaína,
cinesina y dinamina disponen de energía suministrada por el ATP
tienen la capacidad de caminar en sentido unidireccional sobre los
microfilamentos de actina o a lo largo de los microtúbulos,
respectivamente, y que en cada caso el sentido del avance está
determinado por la polaridad del polímero lineal correspondiente.
En consecuencia, un arreglo en paralelo de múltiples polímeros del
mismo tipo constituye una verdadera pista para el tráfico de los
motores moleculares respectivos. Esta clase de arreglo es
aprovechada por muchas células para realizar un acarreo dirigido de
materiales por su interior.
Corrientes citoplásmicas
Un ejemplo típico de este fenómeno se encuentra en numerosas
células vegetales. En presencia de luz —es decir, cuando hay
producción de ATP gracias a la fotosíntesis— el contenido celular es
circulado ininterrumpidamente a velocidades de hasta 100 micras
57
por segundo, dentro de pasadizos internos que a menudo
atraviesan o circunvalan un enorme espacio libre o vacuola central
(Figura V.6). Mediante este proceso la célula asegura una
distribución homogénea de nutrientes y otras sustancias en su
interior. El espectáculo de estas corrientes intracelulares ha
cautivado a los microscopistas por más de 200 años, desde que en
1774 Corti lo describió por primera vez; pero no fue sino hasta la
década pasada que logró aclararse el principio general que explica
el fenómeno.
Figura V. 6. Varios tipos de corrientes citoplásmicas en células vegetales.
Por lo regular; el movimiento se origina en la cercanía de largas
fibras que pueden estar dispuestas de diversas maneras en el
interior de las células. El deslizamiento del citoplasma siempre es
paralelo a estas fibras y con una velocidad máxima en la vecindad
inmediata a las mismas. Las fibras que dirigen el movimiento tienen
un diámetro aproximado de 0.2 micras, pero cuando son
examinadas con un microscopio electrónico aparecen corno cables
integrados por múltiples filamentos con un calibre individual de
entre cinco y siete nanómetros. Estos filamentos pueden ser
decorados artificialmente con cabezas de miosina, como se explicó
en el capítulo anterior, por lo que no hay duda de que son
polímeros de actina. Es más, como también se mencionó antes, se
ha demostrado que en presencia de ATP y en condiciones propicias
los cables compuestos por estos filamentos pueden servir como
base y guía para la migración de cabezas de miosina obtenidas de
músculo de conejo.
El tratamiento de las células vegetales con citocalasinas —que como
se recordará inducen la despolimerización de los filamentos de
actina o con inhibidores metabólicos que disminuyen la producción
de ATP, interrumpe de manera drástica el flujo intracelular. Puesto
que también se sabe que las células vegetales —al igual que las de
origen animal— tienen una dotación de moléculas de miosina, está
claro que las corrientes cito plásmicas en las plantas se generan
porque estas moléculas se impulsan sobre filamentos de actina
mediante un proceso dependiente de ATP (Figura V.7).
58
Figura V. 7. Corrientes citoplásmicas en una célula vegetal. Secuencias
videomicroscopicas del movimiento de los cloroplastos dentro de una
célula de la planta acuática Vallisneria. Los cloroplastos se mueven en
círculos alrededor de la célula utilizando la interacción de actina y
miosina. Las flechas señalan un mismo grupo de cloroplastos en 3
posiciones sucesivas.
De manera análoga a lo que sucede con las calles y avenidas de
una ciudad, los cables de filamentos de actina pueden ser
transitados por las moléculas de miosina en doble sentido o en una
sola dirección. Puesto que cada filamento permite el avance
únicamente en un sentido, el tránsito en uno o en dos sentidos
depende de la orientación de los filamentos que componen el cable.
Si todos los filamentos tienen su polaridad orientada en el mismo
sentido, el movimiento será necesariamente unidireccional; pero si
el cable está formado por filamentos dispuestos de modo
antiparalelo, es decir, con sus polaridades orientadas en sentidos
opuestos, constituye una pista sobre la que las moléculas de
miosina podrán migrar en ambas direcciones.
Las moléculas de miosina recorren los cables de filamentos de
actina como unidades libres, o bien como vehículos de carga si
están asociadas con vesículas y otras pequeñas estructuras. El
desplazamiento activo de estos componentes ocasiona un efecto de
arrastre pasivo sobre el fluido circundante, por lo que si el
movimiento es unidireccional se produce un flujo continuo en la
capa de citoplasma contigua al cable. Cuando existe un conjunto de
cables paralelos, los flujos respectivos se suman y afectan regiones
de citoplasma más distantes, generándose así una verdadera
corriente que pone en circulación prácticamente la totalidad del
contenido celular (Figura V.8).
59
Figura V. 8. Mecanismo propuesto de corriente citoplasmica: a =actina, c =
cloroplasto, m = miosina, me = membrana, p = pared celular.
Transporte axoplásmicosmico
Al igual que los filamentos de actina, los microtúbulos también
pueden constituir pistas para la migración de motores moleculares.
El caso más notable de esto es el llamado transporte axoplásmico
que tiene lugar en el interior de las prolongaciones cilíndricas o
axones de las células nerviosas o neuronas. Estas prolongaciones,
tradicionalmente conocidas como fibras nerviosas, son las que
permiten la transmisión de señales entre puntos específicos del
sistema nervioso, y pueden alcanzar longitudes de decenas de
centímetros e incluso metros en animales de gran tamaño. Si bien
las señales conducidas son en su mayoría de naturaleza eléctrica y
se propagan por la membrana que limita cada axón, existe además
un atareado acarreo de materiales por dentro de la fibra, es decir, a
través del axoplasma. Proteínas, gránulos, mitocondrias, y vesículas
de diversos tamaños emplean este sistema de transporte colectivo
para viajar de un extremo a otro de las células nerviosas. El
proceso ocurre de manera continua en ambos sentidos de la fibra,
simultáneamente, con velocidades de hasta cinco micras o algo más
por segundo (casi medio metro en 24 horas) que, convertidas
proporcionalmente a una escala más familiar; serían comparables a
la de un automóvil compacto corriendo a unos 120 km por hora. El
transporte por el interior del axón permite a la neurona suministrar
a sus prolongaciones y a sus remotas terminales los componentes
que requieren para su mantenimiento y funcionalidad, así como
recibir mensajes de tipo químico acerca de las células con que está
directamente conectada (Figura V.9).
60
Figura V. 9. Transporte axoplásmico. A) Representación del axón en una
neurona; B) amplificación mostrando vesículas transportadas a lo largo
del axón por el citoesqueleto: mt = microtúbulos interconectados con la
matriz citoplasmica, mit = motocondrias, nf = neurofilamentos, me =
membrana celular, v = vesículas.
Las prolongaciones, en ocasiones muy ramificadas, que otorgan a
las neuronas su apariencia singular, no serían posibles sin un
armazón interno que les ayude a mantener una forma tan
asimétrica. Dicho armazón está constituido desde luego por el
citoesqueleto; de hecho, las células nerviosas son quizás el ejemplo
más destacado de hasta qué punto el citoesqueleto puede obligar a
que las células embrionarias, originalmente globulares, adopten
morfologías adecuadas a funciones particulares. El microscopio
electrónico revela que la estructura más prominente de toda fibra
nerviosa es una columna de microtúbulos asociados lateralmente
entre sí por medio de numerosos brazos transversales. En muchos
casos se encuentran también filamentos longitudinales de 10
nanómetros de grueso, llamados neurofilamentos, que por sus
características pertenecen a la familia de los filamentos
intermedios. Además de proporcionar estabilidad estructural a la
fibra, los microtúbulos desempeñan un papel central en el
mecanismo del transporte axoplásmico. La colchicina, la vinblastina
y otras drogas que despolimerizan los microtúbulos, imposibilitan la
continuidad del transporte. Por otra parte, cualquier condición que
dificulte la producción de ATP —falta de oxígeno, sustancias tóxicas
para las mitocondrias, etc.— detiene el proceso en poco tiempo.
Como hemos visto, estas propiedades —interrupción del
movimiento por trastorno del citoesqueleto o por carencia de
energía metabólica— son características de los fenómenos
mediados por motores moleculares. Sin embargo, sólo hasta en
fechas muy recientes consiguió establecerse la identidad de tales
motores.
En 1985, mediante laboriosos procedimientos bioquímicos, se logró
aislar del axoplasma un complejo de proteínas que tiene la habilidad
de efectuar muy curiosos malabares. Al ser agregado, junto con
ATP, a una suspensión de microtúbulos sueltos, hace que éstos
repten sobre el vidrio de la cámara de observación o que se
deslicen unos contra otros. Si los microtúbulos se sujetan
61
artificialmente al vidrio con un adhesivo y se añaden luego vesículas
obtenidas también del axoplasma, además de ATP; la proteína hace
que las vesículas marchen a lo largo de los microtúbulos. Se trata,
pues, de un translocador que actúa en concierto con los
microtúbulos; sí éstos están libres puede moverlos con respecto a
una superficie de sostén, pero si están fijos su acción se refleja en
el movimiento de pequeñas partículas sobre los mismos
microtúbulos. Como conviene a un sistema de transporte colectivo,
el translocador resultó no ser específico, ya que mueve toda clase
de carga dadas las dimensiones apropiadas. En esta misma serie de
experimentos se constato que la proteína es capaz de transportar
perlitas microscópicas de látex. Ésta es en resumen la historia del
descubrimiento de la cinesina, uno de los motores moleculares que
opera en asociación con los microtúbulos.
La investigación posterior ha comprobado que la cinesina es el
vehículo del transporte axoplásmico, y que la columna de
microtúbulos en el axoplasma ofrece guía y soporte para el traslado
de componentes a lo largo del axón. Sin embargo, a diferencia de
los cables de filamentos de actina en las células vegetales, los
microtúbulos que se encuentran en el axoplasma tienen su
polaridad orientada casi exclusivamente en un solo sentido. La
cinesina, que al igual que los demás motores moleculares sólo
transita en una dirección sobre su polímero correspondiente, migra
en los axones alejándose del cuerpo celular. Como ya explicamos,
el transporte axoplásmico es bidireccional, y por ello el flujo en
sentido opuesto requiere de alguna explicación. La respuesta para
este enigma parece residir en la dinaína, un translocador que
avanza sobre los microtúbulos en dirección inversa llevarse a cabo a
la cinesina. El ir y venir simultáneo de diferentes materiales a lo
largo del axón puede mediante un sistema compuesto únicamente
por una sola columna de microtúbulos orientados de idéntica
manera, y dos tipos de transiocadores que marchan en direcciones
opuestas.
El transporte axoplásmico ha sido de gran utilidad para determinar
con precisión la conectividad en el sistema nervioso, ya que, para
indagar con qué otras células está conectada una neurona, basta
inyectar en ella una sustancia reconocible, y examinar al cabo de
algún tiempo el paradero de dicha sustancia en las regiones donde
se sospecha que llegan sus prolongaciones. Desafortunadamente
esta misma capacidad de transporte indiscriminado es aprovechada
por ciertos virus para invadir las neuronas. La rabia, la polio y un
tipo de herpes se propagan por las vías nerviosas a través de este
mecanismo.
Movimiento amiboideo
Además del movimiento interno en las células generado por las
diferentes máquinas que forman el citoesqueleto, muchas células
necesitan desplazarse a diferentes partes de su hábitat, y en los
organismos multicelulares algunas se mueven de un órgano a otro.
Este sería el caso de los glóbulos blancos que se desplazan al sitio
de una infección, de las células embrionarias que se reorganizan
para formar órganos, y de las células invasoras o cancerosas. Los
leucocitos, macrófagos, y las células embrionarias y cancerosas se
62
desplazan proyectando pseudópodos o pies falsos, que mueven
sobre diferentes tipos de soporte o en un medio líquido. En este tipo
de células los pseudópodos se forman y se retraen en forma
constante para permitir el desplazamiento (figura V.10). La célula
se proyecta hacia adelante cuando se forma un pseudópodo en esa
dirección y una fuerza motora jala al resto de la célula también
hacia adelante. A este tipo de movimiento se le llama amiboideo,
por haberse observado inicialmente en organismos unicelulares de
la clase Amoebina o amibas, que por cierto han sido objeto de gran
interés para los usuarios de microscopios ópticos.
Figura V.10. Secuencia videomicroscópica de una amiba en movimiento. La
dirección del movimiento es señalada por la proyección del pseudópodo
anterior (flecha), en donde el citoplasma carece de organelos.
Para que una célula se mueva utilizando sus "pies" necesitará, como
en el caso de un ser humano, de algo análogo a lo que son los
huesos y los músculos que permiten el sostén y la propulsión del
cuerpo. En el caso de una célula, el citoplasma se proyecta hacia la
dirección en que se quiere hacer el desplazamiento. Debe estar lista
toda la maquinaria necesaria para hacer el movimiento y arrancar
en cuanto éste empieza, como sucede con un corredor de carreras,
que está completamente listo en la línea de salida para arrancar en
cuanto le den la señal. Así pasa con un músculo, una célula no
muscular, cuya maquinaria está presta para moverse.
Desde el siglo XVIII, los biólogos que habían observado el
movimiento de las amibas también habían descrito transiciones en
la consistencia del citoplasma, que denominaron gel-sol, ya que
correspondía al estado más rígido (gel) o líquido (sol) que éste
presentaba, particularmente en los pseudópodos. En algún
momento se pensó que la formación de los pseudópodos y el
desplazamiento de la célula en una dirección se podría deber a los
mismos fenómenos de interacción de filamentos de actina y miosina
que hacen que se contraiga un sarcómero. Sin embargo, por lo que
se conoce en la actualidad, parecería que el mecanismo del
movimiento amiboideo reside principalmente en la organización de
63
la actina en el citoplasma cortical o ectoplasma (Figura V.11). Esta
banda de citoplasma periférico, localizado justamente debajo de la
membrana celular, es particularmente transparente y sufre cambios
notorios en su consistencia precisamente cuando se forma un
pseudópodo. Cuando se encuentra en un estado gelatinoso rígido es
capaz de soportar grandes presiones. Al cambiar a la condición
líquida, este citoplasma cortical se expande hacia donde se está
desplazando la célula.
Figura V. 11. Localización de actina en el pseudópodo anterior de dos
amibas en movimiento. Se pudo observar la actina en el citoplasma al
decorarla con anticuerpos preparados contra la proteína y, después,
viendo la célula con un microscopio de fluorescencia.
En 1976 se descubrió que tanto la actina como la miosina se
localizan en el ectoplasma de las células amiboides. La actina de
esta
región
puede
ensamblarse
en
filamentos
largos
concomitantemente con un aumento en la viscosidad del
citoplasma. La viscosidad disminuye silos filamentos de actina se
rompen en sus componentes, es decir, si se despolimerizan. Unos
años después se pudieron hacer experimentos de gelificación de
extractos citoplásmicos en un tubo de ensayo. Estos extractos
tomados de varios tipos de células se transforman en gel al quitar
del medio iones de Ca2+ y son particularmente ricos en actina, la
cual polimerizarse, forma una red que le da cohesión al gel a pesar
de que su masa mayoritaria es fluida. Si uno toma filamentos de
actina y los polimeriza en un tubo de ensayo, los filamentos tienden
a agruparse en haces, por lo que se pensó que el arreglo reticular
observado en los geles citoplásmicos podría resultar de la
interacción de la actina con otras proteínas en el gel, ya que por
experimentos de tipo bioquímico se sabía que los componentes
proteicos en estos geles eran de varios tipos. La primera proteína
que se identificó como promotora de la gelación de actina se aisló
de macrófagos y se llamo ABP (por actin-binding protein). La ABP se
une en ángulo recto a los filamentos de actina, como si fuera una
bisagra o un gozne que une dos filamentos en forma más o menos
perpendicular para formar una red octagonal. La presencia de esta
red en el citoplasma cortical impide el libre paso de organelos
subcelulares a esa región, regulando a la vez la comunicación con la
membrana celular.
La consistencia del ectoplasma dependerá de la concentración y
número del filamentos de actina y de la concentración de las
proteínas que, al unirse a los filamentos, causan su interacción para
formar la red. La miosina que se encuentra en esta región podría
estar interaccionando con los filamentos de actina, lo cual sería
responsable de la locomoción. Sin embargo, hay evidencia
64
experimental reciente de que, por un lado, la concentración de
miosina en células no musculares es muy baja para formar una
estructura tipo sarcómero, que tampoco se ha visto en el
citoplasma de este tipo de células, y por el otro, éstas se mueven
normalmente. Por este tipo de resultados, y con el descubrimiento
de otras proteínas que se unen a la actina, se ha pensado que la
locomoción de las células es un fenómeno causado por cambios en
la conformación de la actina, más que una contracción causada por
su deslizamiento sobre filamentos de miosina. Sin embargo, ésta
puede participar en la restricción del ectoplasma a una zona,
contrayendo la región inmediatamente por detrás de donde se
forma el pseudópodo.
En el modelo de movimiento amiboideo, causado por expansión
cortical, el desensamble de filamentos de actina en el ectoplasma
causaría un aumento local en la concentración de partículas que
generaría el movimiento de fluidos hacia esta zona y, por lo tanto,
cambios en la presión osmótica. De esta presión se podría derivar la
fuerza para formar un pseudópodo que se proyectaría hacia el
exterior en aquella zona más fluida del ectoplasma que perdió
rigidez al desensamblarse los filamentos de actina. La formación del
pseudópodo y la fuerza del líquido en la misma dirección moverían a
la célula ayudados por la polimerización de la actina en el
pseudópodo para darle rigidez. La repetición de ciclos de
polimerización-despolimerización de la actina en la región cortical le
permite a la célula formar pseudópodos y moverse (Figura V.12).
Para la iniciación de cada uno de los ciclos se requiere de ayuda
adicional —otras proteínas— que facilite la polimerización y
despolimerización de la actina en los momentos necesarios. Una
proteína con estas características y que se encuentra tanto en
macrófagos como en muchas otras células es la llamada gelsolina.
Esta proteína se pega a los filamentos de actina y los corta en
pequeños fragmentos y monómeros de la proteína que quedan
listos para polimerizarse de nuevo. Sin embargo, como se requiere
que permanezcan despolimerizados durante el estado del sol del
citoplasma, la gelsolina bloquea la polimerización pues permanece
pegada al extremo de los fragmentos, que es por donde podría
reiniciarse. Mientras tanto, los monómeros también son bloqueados
al unírseles la proteína llamada profilina. El material para rehacer la
red queda en reserva e inactivo. Cuando se recibe una señal para
polimerizar la actina, el material se activa y se inicia la gelificación.
65
Figura V. 12. Diagrama del movimiento amiboideo. Los filamentos de
actina (a) y miosina (m) interaccionan para permitir el desplazamiento de
la célula sobre el sustrato y la formación y retracción de los pseudópodos.
En S- G se da la transición sol a gel y en G- S a la inversa; e = región del
endoplasma; X región del ectoplasma.
La coordinación de todos estos procesos está bajo el control de
señales que llegan a la membrana de la célula. Al pasar la señal al
interior de la célula se producen varios efectos; uno de los más
frecuentes es la salida de iones de Ca2+ del interior de las vesículas
en donde está almacenado. El Ca2+ es un activador de la gelsolina,
a la cual se une. La gelsolina activada se pega a 1os filamentos de
actina y, al fragmentarlos, inicia el ciclo. Los fragmentos de
filamentos unidos a la gelsolina, así como los monómeros unidos a
la profilina, se difunden hacia la membrana celular, en donde se ha
encontrado que se ponen en contacto con lípidos de la clase del
fosfoinositol. Estos fosfolípidos liberan la unión que existe entre la
gelsolina y los filamentos de actina, por un lado, y la asociación de
la profilina con monómeros de actina, por el otro, de modo que
estos últimos ya libres, pueden volverse a reunir para formar
núcleos de polimerización y nuevos filamentos de actina. Con ello se
recupera el arreglo reticular que estabiliza al pseudópodo y a la
franja cortical gelificada del ectoplasma (Figura V.13). Aunque éste
sólo es un modelo, hay mucha evidencia experimental que nos hace
pensar que es el mecanismo responsable de ellas transiciones gelsol del citoplasma y de la locomoción celular. Nuevamente, en este
modelo la miosina podría participar asociada a la actina en algún
tipo de contracción que actúe en concierto con los cambios de
consistencia descritos.
66
Figura V. 13. Diagrama del proceso de polimerización y despolimerización
de la actina en la región cortical de una célula en movimiento. Este
proceso ayuda a la expansión del citoplasma para formar un pseudópodo.
Las proteínas que interaccionan con la actina y su unión a fosfolípidos en
la membrana regulan la polimerización y despolimerización de la actina en
conjunto con el Ca2+ en el citoplasma.
67
V I . A P A R A T O S
M O T I L I D A D
D E P R E C I S I Ó N :
C O O R D I N A D A
APARATOS DE ACCION INTERNA
Cromatóforos
HEMOS mencionado que el transporte intracelular cumple con
funciones muy diversas y ayuda para la adecuada distribución de
metabolitos en distintas zonas del citoplasma, para el
mantenimiento de regiones muy distantes del cuerpo celular y para
el intercambio de mensajes químicos entre células relacionadas.
Todos estos procesos son desde luego invisibles; sólo pueden
observarse con la ayuda de un microscopio o de técnicas especiales
y, en general, ocurren en la profundidad de los tejidos dentro de los
organismos. Existe, sin embargo, un famoso ejemplo de transporte
intracelular con efectos macroscópicos, que se manifiesta en la
parte externa de algunos animales, por lo que es fácilmente
observable, aunque en ocasiones persigue precisamente lo opuesto,
es decir; conferir al individuo que lo posee el preciado don de la
invisibilidad. La evolución ha perfeccionado este dispositivo como un
eficaz medio de comunicación silenciosa entre congéneres, o como
un recurso de seguridad para la oportuna desaparición ante los ojos
de los enemigos naturales o de los distraídos prospectos para un
buen almuerzo. Dicho dispositivo se encuentra en diversos grupos
zoológicos, desde los insectos hasta los vertebrados, pero sus
beneficiarios mejor conocidos son los peces y, por antonomasia, el
camaleón. Mediante modificaciones del color que exhiben en
diversas partes de sus cuerpos, muchos de estos animales pueden
declarar su pasión por un determinado ejemplar del sexo opuesto,
mostrar su ira ante un rival en amores o en dominio de territorio, o
tan sólo remedar el patrón cromático del fondo hasta fundirse
ópticamente con el ambiente. Todos estos cambios de apariencia
son posibles gracias a células superficiales llamadas cromatóforos,
es decir, que transportan pigmentos.
Un cromatóforo típico consiste en una célula discoidal o en forma de
estrella aplanada con puntas ramificadas, que contiene en su
interior —aparte del núcleo, mitocondrias y demás organelos
citoplásmicos— cientos e incluso miles de gránulos de alguna
sustancia colorida (Figura VI.1). Los cromatóforos reciben el
nombre específico de melanóforos si la sustancia es negra,
eritróforos si es rojiza, iridóforos si es iridiscente, etc. En respuesta
a ciertos estímulos nerviosos u hormonales, el cromatóforo acumula
las partículas de pigmento en su región central o las dispersa hasta
que quedan distribuidas uniformemente por todo el volumen
celular. Como resultado de estas movilizaciones radiales en masa,
el citoplasma varía sus propiedades de absorción y reflexión de luz;
la mayor parte de su extensión palidece cuando las partículas están
agregadas, y adquiere la coloración respectiva cuando el pigmento
se dispersa. Dada que en cada escama o porción de piel ellos
responden de igual manera a los estímulos, ese sector modificará la
intensidad del color correspondiente; la activación síncrona de
68
series de sectores contiguos cambiará así el aspecto de vastas
zonas corporales. En ocasiones un mismo sector puede contener
cromatóforos de diferentes colores —melanóforos intercalados con
eritróforos y con iridóforos— y cada tipo es controlado por estímulos
distintos; el matiz cromático se verá entonces alterado en función
de la estimulación relativa de cada tipo, según las circunstancias. La
multiplicidad de combinaciones puede llegar a mimetizar el entorno
inmediato con una fidelidad sorprendente.
Figura VI.1. Esquema ilustrativo del movimiento de los gránulos de
pigmento dentro de un cromatóforo. A) Célula vista desde arriba; B) vista
lateral; C) sección amplificada de la célula en B), donde se ve la asociación
de los gránulos con elementos del citoesqueleto (microtúbulos mt y matriz
cotoplasmica).
Como en el caso de las neuronas, la morfología peculiar de los
cromatóforos se debe a una organización especial del citoesqueleto.
Hay numerosos microtúbulos orientados con la misma polaridad
desde un sitio central hacia todos los rincones de la periferia, como
los rayos de una rueda de bicicleta. Esta disposición radial es apta
para dirigir y brindar soporte a los desplazamientos de los gránulos
de pigmento, cuya migración centrífuga durante la dispersión es
mediada por la cinesina, al menos en los melanóforos. Al igual que
otras manifestaciones de transporte intracelular basado en
microtúbulos, los cambios de posición del pigmento son muy
sensibles a drogas como la colchicina y la vinblastina, y dependen
estrictamente de un generoso aporte de ATP. Es evidente, por tanto,
que el mecanismo de los cromatóforos es similar al del transporte
axoplásmico, pero adaptado para funcionar en un arreglo radial más
que longitudinal (Figura VI.2).
69
Figura VI. 2. Micrografía que muestra tres estados de distribución de
gránulos de pigmento en cromatóforos del cangrejo de río. De izq. a der.
Dispersión máxima, dispersión media y agregación máxima del
pigmento.(Fotografía cortesía de L. Rodríguez Sosa).
Pero en los cromatóforos interviene además otro elemento del
citoesqueleto, que desempeña un papel clave para aumentar en
mucho la eficiencia y la coordinación del sistema. Tanto en el
transporte axoplásmico como en las corrientes citoplásmicas de las
células vegetales, los motores moleculares corren sueltos o
asociados con partículas libres; cada componente desplazado
obedece al trabajo de motores particulares con los que está
directamente uncido, o al flujo general provocado por la continua
marcha unidireccional de una. multitud de motores sueltos. En
ambos casos se observa que las estructuras se trasladan de manera
más o menos simultánea, pero independiente. En contraste, los
cromatóforos muestran un movimiento concertado de los gránulos
de pigmento (Figura Vl.2). Ya sea durante la agregación o durante
la dispersión, cada gránulo mantiene su posición relativa con
respecto al resto de la población; se dice que el movimiento es
coherente. El secreto de esta uniformidad estriba en que los
gránulos son transportados en un vehículo común. Las partículas de
pigmento se encuentran engarzadas en un material fibroso llamado
red microtrabecular. La actividad de las moléculas de cinesina,
alejándose del centro del cromatóforo cuando migran sobre los
microtúbulos obliga a que esta red se extienda por el citoplasma y
distribuya así el pigmento en todo el volumen celular; y cuando,
ante un cambio de condiciones, los motores cesan de actuar, la red
se contrae por su propia elasticidad arrastrando con ella los
gránulos hacia el centro de la célula. Esto provoca una mayor
eficiencia de transporte, en comparación con otros sistemas, porque
la acción motriz de las moléculas de cinesina es cooperativa y se
transmite por medio de la red microtrabecular a muchas particulas
a la vez, aun cuando no todas estén en proximidad inmediata de los
microtúbulos. Al mismo tiempo se consigue una buena coordinación
en los movimientos de una vasta multitud, lo que es especialmente
conveniente para la función del cromatóforo. La incorporación de la
red microtrabecular como un medio de transmisión de fuerzas
representa así un incremento favorable en el nivel de complejidad
sobre la máquina básica constituida por la cinesina y los
microtubulos. La operación sinérgica de máquinas individuales como
70
parte de un complejo estructural que funciona como una unidad y
para un mismo propósito, nos permite hablar ya de un aparato.
Mecanismos de control
Aparte de la organización radial y de la movilización coherente,
existen otras dos importantes diferencias entre los cromatóforos y
los demás sistemas de transporte intracelular examinados hasta
ahora: 1) en todos los ejemplos anteriores el movimiento sobre los
rieles del citoesqueleto es unidireccional o va en ambas direcciones,
simultáneamente, pero no se alternan migraciones en un sentido y
luego en otro; 2) el movimiento es continuo y no se presenta como
respuesta ante factores extrínsecos a la propia célula. En los
cromatóforos,
por
lo
contrario,
el
pigmento
tiene
un
comportamiento de ida y vuelta— se agrega o se dispersa en masa
en un momento dado—, y la acción es inducida por hormonas o por
impulsos nerviosos. En otras palabras, en los cromatóforos aparece
un mecanismo de control. Esta particularidad es también propia de
los aparatos.
Las evidencias acumuladas por la investigación de diversos aparatos
de motilidad celular indican que la activación o inactivación de los
mismos depende casi siempre de cambios en la abundancia de
iones de calcio libres en el citoplasma. La mayoría de las células
cuida celosamente que el calcio libre en su fluido interno se
mantenga en un bajo nivel, al grado de que la concentración del
mismo en el citoplasma es por lo regular 10 000 veces menor que
en el medio extracelular. No obstante, ciertos estímulos pueden
ocasionar que en algunas células la membrana plasmática permita
la entrada de calcio, o que éste se escape de compartimientos
internos donde es normalmente secuestrado con objeto de
disminuir su presencia en libertad. Así, el aumento transitorio de
calcio libre en el citoplasma tiene el efecto de apagar o encender el
funcionamiento de las máquinas moleculares, o incluso de modificar
la organización misma del citoesqueleto. En los cromatóforos la
elevación del calcio libre en el citoplasma —a consecuencia de que
hacen contacto con la membrana plasmática hormonas vertidas a la
sangre del animal o sustancias secretadas por terminales nerviosas
cercanas— parece obstaculizar la tracción centrífuga de la cinesina,
ya que causa agregación del pigmento. Todavía no está esclarecida
la secuencia de movimientos que determina esta respuesta. Sin
embargo, es muy probable que tenga lugar una serie de procesos
análogos a los que explican el control de la contracción de los
músculos esqueléticos, y que tendremos oportunidad de revisar con
detalle más adelante.
Migraciones de pigmentos retinales
Las migraciones masivas y reversibles de gránulos de pigmento no
son exclusivas de los cromatóforos. También existen en células de
la retina de algunos animales, donde cumplen con la función de
regular la luz que llega a las células sensibles o fotorreceptoras.
Incluso se puede ver que en ciertos casos los fotorreceptores
cuentan con su dotación de pigmento transportable. Un buen
ejemplo se encuentra en los ojos de las moscas, mariposas y
muchos otros insectos, y de crustáceos, como los camarones y los
71
cangrejos (Figura VI.3). Las partes propiamente fotosensibles de las
células fotorreceptoras pueden verse tapizadas por una densa
cortina de gránulos oscuros que evitan la iluminación excesiva de
las mismas durante las horas diurnas. Al anochecer, se retira el
pigmento de esta posición y se sitúa de tal manera que no impide el
máximo aprovechamiento de la escasa luz disponible.
Figura VI. 3. Esquema ilustrativo de la distribución de los gránulos de
pigmento en los fotorreceptores retinales del cangrejo de río. A) En
presencia de la luz los gránulos se mueven hacia la parte superior para
proteger las membranas fotosensibles (zona alargada, gris oscuro); B) en
la oscuridad los gránulos se desplazan a la parte inferior, dejando
descubiertas las membranas fotosensibles.
En los fotorreceptores del cangrejo de río este movimiento se
efectúa por un aparato de translocación en masa, integrado por un
grueso haz de microtúbulos, por una malla fibrosa equivalente a la
red microtrabecular de los cromatóforos y muy probablemente, por
moléculas de cinesina. La estimulación lumínica origina un aumento
de calcio libre en el citoplasma de los fotorreceptores y dispara el
retorno de la población de gránulos de pigmento a la posición de
adaptación a la luz. Cuando entre los mecanismos que controlan el
ingreso de la luz a la retina se encuentran células pigmentarias —
que no son fotosensibles —, como en los peces y las ranas, el
transporte se efectúa también por un citoesqueleto especialmente
organizado (Figura VI.4).
72
Figura VI. 4. Microscopía de barrido de alta resolución de un fotorreceptor
del cangrejo de río. Se pueden observar los gránulos de pigmento
asociados a haces de microtúbulos.
APARATOS DE ACCIÓN EXTERNA
Hasta aquí hemos considerado movimientos celulares en donde los
motores moleculares recorren grandes distancias sobre los rieles
que proporciona el citoesqueleto. Cada motor está en libertad de
desplazarse de uno a otro extremo del polímero respectivo. Tal vez
la única excepción relativa en este sentido serían las migraciones
pigmentarias en los cromatóforos y en las células retinales porque,
a medida que alcanza su máxima extensión en cada región de la
célula, la red microtrabecular del aparato de translocación impone
probablemente cierta restricción a que continúe el avance de las
moléculas de cinesina. En otros sistemas de motilidad, sin embargo,
el recorrido de los motores sobre los rieles del citoesqueleto está
limitado a distancias mucho menores. Paradójicamente, gracias a
esta sujeción parcial se consiguen los más notables y poderosos
movimientos biológicos. La actividad de los motores moleculares en
el interior de las células es capaz, entonces, de realizar trabajo
fuera de ellas, ya sea para acarrear materiales en el medio
extracelular, o para transportar la célula completa de un lugar a
otro, e incluso para movilizar al organismo entero del que forman
parte. Todas estas proezas implican, por supuesto, aparatos muy
complejos.
Cilios y flagelos
Cuando revisamos el caso del transporte axoplásmico se mencionó
que el desplazamiento en dirección al cuerpo celular parece estar
mediado por la dinaína, un translocador que migra sobre los
73
microtúbulos en sentido opuesto al de la cinesina. Sin embargo, la
dinaína fue inicialmente conocida como el motor responsable del
movimiento de los cilios y los flagelos, unos apéndices filiformes de
aproximadamente 0.2 micras de diámetro que emergen de la
superficie de algunas células, y cuya agitación al ritmo de entre 5 y
10 ciclos por segundo tiene una acción mecánica sobre el líquido
circundante. Cuando la célula se encuentra fija —como integrante
de un epitelio, por ejemplo— el batir de los cilios tiene un efecto de
empuje sobre el líquido externo, que es barrido sobre la superficie
del tejido porque muchas otras células idénticas realizan la misma
operación. Un caso ilustrativo de esto último es el epitelio que
reviste las vías respiratorias, donde la función de los cilios es
encaminar al exterior el mucus que retiene las particulas de polvo
que penetran con el aire. Los óvulos de muchas especies también
son conducidos a través del oviducto, por medio de la actividad
ciliar de células epiteliales. Ahora bien, si se trata de una célula libre
—como un protozoario o un espermatozoide—, el trabajo de los
cilios o los flagelos (Figura VI.5 y VI.7) se traduce en un
desplazamiento de la propia célula a través del liquido en que se
encuentre, y constituye entonces un recurso de locomoción.
Figura VI. 5. Aspecto de los cilios alrededor de un paramecio vistos por
videomicroscopía de contraste, acentuada electrónicamente.
Para que los cilios y los flagelos puedan desempeñar su función con
eficacia necesariamente deben actuar con direccionalidad. Los cilios
consiguen esto mediante un movimiento análogo a las brázadas de
un nadador: se extienden y empujan el líquido como remos durante
la fase activa del ciclo, y se repliegan hacia el cuerpo de la célula en
su retorno a la posición inicial (Figura VI .6) .
74
Figura VI. 6. Etapas del movimiento ciliar. A, B, C) Etapas de empuje; D, E,
F) etapas de retorno; G) cilios en etapas consecutivas del ciclo. Las flechas
indican magnitudes relativas y dirección de esfuerzos contra el medio.
Figura VI. 7. Espermatozoides de cobayo en donde se ven claramente los
flagelos en diferentes etapas de reflexión. (Fotografía cortesía de A.
Mújica).
Los flagelos —que son mucho más largos y generalmente menos
numerosos que los cilios— emplean un principio de propulsión
similar al de una anguila: ondulaciones continuas que recorren toda
su longitud. Si el flagelo está inserto en el polo posterior de la
célula, como en los espermatozoides, la ondulación dirigida hacia
atrás representa un empuje hacia adelante. Cuando el flagelo está
situado en el polo anterior, como en muchos protozoarios y algas
unicelulares, el desarrollo de fuerzas es algo más complejo. El
flagelo se curva hacia un lado al enfrentar la resistencia del medio
acuoso y realiza ondulaciones helicoidales que obligan a la célula a
girar con cierta inclinación en torno al eje de avance; dicha rotación
convierte al cuerpo celular en una especie de aspa que impulsa el
fluido hacia atrás y, en consecuencia, repercute en un
desplazamiento del organismo hacia adelante (Figura VI.8). Por
increíble que parezca, esta diversidad de movimientos es producto
de un interdeslizamiento restringido de microtúbulos.
75
Figura VI.8. Representación esquematica de dos tipos de movimiento
flagelar. A) característica de algunos protozoarios y algas flageladas; B)
característica de espermatozoides. Las flechas grandes señalan la
dirección de desplazamiento del organismo.
La estructura básica de los cilios y los flagelos consiste en un
aparato longitudinal al que los microscopistas llamaron axonema
(filamento axial), recubierto por membrana plasmática como el
resto del cuerpo celular (Figura III.9). Al igual que otros aparatos,
el axonema está integrado por múltiples máquinas que trabajan de
manera coordinada, y cada máquina consta de un motor y sus
respectivos elementos de soporte. Estos últimos son provistos por
un arreglo de microtúbulos paralelos y dispuestos de tal manera
que un par central aparece circundado por nueve microtúbulos
dobles. Los microtúbulos dobles periféricos no son simplemente
parejas, como las que constituyen los dos centrales, sino unidades
peculiares que resultan de una forma distinta de polimerización de
la tubulina. Cada unidad está integrada por un microtúbulo
incompleto, lo cual indica que no se cierra sobre sí mismo, adosado
longitudinalmente a uno completo, de modo que la fracción faltante
del primero queda sellada por la pared del segundo. Cada
microtúbulo doble tiene su raíz en la corteza del cuerpo celular,
donde se origina a partir de una estructura triple formada por la
anexión lateral de un segmento más de microtúbulo incompleto; el
conjunto resultante de nueve tripletes acomodados en formación
anular recibe el nombre de cuerpo basal. Los dos microtúbulos
centrales del axonema no llegan hasta el cuerpo basal ni presentan
una inserción especial, pero se encuentran rodeados por una capa
de material fibrilar llamada vaina interna.
Los microtúbulos dobles periféricos aparecen vinculados entre sí y
con la vaina interna por medio de varios tipos de enlaces
perpendiculares al eje del axonema, todos ellos colocados con
exacta periodicidad a intervalos particulares. Desde cada
microtúbulo periférico se extienden puentes radiales hacia el centro
del axonema, y tenues bandas hacia uno de los dos microtúbulos
dobles adyacentes. Además, cada microtúbulo doble presenta dos
hileras de brazos cortos que llegan a tener contacto con el otro de
los microtúbulos dobles vecinos. Estos brazos son, las moléculas de
dinaína o motores que, en combinación con los elementos de apoyo
76
estructural, constituyen las máquinas que mueven el axonema. El
principio del mecanismo no es difícil de comprender (Figura VI.9).
Cuando dispone de ATP, la dinaína propende a caminar sobre los
microtúbulos en dirección al cuerpo celular, arrastrando con ella
cualquier carga unida, que en este caso es también un mícrotúbulo
doble con el que está permanentemente asociada. Sin embargo,
éste no puede migrar porque está anclado en el cuerpo basal y
porque se lo impiden además los múltiples vínculos con el centro
del axonema y con el microtúbulo doble anexo por el otro lado. En
consecuencia, el esfuerzo produce tan sólo un breve deslizamiento
entre los dos microtúbulos conectados por la dinaína. Dado que
cada microtúbulo doble está sometido a un esfuerzo similar, el
resultado general es un efecto de torsión o flexión del axonema en
su conjunto.
Figura VI.9. Mecanismo del axonema. Los pares exteriores están
conectados entre sí a través de otras proteínas y, al añadirse ATP y Ca2+, el
primero se hidroliza por la actividad de la dinaína para ceder la energía
necesaria para el movimiento. Las moléculas de dinaína asociadas a un par
de microtúbulos periféricos actúan sobre el par adyacente (A) y producen
un esfuerzo de deslizamiento en presencia de ATP y calcio (B). El esfuerzo
conjunto de todos los pares exteriores obliga a la flexión del cilio o flagelo
(C); m = membrana.
Por supuesto, nadie ha podido observar los vertiginosos fenómenos
que ocurren en el minúsculo interior de un cilio o un flagelo en
movimiento. Pero existen datos experimentales que sustenta la
explicación resumida en el párrafo anterior. No hay duda de que el
mecanismo se encuentra en los cilios o flagelos mismos porque,
cuando son aislados de sus células— "rasurando'" protozoarios
mediante vibraciones de alta frecuencia o con ayuda de un fino rayo
láser —, continúan agitándose en una solución salina que contenga
77
ATP. Es más, el aparato motriz reside en el axonema porque la
eliminación de la membrana plasmática por métodos químicos no
afecta la motilidad de cilios o flagelos aislados. Está también claro
que los motores son las moléculas de dinaína porque la exposición
del axonema a tratamientos capaces de retirarlas selectivamente
causa un enlentecimiento progresivo del movimiento, hasta llegar a
la parálisis total, y la motilidad se recupera al agregar dinaína
purificada. Por otra parte, la aplicación de enzimas que destruyen
las conexiones pasivas entre los microtúbulos dobles sin dañar
mayormente los brazos de dinaína, seguida de adición de ATP, da
como resultado un rápido deslizamiento de dichos microtúbulos
entre sí, hasta que el axonema llega a medir nueve veces su
longitud inicial (la suma de las longitudes de los microtúbulos
dobles individuales). Este fenómeno es una clara indicación de que
el movimiento ondulatorio de cilios y flagelos es consecuencia de
restricciones estructurales para que las moléculas de dinaína corran
libremente a lo largo de los microtúbulos con que hacen contacto
funcional en el axonema. Por último, el microscopio electrónico ha
mostrado que los extremos de los microtúbulos dobles en las
puntas de los cilios, así como las diversas conexiones transversales
en la estructura del axonema, aparecen acomodados en posiciones
que varían con la curvatura del eje longitudinal, como se puede
esperar según el modelo que hemos descrito.
Sarcómero
El axonema es una pequeña obra maestra de la ingeniería natural.
Gracias a él los procesos internos del citoplasma logran influir
mecánicamente sobre el medio exterior. Sin embargo, en este
terreno los aparatos construidos con microtúbulos no pueden
competir con aquellos que se basan en filamentos de actina. La
potencia, velocidad y precisión de control que han alcanzado estos
últimos les hacen acreedores al título de la maquinaria más perfecta
y poderosa que ha creado la evolución. Es esta maquinaria
molecular la que produce el brutal coletazo de una ballena, el raudo
aleteo de un mosquito, el salto exacto de un trapecista y el
arrebatador manejo del teclado de un virtuoso del piano. Su
capacidad de transformación material del mundo ha quedado de
manifiesto, con proporciones monumentales, en las pirámides de
Egipto y Mesoamérica, las catedrales góticas de Europa y la Gran
Muralla China. En cada uno de estos casos el movimiento implícito
en la ejecución es o sido producto del trabajo muscular, y éste es la
expresión macroscópica de la actividad de múltiples máquinas
compuestas por moléculas de miosina y por filamentos de actína.
Estas máquinas, en principio idénticas a las que generan las
corrientes citoplásmicas en las plantas, conforman la unidad
fundamental del músculo esquelético, un aparato contráctil
conocido como sarcómero (del griego sarcos, carne, y meros,
parte).
Los músculos esqueléticos —así llamados porque su trabajo ejerce
fuerza sobre los huesos en los vertebrados— están constituidos por
muchas fibras paralelas, cada una de las cuales se origina por la
fusión de varias células alargadas (Figura VI.1O(a). Puesto que al
fundirse entre sí las células originales eliminan las fronteras entre
sus respectivos citoplasmas, pero conservan sus núcleos
78
individuales, las fibras musculares son en realidad grandes células
multinucleadas. Además, las fibras musculares presentan la
singularidad de que su citoplasma está surcado por numerosas
fibrillas longitudinales formadas por haces muy compactos de
filamentos de actina y miosina. La cantidad de estas proteínas en la
fibra muscular es tan enorme que la mayor parte de su volumen se
encuentra ocupada por los polímeros correspondientes. Si bien las
fibras y las fibrillas pueden medir varios milimetros, y hasta
centímetros de largo, por lo común los filamentos individuales
apenas exceden una micra de longitud. Cada fibrilla está integrada
por muchos segmentos de filamentos de actina y miosina. El
secreto del diseño del músculo esquelético, la clave de su gran éxito
evolutivo y de sus asombrosas capacidades radica en la perfecta
regularidad con que estos filamentos están distribuidos en el
espacio (Figura Vl.10(b).
Figura VI.10. Organización de un músculo esquelético. A) El músculo está
formado por varias fibras; B) cada fibra muscular está formada por
fibrillas, constituidas, a su vez, por series de sarcómeros; C) el sarcómero
esta formado por filamentos de actina (delgados) y miosina (gruesos),
que se interdigitan. Los extremos de los filamentos de la actina se
encuentran anclados en estructuras terminales llamados discos Z; D)
amplificación de la interacción que muestra la colocación de las cabezas
de la miosina en relación con los filamentos de actina.
Cada fibrilla es una serie de miles de unidades discretas, y cada
unidad está compuesta por un conjunto de filamentos de actina en
cada extremo y un conjunto de filamentos de miosina en la región
central. Los filamentos de actina de cada conjunto tienen la misma
polaridad pero son antiparalelos con los del conjunto opuesto —
tienen polaridad contraria—, y penetran parcialmente entre los
filamentos de miosina. La polaridad de cada conjunto de filamentos
79
de actina es tal que las moléculas de miosina caminan sobre ellos
en el sentido de dirigirse hacia los extremos del sarcómero. Por su
parte, los filamentos de miosina muestran la configuración bipolar
que describimos en el capítulo anterior: las moléculas de miosina
aparecen asociadas por sus colas, con las cabezas motoras
colocadas de manera escalonada en dirección a los extremos. La
unidad formada por estos tres conjuntos de filamentos es un
sarcómero, y cada sarcómero está separado del que le sigue en la
fibrilla por una placa circular llamada disco Z, en la que se anclan
los filamentos de actina de ambos sarcómeros contiguos (Figura
VI.10(c).
Con este tipo de ordenamiento la actividad motriz de las cabezas de
miosina tiene el efecto de tirar de ambos conjuntos de filamentos
de actina y aproximarlos entre sí. Esto es precisamente lo que
sucede durante la contracción muscular; los filamentos de actina
son jalados por las cabezas de miosina. Como ocurre con el
deslizamiento de los microtúbulos dobles contiguos del axonema, la
interacción entre un filamento de miosina y un filamento de actina
es mediada por múltiples motores que operan de manera
desfasada, por lo que en todo momento hay un cierto número de
ellos en la fase activa del ciclo mientras otros se hallan en las
etapas de reacomodo, quedando garantizada con ello una tracción
sin interrupciones. A diferencia del axonema, sin embargo, la
organización del sarcómero brinda la posibilidad de que la tracción
sea aplicada de manera uniforme de cada filamento y no sólo sobre
uno de sus lados, como en los microtúbulos dobles de los cilios y los
flagelos. Esta uniformidad deriva de que los filamentos de miosina
presentan las cabezas motoras orientadas en varias direcciones en
torno a su eje, por lo que cada uno de ellos puede interaccionar con
varios filamentos de actina a la vez (Figura VI.10(d). Por su parte,
cada filamento de actina hace contacto con las cabezas motoras de
todos los filamentos de miosina que lo circundan. Puesto que dichas
interacciones tienen lugar en ambos extremos de cada filamento de
miosina, los dos conjuntos de filamentos de actina experimentan un
arrastre uniforme y el sarcómero desarrolla una fuerza homogénea
que tiende a disminuir su longitud. Cada sarcómero tira entonces de
los dos adyacentes y, dado que todos los sarcómeros de una fibrilla
y todas las fibrillas de una fibra se activan prácticamente al mismo
tiempo, el músculo entero se contrae (Figura VI. 11).
80
Figura VI.11. Micrografía electrónica mostrando el arreglo de los
filamentos de miosina y actina en los sarcómeros de músculo esquelético.
El grado de tensión y la amplitud del movimiento efectivo
desarrollados por los sarcómeros dependen de algunos factores. El
más obvio es la carga que enfrenta el músculo, porque si ésta es
superior a la que puede vencerse con el empleo de toda la potencia
de los motores, la longitud de los sarcómeros no variará. Esto es, lo
que le sucede al novato que sin entrenamiento pretende levantar
una pesa de 140 kilos. El trabajo de las cabezas de miosina sobre
los filamentos de actina se realiza con un gran gasto de energía,
pero la pesa permanece inmóvil porque los músculos encuentran
imposible acortarse ante una resistencia de tal magnitud. El término
que se emplea para designar este esfuerzo estático es contracción
isométrica —contracción sin cambio en las dimensiones del músculo
—, que puede parecer un contrasentido, pero en el fondo es válido,
porque en realidad algunos sarcómeros sí alcanzan a contraerse en
cierta medida a expensas del estiramiento de otros, y gracias a
cierta elasticidad del tejido (Figura VI.12). Ahora bien, no todas las
contracciones isométricas son tan inútiles como la del ejemplo
anterior. Los músculos que mantienen a los animales de pie, contra
la fuerza gravitacional, cumplen con su función mediante
contracciones isotérmicas sostenidas. Cuando el animal se levanta a
partir de una posición yacente, estos músculos se contraen hasta
que los huesos del esqueleto se encuentran con las relaciones
espaciales específicas que determinan la posición erguida para dicha
especie; una vez alcanzado este objetivo su actividad no puede ya
expresarse como cambio de longitud, el trabajo que desarrollan
permite guardar dichas relaciones y conservar la posición. Otro
tanto ocurre al mantener un brazo alzado, al detener una puerta
que alguien empuja por el otro lado, y en cualquier otra situación
en la que oponerse a un movimiento debido a causas externas
requiere de un esfuierzo corporal continuo, aunque sea
aparentemente estático.
81
Figura VI. 12. Relación entre la longitud inicial de un sarcómero y la
tensión que puede desarrollar. La tensión es máxima en B cuando existe
una interpenetración media de los filamentos.
Por supuesto, mas que oponerse al cambio, la función principal del
músculo es generar movimiento. Cuando se enfrenta con cargas
proporcionales a su potencia particular, todo músculo activo se
contrae efectivamente, es decir, reduce su longitud como resultado
del acortamiento de sus sarcómeros. Sin embargo, debido a la
construcción de estos últimos, la fuerza que pueden desarrollar al
contraerse depende de su longitud inicial. Para comprender esta
relación consideremos situaciones extremas. En un sarcómero
excesivamente distendido antes de la contracción, la yuxtaposición
de filamentos de actina y de miosina es mínima, puesto que el
estiramiento aleja simétricamente a los primeros de la región
media, donde se encuentran los segundos. En esta condición los dos
grupos de filamentos se tocan entre sí sólo en sus porciones
terminales y, por consiguiente, el número de cabezas de miosina
que pueden interactuar con los filamentos de actina es reducido, y
la fuerza total generada es también baja. Por lo contrario, en un
sarcómero cuya longitud inicial sea demasiado corta, el
traslapamiento de filamentos será máximo. En este caso,
prácticamente la totalidad de las cabezas de miosina podrá ejercer
tracción sobre los filamentos de actina pero, puesto que los
filamentos de miosina se encontrarán en el tope de sus respectivos
carriles —muy próximos a los discos Z—, el sarcómero se verá casi
imposibilitado de contraerse más. De aquí que la posición más
favorable para que un músculo desarrolle su máxima potencia es
cuando sus sarcómeros tienen una longitud inicial intermedia, en
forma tal que permita el contacto de numerosas cabezas de miosina
con los filamentos de actina, y que a la vez ofrezca a los filamentos
de miosina un buen trecho para desplazarse.
Esta relación entre el grado de estiramiento inicial y la potencia
desarrollada por el músculo esquelético no se presenta en otra gran
clase de tejido contráctil: el tipo de músculo que forma parte (de los
vasos sanguíneos y de vísceras como el estómago y los intestinos,
la vejiga urinaria y el útero. Las paredes de estos órganos pueden
distenderse de manera considerable sin que disminuya su capacidad
de contracción, de la que depende su función de promover o regular
la transportación de los contenidos respectivos. Se dice, por lo
tanto, que esta clase de músculos tiene la propiedad de plasticidad ,
y la razón de esta cualidad es estructural. Los filamentos de actina
y miosina en las células de este tejido no se encuentran dispuestos
de manera especialmente ordenada, como en el músculo
esquelético. No hay en ellas series de aparatos unitarios
equivalentes a los sarcómeros, y por consiguiente no muestran las
estiraciones periódicas que caracterizan al músculo liso (Figura
VI.13). La ventaja que significa la plasticidad del músculo liso se ha
conseguido, sin embargo, a costa de la rapidez y precisión de
trabajo que distinguen al músculo esquelético, pues los órganos de
que forma parte, no obstante que en ocasiones son muy poderosos,
como es el caso del útero, accionan con lentitud y sin una exacta
coordinación espacio-temporal.
82
Figura VI. 13. Esquema de la organización de la miosina (m) y la actina (a)
en una célula de músculo liso. En estas células los filamentos no se
arreglan en forma de sarcómeros, sino que se distribuyen irregularmente
en el citoplasma; n = nucleo.
Una tercera categoría de músculo es la que constituye el corazón de
los vertebrados. Este órgano excepcional, diseñado para funcionar
sin interrupción durante toda la vida, posee atributos fisiológicos
muy singulares. No obstante, desde el punto de vista de la
organización de la máquinaria molecular que lo anima, es muy
similar al músculo esquelético. Sus células son estriadas, puesto
que los filamentos de actina y de miosina se encuentran dispuestos
en forma de sarcómeros que se contraen de manera concertada y
alternada entre diferentes regiones.
Hasta aquí hemos revisado las principales maquinarias moleculares
y los aparatos que integran para efectuar la gran mayoría de los
movimientos que presenta la materia viviente. Estos mecanismos
comprenden a las máquinas constituidas por actina y miosina, o
bien a las que tienen como base la tubulina y sus motores
asociados. Estos dos sistemas operan simultáneamente en muchas
células, cada uno encargado de su propia función. Pero al menos en
la mayoría de las células animales llega un momento crucial en el
que ambos conjuntos deben de actuar de manera perfectamente
coordinada. Esta acción, una de las más asombrosas que haya
producido la evolución, es la que consigue reproducir la vida misma
—la división celular. La descripción de los aparatos que intervienen
en este fenómeno fundamental es el tema del siguiente capítulo.
83
V I I . S I S T E M A S M I X T O S :
M O V I M I E N T O G E N E R A D O P O R
M I C R O T Ú B U L O S Y
M I C R O F I L A M E N T O S
LA DIVISIÓN CELULAR
LA DIVISIÓN celular se inicia con el proceso llamado mitosis, en el
cual los cromosomas, duplicados, se separan y reparten en dos
nuevos núcleos. La separación de los cromosomas es seguida por la
división del resto del citoplasma o citocinesis. Cada célula hija
tendrá entonces la información suficiente para crecer y dividirse, a
fin de continuar el proceso de proliferación. Por muchos años los
biólogos han estudiado la mitosis, describiendo desde hace más de
100 años las diferentes figuras producidas al interaccionar los
cromosomas con estructuras fibrosas y formar lo que se llama el
huso acromático o aparato mitótico (Figura VII. 1). Este huso,
llamado así por su parecido a un huso de hilandera, cambia de
longitud, grosor, etc., durante la mitosis, y es sobre sus fibras en
donde los cromosomas parecen moverse para iniciar su segregación
a lo que más tarde serán las células hijas. Aunque la descripción
detallada de la mitosis se hizo hace muchos años, estas
observaciones se limitaron a células fijadas, de modo que reflejaban
momentos de lo que realmente es un proceso dinámico y continuo.
Por otro lado, la caracterización bioquímica de las diversas
estructuras participantes en el proceso se logró apenas
recientemente, de modo que hasta la fecha todavía hay muchas
incógnitas en relación con la mitosis.
Figura VII. 1. Fotografía de los primeros aparatos mitóticos aislados por D.
Mazia y K. Dan. Los ásteres, el huso y los cromosomas en la placa
ecuatorial son claramente distinguibles. (Fotografía cortesía de D. Mazia).
Si consideramos el huso acromático como una máquina que mueve
a los cromosomas debemos estudiar cómo está la máquina
ensamblada para entender su funcionamiento. Empezaremos por
analizar esta estructura. El huso no es algo permanente en las
84
células. Se observa solamente durante la mitosis y se ensambla a
partir de microtúbulos que a su vez, como vimos en capítulos
anteriores, son polimerizados de las subunidades de tubulina. Una
vez realizada la mitosis, los microtúbulos desaparecen para volverse
a estructurar cuando la célula está lista para dividirse de nuevo. En
algunas células, como las de un embrión, puede haber una división
celular cada 10 ó 15 minutos. En otras, como las neuronas y los
reticulocitos, que han llegado a un estado completamente
diferenciado, no hay divisiones celulares (por lo menos en
situaciones regulares, aunque experimentalmente éstas se logran
inducir). En células en crecimiento activo la división celular se
efectúa, aproximadamente, cada 24-48 horas y el proceso dura
como una hora y media.
Como se vio en capítulos previos, los microtúbulos están formados
por las tubulinas (α y β) que al polimerizarse forman una estructura
con polaridad, esto es, con extremos asimétricos en donde el
ensamble y desensamble de subunidades procede con diferente
cinética. Podríamos imaginar que un microtúbulo es una flecha
formada a su vez por flechas pequeñas, todas alineadas con la
punta orientada en la misma dirección y que por estas
características muestra propiedades diferentes en las puntas de la
flecha o en las colas. Se sabe actualmente que los microtúbulos del
huso están orientados con el extremo que crece más aprisa,
llamado positivo, hacia el lado contrario de donde está la estructura
del huso llamada centrosoma (Figura VII. 2). Estas propiedades
facilitan la interacción diferencial con otras moléculas que se
asocian a los microtúbulos durante la mitosis, y que son capaces de
transformar energía química en movimiento, así como facilitar tanto
la polimerización-despolimerización de los microtúbulos como la
unión de éstos a los cromosomas.
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Figura VII. 2. Esquema del aparato mitótico. Las cabezas de flecha indican
la dirección en la que crecen los microtúbulos, que tienen como centros
organizadores a los ásteres.
Los centrosomas son otro elemento importante del huso. Estos se
forman al inicio de la mitosis a partir de un organelo formado por
microtúbulos que existe permanentemente en la célula, que es el
centriolo. Cuando una célula va a dividirse este centriolo se duplica,
acción que se da, generalmente, cuando los cromosomas se están
replicando (Figura. VII. 3), y cada uno de ellos se mueve en el
citoplasma para colocarse en extremos opuestos, entre los cuales
se formará el eje del huso acromático. Alrededor de los centriolos,
que realmente son centros organizadores de microtúbulos, radian
los microtúbulos del huso y aquellos que forman el centrosoma
(Figura I.1).
Figura VII. 3. Micrografía que muestra la organización de los microtúbulos
en los centriolos en una célula del oviducto de rata. En el corte transversal
(flecha) se puede apreciar el arreglo de éstos como nueve pares de
tripletes. (Fotografía cortesía de E. Dirksen).
Aunque los cromosomas no son propiamente parte del huso, cada
cromátida (una de las dos partes que forma a un cromosoma
mitótico) tiene una región enriquecida en proteínas que se conoce
como el cinetocoro (Figura VII. 4). Esta región es el punto de
contacto entre los microtúbulos del huso y los cromosomas, y lo
que permite que cada cromátida se mueva por separado y se
distribuya adecuadamente a los nuevos núcleos.
86
Figura VII.4. Micrografía que muestra los microtúbulos del huso cuando
hacen contacto con la región del cinetocoro (cabezas de flecha) en los
cromosomas.(Fotografía cortesía de J. Pickett-Heaps).
Típicamente hay entre 15 y 35 microtúbulos uniendo a un
cinetocoro con el centrosoma, aunque no todos los microtúbulos del
huso llegan a los cinetocoros. Hay microtúbulos que se extienden de
un centrosoma al otro y de los cuales depende la longitud del huso
y otros más cortos que están interdigitados entre los microtúbulos
más largos. Hace algunos años B. Nicklas, en la Universidad de
Carolina del Norte, demostró que si se rompe la unión entre los
microtúbulos y los cinetocoros, las cromátidas no pueden moverse,
produciéndose una distribución anormal de los cromosomas. Estos
experimentos hechos con un rayo láser, que rompe la unión
microtúbulo- cinetocoro, demostraron también que el cinetocoro
tiene polaridad y que su interacción con los microtúbulos de uno u
otro centrosoma dependerá de su orientación. Esta especificidad
garantiza que solamente una de las cromátidas se mueva hacia
cada lado del huso, asegurando la distribución adecuada del
material genético.
¿Cómo es entonces que estas estructuras logran el movimiento de
los cromosomas? Tratemos de integrar datos nuevos en la
descripción clásica de la mitosis (figuras VII. 5 y VII.6). Una vez
que los cromosomas se han duplicado, cada uno de ellos se
mantiene unido, formado por dos cromátidas. El centriolo se ha
duplicado también al organizarse como centrosoma y dirige la
polimerización de microtúbulos a su alrededor. Algunos de estos
microtúbulos interaccionan con las cromátidas a través del
87
cintocoro. A esta etapa se le llama prometafase. El cromosoma que
aun consiste de dos cromátidas, unido a uno o varios micrótúbulos,
empieza a moverse hacia el centrosoma del cual provienen los
microtúbulos con los que ha interaccionado. Esto se puede deber al
acortamiento de los microtúbulos en la base o a la interacción de
una proteína específica en el cinetocoro con el microtúbulo, que
estaría inerte. El desplazamiento de un cromosoma duplicado hacia
un extremo se interrumpe cuando microtúbulos provenientes del
centrosoma situado en el extremo opuesto interaccionan con la otra
cromátida y hay entonces una fuerza que tira en el otro sentido.
Este tirar en direcciones opuestas mueve a los cromosomas a la
zona ecuatorial del huso, dando por resultado la figura llamada
metafase. Es determinante la colocación de los cromosomas en el
ecuador, mediante su conexión con microtúbulos provenientes de
los dos centrosomas, y la mitosis prosigue sólo hasta que esto se ha
logrado. En este momento las cromátidas todavía están unidas
entre sí y se desplazan hacia el centrosoma de donde provienen los
microtúbulos, con los cuales interaccionan. Se ha propuesto que el
desplazamiento de una cromátida hacia el centrosoma se hace por
despolimerización de los microtúbulos en sitio de unión con el
cinetocoro, el cual practicamente se iría deteniendo del extremo del
túbulo que es cada vez más corto por la despolimerización
progresiva en ese polo. La cromátida se acercaría al centrosoma
dando como resultado el movimiento descrito en la anafase A.
Figura VII. 5. Esquema de la mitosis.
Por otro lado podría haber un componente con características
elásticas, no descrito todavía, que se uniera al cinetocoro y moviera
88
a la cromátida, utilizando a los microtúbulos como las vías de un
tren. Este movimiento se haría junto con la despolimerización los
microtúbulos al nivel del cinetocoro. De hecho se ha demostrado la
presencia de actina y miosina en el huso acromático, mediante el
empleo de anticuerpos fluorescentes para visualizar a estas
proteínas. Sin embargo, aún no es posible concluir si estas
proteínas podrían ser los elementos elásticos en el movimiento de
cromosomas.
Figura VII. 6. Fotografías por microscopia de inmunofluorescencia en
donde se aprecian las fases de la mitosis esquematizadas en la figura VII.
5. Los microtúbulos se ven decorados por un anticuerpo específico para
tubulina, y los cromosomas se muestran marcados con un indicador
también fluorescente que se une especificamente al ADN. a) Profase; b)
placa ecuatorial en la metafase: c) anafase; d) telofase, en donde pueden
verse los restos del cuerpo medio. (Fotografía cortesía de B. Brinkley).
En la anafase B los microtúbulos del huso que no están unidos a
cinetocoros crecen en su extremo positivo e interdigitan entre sí y
se establecen puentes laterales que forman otras proteínas
asociadas a ellos. A través de estos puentes los microtúbulos se
repelen y se deslizan en direcciones contrarias, haciendo que el
huso en su conjunto se alargue, coadyuvando a la separación de las
cromátidas. Una de las proteínas identificadas como formadoras de
puentes entre microtúbulos es la cinesina. Este movimiento de
microtúbulos que resulta del alargamiento del huso puede hacerse
en el laboratorio con husos aislados de varios tipos de células. A
mediados de los ochenta W. Zacheus Cande y sus colegas de la
Universidad de California, en Berkeley, aislaron husos acromáticos
de células de algas diatomeas, en presencia de ATP (el generador de
energía), e investigaron el movimiento de cromosomas en anafase.
89
Encontraron que el movimiento dependía de la fosforilación de
proteínas unidas al huso y de la polimerización de los micrcotúbulos
en su extremo positivo. Esta elongación de microtúbulos ocurre al
mismo tiempo que el acortamiento de aquellos que directamente
interaccionan con los cinetocoros. ¿Cómo es posible entonces tener
procesos diferentes y antagónicos al mismo tiempo? Una posible
explicación es que los dos tipos de microtúbulos están inmersos en
diferentes microambientes. Los que interdigitan están realmente
inmersos en la matriz citoplásmica, en donde pueden interaccionar
con otras moléculas y estabilizarse, de modo que pueden crecer
cuando esto sea necesario. Aquellos que interaccionan con los
cinetocoros están, a su vez, interaccionando con otro ambiente y
dependen de otros mecanismos de control. Se sabe que el calcio y
las proteínas reguladoras de los niveles de Ca2+, como la
calmodulina, tienen un papel importante en el proceso de mitosis.
Se ha encontrado que las vesículas que almacenan calcio se
concentran en las inmediaciones del huso acromático y que hay,
asimismo, por lo menos dos enzimas con actividad hidrolítica sobre
el ATP que son estimuladas por calcio.
Finalmente, una vez que las cromátidas llegan al extremo en que
está el centrosoma, durante la telofase, los microtúbulos que
formaban el huso empiezan a despolimerizarse, quedando un
remanente de túbulos en la parte central de la célula que conecta a
los dos núcleos que ya han empezado a reestructurarse. La división
del citoplasma o citocinesis, que dará como resultado dos células
hijas, empieza en la telofase y se lleva a cabo por la estructuración
de un anillo de constricción formado por filamentos de actina y
miosina en la parte media de la célula en mitosis. Este anillo se
forma a 90° del eje del huso acromático por polimerización de
monómeros de actina. La acción contráctil de los filamentos de
actina y miosina que se asocia a ellos constriñe al citoplasma y
acaba por dividirlo (Figura VII. 7). El anillo contráctil es una
pequeña máquina que requiere de ATP para hacer trabajo y puede
estabilizarse y aislarse de las células. La formación y contracción del
anillo puede impedirse con drogas, como las citocalasinas, que
impiden la polimerización de la actina.
90
Figura VII.7. Células en citocinesis. A) Microscopia de contraste de fases;
B) diagrama del anillo de constricción. M = microtúbulos, c = cromosomas,
m= miosina, a= actina.
La membrana nuclear, que en la mayoría de las células se
desestructura en la prometafase, se reorganiza en la etapa final de
la telofase, alrededor de los cromosomas, para formar el nuevo
núcleo. En los eucariones inferiores es común que la mitosis se lleve
a cabo sin que la membrana nuclear se altere y que el huso
acromático se organice con los ásteres en el citoplasma y las fibras
del huso atravesando la membrana nuclear. En estos casos la
mitosis no es muy típica y las fases no están bien definidas, pero
básicamente el proceso debe depender de factores similares a
aquellos que se presentan en una mitosis típica.
Se han podido contestar varias preguntas acerca de la mitosis,
estudiando qué sucede cuando se altera el movimiento o la posición
o formación de los centrosomas.
En relación al primer caso se han utilizado drogas, como la
colchicina, vinblastina y la griseofulvina. Estos alcaloides, al unirse
al dímero de tubulina, impiden que se añada al extremo de los
microtúbulos que están creciendo, de modo que se interrumpe el
equilibrio dinámico de polimerización de los microtúbulos. Al añadir
este tipo de drogas a células en proliferación se detiene el proceso
de la mitosis en metafase, de modo que los cromosomas quedan
colocados en la placa ecuatorial, de donde no pueden proseguir a la
separación de las cromátidas. Otras drogas, como el taxol,
estabilizan a los microtúbulos ya formados y éstos no pueden
despolimerizarse de nuevo, rompiendo el equilibrio dinámico entre
polímero- dímero y teniendo como resultado la detención del
proceso de mitosis.
La inestabilidad de los microtúbulos del aparato mitótico, requisito
indispensable para el movimiento por otro lado, impidió por mucho
tiempo que esta maquinita y sus componentes pudieran ser aislados
y caracterizados. Fue en 1953 que D. Mazia y K. Dan aislaron los
primeros aparatos mitóticos de huevos de erizos de mar que habían
sido fertilizados in vitro. En estas células las mitosis son sincrónicas
una vez que empieza la división celular que da origen al embrión.
Estos investigadores pudieron aislar, en condiciones de
estabilización de los microtúbulos, un gran número de aparatos
mitóticos y hacer su caracterización bioquímica. Más tarde se
estableció que los microtúbulos del aparato mitótico, como otros
microtúbulos citoplásmicos, están formados por las tubulinas α y β.
En el grupo de investigación del doctor Mazia se caracterizaron
inicialmente a las tubulinas que forman a éstos y otros tipos de
microtúbulos y se hicieron los experimentos que mostraron que el
centriolo es el organizador de los centrosomas y de los microtúbulos
que radian a partir de estas estructuras. Experimentalmente se
pudo inducir la formación de múltiples ásteres, fertilizando a los
huevos de erizo de mar con varios espermatozoides, cada uno de
los cuales penetra al huevo con un centriolo, capaz de organizar un
áster y producir así un gran número de aparatos mitóticos (Figura
VII.8). Estas células no pueden continuar la mitosis por el caos que
se produce al haber tantos centros directrices del mismo proceso.
91
Figura VII.8. Múltiples ásteres en un huevo de erizo de mar producidos por
la fertilización con varios espermatozoides (polisperma). Los microtúbulos
que se originan de cada áster se identificaron al ser decorados por un
anticuerpo específico para tubulina. (Fotografía cortesía de G. y H.
Schatten).
Recientemente se han identificado varias proteínas que podrían
actuar como motores moviendo a los cromosomas sobre los
microtúbulos y que parecerían tener un papel similar a la proteína
cinesina mencionada en otro capítulo como un motor celular. Esta
proteína permite que los microtúbulos se desplacen unos en
relación con otros y muevan gránulos de pigmento o vesículas a lo
largo de una célula. El desplazamiento de los microtúbulos en el
huso acromático se puede llevar a cabo en formá similar (Figura
VII. 9). El arreglo de los microtúbulos en forma de huso, su regreso
a microtúbulos dispersos en la interfase, la reorganización de la
membrana nuclear durante la mitosis, la condensación y
descondensación de los cromosomas y la formación del anillo de
constricción, son todos procesos controlados por acciones de
fosforilación de varias de las proteínas que forman estas estructuras
o que ayudan al movimiento.
92
Figura VII.9. Esquema de la interacción de los microtúbulos con motores
moleculares (cinesina) para mover a los cromosomas.
Estas fosforilaciones se hacen por enzimas llamadas cinasas, la
mayoría de las cuales son reguladas por los niveles de Ca2+ en el
citoplasma y los cuales veremos que también regulan el grado de
organización del citoesqueleto al asociarse a sus componentes e
inducir su polimerización o despolimerización. Sin duda, aunque hay
muchos elementos por identificar para entender completamente el
proceso de la mitosis, los nuevos avances que pueden hacerse con
la técnica de videomicroscopía, que permite observar el proceso
dinámico, nos darán pronto una respuesta completa.
93
V I I I . O P E R A C I Ó N D E L A
M A Q U I N A R I A : R E G U L A C I Ó N
C E L U L A R
CUANDO las células llevan a cabo actividades de motilidad, un
requisito indispensable es la capacidad de movilizar iones de Ca2+
(Figura VIII.1). Como vimos en otros capítulos, para la contracción
muscular se requiere la movilización del Ca2+ de reservorios
especiales al citoplasma. La presencia del Ca2+ y su asociación a
proteínas, como las troponinas, induce varios cambios en la
conformación de las proteínas del sarcómero, favoreciendo la
fosforilación de la miosina y su interacción con la actina. En el caso
de células no musculares, el Ca2+ sale también de reservorios
especiales (vesículas generalmente) hacia el citoplasma, en donde
activa a otras proteínas que al unir una o más moléculas de calcio
cambian su conformación y pueden interaccionar a su vez con otras
proteínas para que éstas funcionen. Este es el caso de la gelsolina,
que se analizó en relación con el movimiento amiboideo, y la
interacción de calmodulina con microtúbulos y otras proteínas en la
mitosis. Muchas proteínas del citoesqueleto son fosforiladas por
enzimas llamadas cinasas. Cuando esto sucede su estructura se
modifica, al igual que sus relaciones con otras proteínas, dando
como resultado la reorganización de los componentes del
citoesqueleto, según las
necesidades
de la
célula. La
desfosforilación se lleva a cabo por otras proteínas presentes en
todas las células, llamadas fosfatasas. Estas enzimas se encargan
de remover el o los grupos fosfatos añadidos por las cinasas.
Como ejemplos de movimientos celulares en los que la fosforilación
y desfosforilación de proteínas es uno de los mecanismos de control
tenemos a la fagocitosis, la desorganización de la envoltura nuclear
y la condensación de la cromatina que ocurren durante la mitosis, la
exocitosis de varios tipos de vesículas, la ciclosis, la formación de
contactos focales sobre el sustrato para facilitar el desplazamiento
de las células y otros movimientos que describiremos brevemente a
continuación.
Figura VIII.1. Modificaciones del Ca2+ intracelular durante diferentes tipos
de movimiento. Los números denotan unidades de tiempo.
94
El desplazamiento dirigido de una célula puede ser favorecido por la
presencia de estímulos químicos que se encuentran solubles en el
medio o que forman la parte sólida del sustrato sobre el que se
mueve la célula. Este fenómeno se conoce como quimiotaxis y está
bien estudiado en las bacterias que se desplazan hacia el atrayente
por rotación de su o sus flagelos. Los flagelos bacterianos están
constituidos por una proteína diferente de las tubulinas pero que
también puede polimerizarse y despolimerizarse. Las bacterias
tienen receptores membranales que reciben la señal quimio
atrayente y pasan señales al interior de la célula. La señal llega
entonces al motor que mueve al o los flagelos y se produce un
cambio en la dirección de la rotación que permite a la bacteria
dirigirse hacia el estímulo. Un primer paso en la activación de
señales es la fosforización de una proteína cinasa que depende de
ATP. Esta proteína puede entonces fosforilar a otras que, ya
modificadas, intervienen con el motor flagelar y producen la
rotación del flagelo. Cabe aclarar que no pueden rotar las mutantes
bacterianas que carecen de esta proteína. Al desfosforilarse la
proteína se revierte el proceso y el flagelo rota en la dirección
contraria, causando un cambio en la dirección del movimiento. Un
caso bien estudiado en las células eucariontes es el de los leucocitos
que son atraídos hacia un sitio de infección, y que al ser activados
modifican su forma y su velocidad de movimiento (Figura VIII.2).
Las amibas de Dictyostelium reaccionan en forma similar al estímulo
producido por AMP cíclico. Una vez cerca del estímulo las amibas se
agregan y empiezan a formar un sincicio, de donde se diferenciarán
las células sexuales. En estos casos, como en el de las bacterias, la
fosforilación de las proteínas, como respuesta al estímulo, es el
efecto inicial a partir del cual se dan los cambios de la motilidad.
Figura VIII.2. Quimiotaxis.
Un caso particular es la estimulación de la locomoción y la secreción
de proteasas, que en varias células son producidas por las proteínas
de la matriz extracelular, como la fibronectina, la laminina y la
colágena. El reconocimiento del estímulo se hace cuando la célula, a
través de una molécula proteica de su superficie (receptor),
reconoce a la molécula que es el estimulador (ligando). Cuando esto
95
sucede, el receptor y el ligando unidos causan una cascada de
cambios en la organización de la membraña celular que son
interpretados como señales para que en el interior de la célula haya
cambios a muchos niveles. Tal vez el más notable, en el tema que
nos interesa en este libro, es la reorganización del citoesqueleto que
tiene consecuencias en la forma de la célula, en su capacidad de
desplazarse, en la velocidad con que se desplaza y en actividades
metabólicas que le permiten secretar enzimas al exterior, fagocitar
e incluso dividirse (Figura VIII.3).
Figura VIII.3. Reorganización del citoesqueleto en una célula que
corresponde a una señal externa a través de un receptor en la membrana
celular.
Los fenómenos de motilidad son muy diversos y algunas células
presentan una organización especial del citoesqueleto que le
permite
movimientos
a
veces
espectaculares.
Esto
es
particularmente notable en los organismos unicelulares que se han
tenido que adaptar a todos los medios, desarrollando estructuras
que les permiten sobrevivir en condiciones adversas e incluso
invadir a otras células como parásitos. Como es imposible hacer una
revisión completa de todas las modalidades, nos hemos
concentrado en ilustrar las bases generales de la organización
molecular y estructural del citoesqueleto, en una célula, y
considerando el movimiento individual. Desde luego, en muchos
casos, el propósito de estos movimientos se hace en el contexto de
96
un órgano o un organismo completo, formado por muchas células y
actuando en concierto. El movimiento es, entonces, el resultado de
la actividad del citoesqueleto de cada una de las células que forman
un organismo, y sus diversas manifestaciones dependerán de la
información genética de aquél y de la posibilidad de expresión de
ciertos genes. La información genética se transforma, como hemos
visto en este libro, en estructuras físicas con capacidad mecánica y
fuerza motora de las que dependen todos los movimientos de la
maquinaria celular.
97
C O N T R A P O R T A D A
El movimiento es uno de los fenómenos que más han llamado la
atención de quienes se han dedicado a observar y estudiar la
naturaleza. Un atleta es una máquina en movimiento, pero también
lo es un organismo unicelular microscópico, por ejemplo una amiba.
¿Cómo, entonces, se organizan una célula o un conjunto de células
para producir movimiento? En su interior diminutas máquinas
constituidas por motores moleculares funcionan de manera
coordinada para actuar sobre otras extructuras y el medio externo.
En este libro se describe cómo se fabrican las diferentes partes de
dicha maquinaria a partir de instrucciones contenidas en el material
genético cómo se ensamblan luego estas partes para formar
máquinas individuales alimentadas por energía metabólica y cómo
se integran multitudes de estas máquinas en aparatos y sistemas
dinámicos bajo el control de señales específicas. El lector
encontrará una exposición compacta de las solucies alcanzadas por
la evolución para producir numerosas variedades de trabajo
mecánico mediante la aplicación de un limitado repertorio de
principios operativos de mil maneras por los más antiguos
dispositivos para producir movimiento: las máquinas vivientes.
Isaura Meza obtuvo su doctorado en la Universidad de California, en
Berkeley, bajo la asesoría de Daniel Mazia. Es profesora titular del
Departamento de Biología el cual dirigió varios años. Sus trabajos
acerca de los aspectos bioquímicos y moleculares del citoesqueleto
y de la motilidad celular ha recibido varios reconocimientos.
Actualmente es tesorera de la Academia de Investigación Científica.
Eugenio Frixione obtuvo su doctorado en neurociencias en el
CINVESTAV. Tras de dos años en la Universidad de Pennsylvania
regresó al CINVESTAV donde es profesor titular en el Departamento
de Biología Celular y en el Departamento de Fisiologia, Biofísica y
Neurociencias. Sus numerosos trabajos incluyen enfoques
novedosos para el análisis de la motilidad celular. Fue director
editorial de la revista Ciencia y Desarrollo que publica el CONACYT, y
en la que hasta la fecha cola bora como editor.
Diseño: Guillermo Huerta González / Foto: Cortesía de B.R. Brinkley