11 Citoesqueleto y movimiento
Anuncio
Tomado de La Célula de Cooper. Marban 00, 2da edición 11 Citoesqueleto y movimiento celular (segunda parte) Microtúbulos Los microtúbulos, el tercer componente principal del citoesqueleto, son varillas rígidas y huecas de aproximadamente 25 nm de diámetro. Al igual que los filamentos de actina, los microtúbulos son estructuras dinámicas que están continuamente ensamblándose y desensamblándose en la célula. Intervienen en la determinación de la forma celular y en diversos movimientos celulares, incluyendo algunas formas de locomoción celular, el transporte intracelular de orgánulos, y la separación de los cromosomas durante la mitosis. Estructura, ensamblaje e inestabilidad dinámica de los m icrotúbulos A diferencia de los filamentos intermedios, que se componen de diversas proteínas fibrosas, los microtúbulos se componen de un único tipo de proteína globular, denominada tubulina. La tubulina es un dímero constituido por dos polipéptidos de 55 kDa estrechamente relacionados, a-tubulina y ßtubulina. Al igual que en la actina, tanto la a-tubulina como la ß-tubulina se codifican por pequeñas familias de genes relacionados. Además, un tercer tipo de tubulina (?-tubulina) se localiza específicamente en el centrosoma, donde desempeña un papel clave en el inicio de¡ ensamblaje de los microtúbulos (como se verá después). 1 Figura 11.37:Estructura de los microtúbulos. Los dímeros de α y β-tubulina polimerizan para formar microtúbulos, que están constituidos por 13 protofilamentos ensamblados alrededor de un corazón hueco Los dímeros de tubulina polimerizan para formar microtúbulos, que generalmente consisten en 13 protofilamentos lineares ensamblados alrededor de un centro hueco (Fig.11.37). Los protofilamentos, que están constituidos por un conjunto de dímeros de tubulina dispuestos cabeza con cola, se disponen en paralelo. Como consecuencia, los microtúbulos (al igual que los filamentos de actina) son estructuras polares con dos extremos diferenciados: un extremo «más", de crecimiento rápido y un extremo «menos» de crecimiento lento. Esta polaridad es un dato importante para determinar la dirección del movimiento a lo largo de los microtúbulos, al igual que la polaridad de los filamentos de actina define la dirección del movimiento de la miosina. 2 Fig. 11.38: Inestabilidad dinámica de los microtúbulos. La inestabilidad dinámica se debe a la hidrólisis de GTP unido a β-tubulina durante o justo después de la polimerización, que reduce la afinidad por las moléculas adyacentes. El crecimiento de los microtúbulos continúa mientras exista una concentración elevada de tubulina unida a GTP. En este caso las moléculas nuevas de tubulina unidas a GTP se añaden más rápido de lo que el GTP es hidrolizado, por lo que se mantiene una caperuza de GTP en el extremo en crecimiento. Sin embargo si el GTP se hidroliza más rápidamente de lo que se añade las nuevas subunidades, la presencia de tubulina unida a GDP unida en el extremo del microtúbulo lleva al desensamblaje y al acortamiento. Solamente se muestran los extremos “mas” de los microtúbulos: Los dímeros de tubulina pueden despolimerizar al igual que polimerizar, y los microtúbulos pueden sufrir ciclos de ensamblaje y desensamblaje rápidos. Tanto la a-tubulina como la ß-tubulina se unen a GTP, que actúa de forma análoga al ATP fijado a la actina para regular la polimerización. Concretamente, el GTP unido a la /J-tubulina (no así el GTP fijado a a-tubulina) se hidroliza a GDP 3 durante o justo después de la polimerización. Esta hidrólisis de GTP disminuye la afinidad de la tubulina por las moléculas adyacentes, lo que favorece la despolimerización y tiene como resultado el comportamiento dinámico de los microtúbulos. Al igual que los filamentos de actina (véase Fig. 11.4), los microtúbulos sufren intercambio rotatorio, un comportamiento dinámico en el que las moléculas de tubulina unidas a GTP se liberan continuamente del extremo "menos» y son reemplazadas por la adición de moléculas de tubulina unida a GTP al extremo "más" del mismo microtúbulo. En los microtúbulos, la hidrólisis de GTP también conduce a un comportamiento que se conoce como inestabilidad dinámica, en el que los microtúbulos individuales alternan entre ciclos de crecimiento y de acortamiento (Fig. 11.38). El que un microtúbulo crezca o se acorte viene determinado por la velocidad de adición de la tubulina, respecto a la velocidad de hidrólisis del GTP. Mientras las nuevas moléculas de tubulina unidas a GTP se añadan a mayor velocidad que la de hidrólisis del GTP, el microtúbulo mantiene una caperuza de GTP en su extremo «más» el crecimiento del microtúbulo continúa. Sin embargo, si la velocidad de polimerización decrece, el GTP fijado a la tubulina en el extremo "más" del microtúbulo será hidrolizado a GDP. Si esto ocurre, la tubulina unida a GDP se disociará, dando lugar a una rápida despolimerización y acortamiento del microtúbulo. La inestabilidad dinámica, descrita por Tim Mitchison y Marc Kirschner en 1984, da lugar a una renovación continua y rápida de la mayor parte de los microtúbulos, que presentan una vida media en la célula de sólo varios minutos. Como se verá más adelante, esta rápida renovación de los microtúbulos es especialmente importante para el remodelado del citoesqueleto que tiene lugar durante la mitosis. Debido al papel central de los microtúbulos en la mitosis, los fármacos que afectan al ensamblaje de los microtúbulos no sólo son útiles como herramientas experimentales en biología Centrosoma celular sino también en el tratamiento del cáncer. La colchicina y la colcemida son ejemplos de fármacos experimentales empleados comúnmente que se unen a la tubulina e inhiben la polimerización del microtúbulo, bloqueando de esta forma la mitosis. Dos fármacos relacionados (vincristina y vimblastina) se usan en la quimioterapia del cáncer debido a que inhiben de forma selectiva a las células en rápida división. Otro fármaco utilizado, el taxol, estabiliza los microtúbulos en vez de inhibir su ensamblaje. Dicha estabilización también bloquea la división celular, y el taxol se utiliza como agente anticanceroso y como herramienta experimental. 4 Centrosoma y organización de los microtúbulos En la mayoría de las células los microtúbulos se extienden a partir de un centro organizador de los microtúbulos, al que se anclan los extremos "menos" de los microtúbulos. En las células animales, el principal centro organizador de los microtúbulos es el centrosoma, que se localiza junto al núcleo cerca del centro de las células interfásicas (no están en división) (Fig. 11.39). Durante la mitosis, de forma similar, los microtúbulos se extienden a partir de centrosomas duplicados para formar el huso mitótico, que es responsable de la segregación y distribución de los cromosomas a las células hijas. De esta manera, el centrosoma desempeña un papel clave en la organización intracelular de los microtúbulos, aunque la mayor parte de los detalles de su actuación continúan siendo un misterio. Fig 11.39: Organización intracelular de los microtúbulos. Los extremos “menos” de los microtúbulos se anclan al centrosoma. En las células interfásicas el centrosoma se localiza del núcleo y los microtúbulos se extienden hacia la periferia celular. Durante la mitosis los centrosomas duplicados se separan y los microtúbulos se reorganizan para formar el huso mitótico. 5 Fig 11.40: Crecimiento de los microtúbulos desde el centrosoma. Los microtúbulos en los fibroblastos de ratón se observan mediante microscopía de inmunofluorescencia empleando un anticuerppo frente a tubulina. (A) La distribución de los microtúbulos en una célula interfasica normal. (B) esta célula se trato con colcemida durante una hora para desensamblar los microtúbulos. El fármaco fue entonces retirado y se permitio a la célula recuperarse durante treinta minutos, lo que permitio ver nuevos microtúbulos creciendo desde el centrosoma. (De M. sobón y K. Weber 1976. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 73:867) El centrosoma sirve como lugar de inicio del ensamblaje de los microtúbulos, que crecerán a partir del centrosoma hacia la periferia de la célula. Esto se puede observar claramente en células que hayan sido tratadas con colcemida para desensamblar sus microtúbulos (Fig. 11.40). Cuando el fármaco se retira, las células se recuperan y pueden verse nuevos microtúbulos creciendo desde el centrosoma. Es importante señalar que el inicio del crecimiento de los microtúbulos en el centrosoma establece la polaridad de los microtúbulos en la célula. Concretamente, los microtúbulos crecen por la adición de tubulina a sus extremos "más" que se extienden desde el centrosoma hacia la periferia celular. 6 Fig 11.41: estructura de los centrosomas: (A) Micrografía electrónica de un centrosoma, mostrando los microtúbulos irradiando desde el material pericentriolar que rodea al par de centríolos. (B) sección transversal del centríolo mostrando sus nueve tripletes de microtúbulos. (A, Citographics; B, Don Fazcett, Photo Researches, Inc.) El centrosoma sirve como lugar de inicio del ensamblaje de los microtúbulos, que crecerán a partir del centrosoma hacia la periferia de la célula. Esto se puede observar claramente en células que hayan sido tratadas con colcemida para desensamblar sus microtúbulos (Fig. 11.40). Cuando el fármaco se retira, las células se recuperan y pueden verse nuevos microtúbulos creciendo desde el centrosoma. Es importante señalar que el inicio del crecimiento de los microtúbulos en el centrosoma establece la polaridad de los microtúbulos en la célula. Concretamente, los microtúbulos crecen por la adición de tubulina a sus extremos "más" que se extienden desde el centrosoma hacia la periferia celular. Los centrosomas de la mayoría de las células animales están constituidos por un par de 7 centríolos orientados perpendicularmente entre sí, rodeados por un material pericentriolar amorfo (Fig. 11.41). Los centríolos son estructuras cilíndricas constituidas por nueve tripletes de microtúbulos, de manera similar a los cuerpos basases de los cilios y los flagelos (como se verá después en este mismo Capítulo). Aunque los centríolos probablemente sean los precursores de los cuerpos basases, parece ser que no son indispensables para el funcionamiento del centrosoma. Los centríolos no parecen ser necesarios para el ensamblaje o la organización de los microtúbulos, y no se encuentran en las células vegetales, en muchos eucariotas unicelulares, y en algunas células animales (como en los óvulos de ratón). Los microtúbulos que emanan desde el centrosoma terminan en el material pericentriolar, no en los centríolos, y es el material pericentriolar el que inicia el montaje de los microtúbulos. La proteína fundamental en el centrosoma que nuclea el ensamblaje de los microtúbulos es la ?tubulina , una especie minoritaria de tubulina identificada por primera vez en hongos. Complejos de ?-tubulina forman unas estructuras en anillo que contienen de 10 a 13 moléculas de ?-tubulina y que tienen un diámetro similar al de los microtúbulos. Estos anillos de ?-tubulina sirven como sitios de nucleación para el ensamblaje de los microtúbulos y pueden permanecer unidos a sus extremos «menos». Reorganización de los microtúbulos durante la mitosis Como ya se comentó, los microtúbulos se reorganizan completamente durante la mitosis, lo que proporciona un claro ejemplo de la importancia de su inestabilidad dinámica. El conjunto de microtúbulos presente en las células interfásicas se disgrega y las subunidades libres de tubulina se reensamblan para formar el huso mitótico responsable de la segregación de los cromosomas hijos (Fig. 11.42). Esta reestructuración del citoesqueleto de microtúbulos es dirigida por la duplicación del centrosoma para formar dos centros organizadores de microtúbulos, separados en polos opuestos del huso mitótico. 8 Fig 11.42: Micrografía electrónica de huso mitótico. Los microtúbulos del huso se unen a los cromosomas condensados en la metafase. (De C.L. Rieder y S. S. Bowser, 1985. J. Histochem Cytochem. 33:165/ Biological Photo Service) 11.43 Fig 11.43: Formación del huso mitótico. Los centríolos y los centrosomas se duplican durante la interfase. Durante la profase de la mitosis, los centrosomas duplicados se separan y migran a los lados opuestos del núcleo. Entonces la envuelta nuclear se desensambla y los microtúbulos se reorganizan para formar el huso mitótico. Los microtúbulos cinetocóricos se unen a los cromosomas condensados, los microtúbulos cinetocóricos se solapan en el centro de la célula y los microtúbulos astrales se dirigen a la periferia de la célula. En la metafase, los cromosomas condensados se alinean en el centro del huso. 9 Los centríolos y otros componentes del centrosoma se duplican en las células interfásicas, pero permanecen juntos a un lado del núcleo hasta el comienzo de la mitosis (Fig. 11.43). Entonces se separan los dos centrosomas y migran a lados opuestos del núcleo, formando los dos polos del huso mitótico. A medida que la célula entra en mitosis, la dinámica de ensamblaje y desensamblaje de los microtúbulos también cambia drásticamente. Primero, la velocidad de desensamblaje de los microtúbulos aumenta cerca de diez veces, lo que origina una despolimerización general y un acortamiento de los microtúbulos. A su vez, el número de microtúbulos que emana desde el centrosoma aumenta entre cinco y diez veces. En suma, estos cambios producen el desensamblaje de los microtúbulos interfásicos y el crecimiento de un gran número de microtúbulos cortos a partir de los centrosomas. Como propusieron por primera vez Marc Kirschner y Tim Mitchison en 1986, la formación del huso mitótico implica la estabilización selectiva de algunos de los microtúbulos que irradian desde el centrosoma. Estos microtúbulos son de tres tipos, dos de los cuales componen el huso mitótico. Los microtúbulos cinetocóricos se unen a los cromosomas condensados de las células mitóticas en sus centrómeros, que están asociados con proteínas específicas para formar el cinetocoro (véase fig. 4.16). La fijación al cinetocoro estabiliza a estos microtúbulos, los cuales, como se verá después, desempeñan un papel crítico en la segregación de los cromosomas mitóticos. El segundo tipo de microtúbulos que se encuentran en el huso mitótico no se unen a los cromosomas. Por el contrario, los microtúbulos polares que emanan desde los dos centrosomas se estabilizan al solaparse uno sobre otro en el centro de la célula. Los microtúbulos astrales se extienden desde los centrosomas hacia la periferia de la célula con sus extremos "más", libres. Como se tratará posteriormente, tanto los microtúbulos astrales como los polares contribuyen también al movimiento de los cromosomas al separar los polos del huso. Según transcurre la mitosis, los cromosomas condensados primero se alinean en la placa metafásica y luego se separan, tirando de las dos cromátidas de cada cromosoma hacia polos opuestos del huso. Proteínas motoras asociadas con los microtúbulos del huso intervienen en el movimiento de los cromosomas, como se describe a continuación. En la etapa final de la mitosis se vuelve a formar la envuelta nuclear, los cromosomas se descondensan, y tiene lugar la citocinesis. Cada célula hija contiene entonces un centrosoma que dirige la formación de una nueva red de microtúbulos interfásicos. 10 Estabilización de los microtúbulos y polaridad celular Debido a su inestabilidad dinámica inherente, en la célula la mayor parte de los microtúbulos están desensamblados. Sin embargo, este comportamiento dinámico puede mortificarse por las interacciones de los microtúbulos con otras proteínas. Algunas proteínas celulares intervienen desensamblando los microtúbulos, bien escindiéndolos o bien incrementando la velocidad de despolimerización de la tubulina desde los extremos de los microtúbulos. Otras proteínas (denominadas proteínas asociadas a microtúbulos o MAPs - microtubule-associated proteins- se fijan a los microtúbulos e incrementan su estabilidad. Dichas interacciones permiten a la célula estabilizar los microtúbulos en localizaciones definidas y son un mecanismo importante para determinar la forma y la polaridad celular. Se han identificado un gran número de MAPs, y varían en función del tipo de célula. Las mejor caracterizadas son MAP-1, MAP-2 y tau, aisladas a partir de células neuronales y MAP4, que se encuentra en todos los tipos de células no neuronales de vertebrados. La proteína tau ha sido estudiada extensamente debido a que es el componente principal de las lesiones características encontradas en los cerebros de los pacientes de Alzheimer. La actividad de las MAPs se regula mediante fosforilación, lo que permite a la célula controlar la estabilidad de los microtúbulos. Fig 11.44:Organización de los microtúbulos en las células nerviosas. Dos tipos distintos de prolongaciones se extienden desde el cuerpo celular de las células neviosas (neuronas). Las dendritas son prolongaciones cortas que reciben estimulos de otras células nerviosas. El único axón largo trasmite impulsos desde el cuerpo celulalr a otras células que pueden ser bien otras neuronas o bien células efectoras, tales como el músculo. Los microtúbulos estables tanto en los axones como en las dendritas terminan en el citoplasma en vez de unirse al centrosoma. En las dendritas, los microtúbulos se orientan en ambas direcciones, con sus extremos “más” apuntando tanto hacia el cuerpo celular como hacia el sentido contrario. Por el contrario, todos los microtúbulos de los axones se orientan con sus extremos “mas” apuntando hacia el final del axón 11 Un buen ejemplo del papel de los microtúbulos estables en la determinación de la polaridad celular lo constituyen las células nerviosas, que constan de dos tipos diferentes de prolongaciones (axones y dendritas) que se extienden desde el cuerpo celular (Fig. 11.44). Tanto los axones como las dendritas se sujetan mediante microtúbulos estables, además de por los neurofilamentos estudiados en la sección anterior de este Capítulo. Sin embargo, los microtúbulos se organizan de forma diferente en los axones y en las dendritas y están asociados con MAPs distintas. En los axones, todos los microtúbulos se encuentran orientados con sus extremos "más" alejados del cuerpo celular, de manera similar a la orientación general de los microtúbulos en otros tipos celulares. Sin embargo, los extremos "menos" de la mayoría de los microtúbulos en los axones no se unen al centrosoma; en su lugar, tanto los extremos «más» como los «menos" de estos microtúbulos terminan en el citoplasma del axón. En las dendritas, los microtúbulos están orientados en ambas direcciones; algunos extremos, "más" apuntan hacia el cuerpo celular y otros apuntan hacia la periferia celular. A esta organización diferente de los microtúbulos hay que añadirle las diferencias en las MAPs: los axones contienen proteínas tau, pero no MAP-2, mientras que las dendritas contienen MAP-2, pero no proteínas tau, y parece que estas diferencias en la distribución de MAP-2 y tau son las responsables de la distinta organización de los microtúbulos estables en los axones y las dendritas. Motores microtubulares y movimientos Los microtúbulos son responsables de diversos movimientos celulares, incluyendo el transporte intracelular y el posicionamiento de las vesículas de membrana y de los orgánulos, la separación de los cromosomas en la mitosis y el batir de los cilios y fiagelos. Como se vio anteriormente para los filamentos de actina en este Capítulo, el movimiento a lo largo de los microtúbulos se basa en la acción de proteínas motoras que utilizan energía derivada de la hidrólisis de ATP para producir fuerza y movimiento. Los miembros de dos grandes familias de proteínas motoras-las quinesinas y las dineínas son los responsables de impulsar los diversos movimientos en los que participan los microtúbulos. 12 Identificación de las proteínas motoras microtubulares La quinesina y la dineína, los prototipos de proteínas motoras de los microtúbulos, se mueven a lo largo de los microtúbulos en direcciones opuestas -la quinesina hacia el extremo "más" y la dineína hacia el extremo "menos" (Fig. 11.45). La primera de estas proteínas motoras microtubulares que se identificó fue la dineína, que la aisló Ian Gibbons en 1965. La purificación de esta forma de dineína (denominada dineína axonémica) se vio facilitada porque es una proteína muy abundante en los cilios, al igual que la abundanciade miosina facilitó que se aislara a partir de las células musculares. Sin embargo, costó más identificar otros motores microtubulares debido a que las proteínas responsables de procesos como el movimiento de los cromosomas y el transporte de los orgánulos se presentan a concentraciones relativamente bajas en el citoplasma. El aislamiento de estas proteínas dependió del desarrollo de nuevos métodos experimentales para detectar la actividad de los motores moleculares en medios libres de células Fif 11.45: Proteinas motoras microtubulares. La quienesina y la dineína migran en direcciones opuestas al o largo de los microtiubulos, hacia los extremos “más” y “menos” respectivamente. La quinesina coxta de dos cadenas pesadas enreolladas una sobre la otra en una estrucutura de hélice enrollada, y de dos cadenas ligeras. Los dominios de cabeza globular de las cadenas pesadas se fijan a los microtúbulos y son los dominios motores de las moléculas. La dineína esta constituida por dos o tres cadenas pesadas (aquí se muestran dos) asociadas a varias cadenas ligeras e Interñedias. Los dominios de cabeza globular de las cadenas pesadas son los dominios motores. 13 El desarrollo de los ensayos in vitro para las proteínas motoras citoplasmáticas se basó en la utilización de la microscopía video-amplificada, desarrollada por Robert Allen y Shinya Inoué a principios de los años 80, para estudiar el movimiento de las vesículas de membrana y de los orgánulos a lo largo de los microtúbulos en los axones de calamar. En este método se utiliza una cámara de vídeo para aumentar el contraste de las imágenes obtenidas con un microscopio óptico, lo que mejora sustancialmente la detección de objetos pequeños y permite que se pueda seguir el movimiento de los orgánulos en las células vivas. Utilizando este abordaje, Allen, Scott Brady y Ray Lasek demostraron que el movimiento de los orgánulos también puede tener lugar en un sistema libre de células en el que se haya retirado la membrana plasmática y se haya extendido un extracto citoplasmático en una platina de cristal. Estas observaciones condujeron al desarrollo de un sistema reconstruido in vitro, que proporcionó un método capaz de detectar proteínas celulares responsables del movimiento de los orgánulos. En 1985 Brady, junto con Ronald Vale, Thomas Reese, y Michael Sheetz, se basaron en estas innovaciones para identificar la quinesina como una nueva proteína motora de los microtúbulos, presente tanto en los axones de sepia como en el cerebro bovino. Estudios posteriores demostraron que la quinesina se desplaza a lo largo de los microtúbulos en una única dirección -hacia el extremo "más"-. Debido a que los extremos «más» de los microtúbulos en los axones están todos orientados hacia fuera de¡ cuerpo celular (véase Fig. 11.44), el movimiento de la quinesina en esta dirección transporta las vesículas y orgánulos hacia fuera del cuerpo celular, hacia el final del axón. Sin embargo, en axones intactos también se ha observado que las vesículas y orgánulos migran hacia el interior del cuerpo celular, lo que implica que una proteína motora distinta podría ser la responsable del movimiento a lo largo de los microtúbulos en la dirección opuesta hacia el extremo "menos"-. De acuerdo con esta suposición, estudios posteriores mostraron que una proteína previamente identificada como la proteína asociada a microtúbulos MAP-1C era de hecho una proteína motora que se movía a lo largo de los microtúbulos en dirección al extremo "menos". Posteriores análisis demostraron que la MAP-1C está relacionada con la dineína aislada a partir de los cilios (dineína axonémica), por lo que la MAP-1C ahora se denomina dineína citoplasmática. La quinesina es una molécula de aproximadamente 380 kDa, constituida por dos cadenas pesadas (120 kDa cada una) y dos cadenas ligeras (de 64 kDa cada una) (véase Fig. 11.45). Las cadenas 14 pesadas tienen regiones largas de a-hélice que se enrollan una alrededor de la otra en una estructura de hélice enrollada. Los dominios de cabeza globular amino-terminales de las cadenas pesadas son los dominios motores de la molécula: se unen tanto a los microtúbulos como al ATP, cuya hidrólisis proporciona la energía necesaria para el movimiento. Aunque el dominio motor de la quinesina (aproximadamente 340 aminoácidos) es mucho más pequeño que el de la miosina (alrededor de 850 aminoácidos), la cristalograf ía de rayos X indica que los dominios motores de la quinesina y la miosina son similares estructuralmente, lo que sugiere que la quinesina y la miosina evolucionaron a partir de un ancestro común. La zona de la cola de la molécula de quinesina está constituida por las cadenas ligeras unidas a los dominios carboxilo- terminales de las cadenas pesadas. Esta región de la quinesina es la responsable de la unión a otros componentes celulares (como vesículas de membrana y orgánulos) que se transportan a lo largo de los microtúbulos por la acción de los motores de quinesina. La dineína es una molécula extremadamente grande (hasta 2.000 kDa), que está constituida por dos o tres cadenas pesadas (cada una alrededor de 500 kDa) unida con un número variable de polipéptidos ligeros e intermedios, que oscilan entre 14 y 120 kDa (véase Fig. 11.45). Al igual que en la quinesina, las cadenas pesadas forman dominios globulares motores de unión a ATP que son los responsables del movimiento a lo largo de los microtúbulos. La porción basa¡ de la molécula, que incluye las cadenas ligeras e intermedias, se piensa que se une a otras estructuras subcelulares, como orgánulos y vesículas. Como sucede con las miosinas, tanto la quinesina como la dineína definen familias de proteínas motoras relacionadas. Tras aislarse inicialmente la quinesina en 1985, se han identificado varias proteínas relacionadas con la quinesina. El genoma de C. elegans codifica dieciocho quinesinas diferentes, y se piensa que en humanos pueden existir hasta 100 miembros distintos de la familia de la quinesina. Algunos miembros de la familia de la quinesina, como la propia quinesina, se mueven a lo largo de los microtúbulos hacia el extremo «más» (véase Fig.11.45). Sin embargo, otros miembros de la familia de la quinesina se mueven en dirección opuesta, hacia el extremo «menos». Los diferentes miembros de la familia de la quinesina varían en la secuencia de sus colas carboxilo-terminales y son los responsables de los movimientos de diferentes tipos de cargamento, incluyendo vesículas, 15 orgánulos y cromosomas, a lo largo de los microtúbulos. También existen varios tipos de dineína axonémica, así como múltiples dineínas citoplasmáticas. Todos los miembros de la familia de la dineína se desplazan hacia el extremo «menos» de los microtúbulos, pero las diferentes dineínas citoplasmáticas pueden transportar cargas diferentes. Transporte de orgánulos y organización intracelular Una de las funciones principales de los microtúbulos es transportar vesículas de membrana y orgánulos a través del citoplasma de las células eucariotas. Como ya se ha visto, dicho transporte de orgánulos citoplasmáticos resulta evidente en los axones de las células nerviosas, que pueden extenderse más de un metro de longitud. Los ribosomas sólo se localizan en el cuerpo celular y en las dendritas, por lo que las proteínas, las vesículas de membrana, y los orgánulos (p.ej. mitocondrias) han de transportarse desde el cuerpo celular hasta el azón. Mediante la microscopía amplificada por video se puede visualizar el transporte de las vesículas de membrana y de los orgánulos en ambas direcciones a lo largo de los microtúbulos de los axones, donde la quinesina y la dineína llevan sus cargas de hasta y desde los extremos de los axones, respectivamente. Por ejemplo, las vesículas secretoras que contienen neurotransmisores se transportan desde el aparato de Golgi hasta las ramas terminales del axón por la quinesina. En la dirección opuesta, la dineína citolasmática transporta vesículas endocíticas desde el axón hacia el cuerpo celular. Fig 11.46: Trasnporte de las vesículas a lo largo de los microtúbulos. La quinesina y otros miembros de la familia de la quinesina dirigidos hacia el extremo “más” de los microtúbulos, que se extienden hacia la periferia celular. Por lo contrario, la dineína y los miembros de la familia de la quinesina dirigidos al extremo “menos” de los microtúbulos, que es encuentran unidos en el centro de la célula. 16 En otros tipos de células los microtúbulos transportan vesículas de membrana y orgánulos de forma similar. Debido a que los microtúbulos están generalmente orientados con sus extremos «menos" unidos al centrosoma y sus extremos «más» extendiéndose hacia la periferia celular, se piensa que los diferentes miembros de las familias de quinesina y dineína transportan las vesículas y los orgánulos en direcciones opuestas a través del citoplasma (Fig. 11.46). La quinesina convencional y otros miembros de la familia de la quinesina que se dirigen hacia el extremo «más" transportan su carga hacia la periferia celular, mientras que las dineínas citoplasmáticas y los miembros de la familia de la quinesina que se dirigen hacia el extremo «menos» transportan los materiales hacia el centro de la célula. Además de transportar vesículas de membrana en las rutas endocítica y secretora, los microtúbulos y las proteínas motoras asociadas colocan los orgánulos con membrana (como el retículo endoplasmático, aparato de Golgi, lisosomas y mitocondrias) en la célula. Por ejemplo, el retículo endoplasmático se extiende a la periferia celular en asociación con los microtúbulos (Fig. 11.47). Los fármacos que despolimerizan los microtúbulos provocan que el retículo endoplasmático se retraiga hacia el centro de la célula, lo que indica que se requiere la asociación con los microtúbulos para mantener al retículo endoplasmático en su estado extendido. Esta colocación del retículo endoplasmático parece requerir la acción de la quinesina (o posiblemente múltiples miembros de la familia de la quinesina), que tira del retículo endoplasmático a lo largo de los microtúbulos en dirección al extremo «más" hacia la periferia celular. De forma similar, la quinesina parece que desempeña un papel clave en la colocación de los lisosomas alejados del centro de la célula, y en los movimientos de las mitocondrias se han implicado a tres miembros diferentes de la familia de la quinesina. Por otro lado, se cree que la dineína citoplasmática interviene en la colocación del aparato de Golgi. El aparato de Golgi se localiza en el centro de la célula, cerca de¡ centrosoma. Si los microtúbulos se disgregan, bien por un fármaco o bien cuando la célula entra en mitosis, el Golgi se rompe en pequeñas vesículas que se dispersan por todo el citoplasma. Cuando los microtúbulos se vuelven a formar, el aparato de Golgi también se reensambla, y parece ser que las vesículas del Golgi son 17 transportadas al centro de la célula (hacia el extremo "menos»de los microtúbulos) por la dineína citoplasmática. Por lo tanto, el movimiento a lo largo de los microtúbulos es responsable no sólo del transporte de vesículas, sino también de estabilizar la posición de los orgánulos con membrana en el citoplasma de las células eucariotas. Fig 11.47: Asociación del retículo endoplásmico con los microtúbulos. Microscopía de fluorescencia del retículo endoplásmico (A) y de microtúbulos (B) en una célula epitelial. El retículo endoplásmico se ha teñido con un tinte fluorescente y los microtúbulos con un anticuerpo contra la tubulina. Nótese la estrecha relacion entre el retículo endoplásmico y los microtúbulos con un anticuerpo contra la tubulina. Notese la estrecha relación entre el reticulo endoplásmico y los microtúbulos en la periferia de la célula. (De M. Terasaki, L. B. Chen y K. Fujiwara, 1986. J. Cell Biol. 103: Separación de los cromosomas mitóticos Como se vio anteriormente en este Capítulo, los microtúbulos se reorganizan al comienzo de la mitosis para formar el huso mitótico, que desempeña un papel central en la división celular al distribuir los cromosomas duplicados a los núcleos hijos. Esta distribución crítica de¡ material genético tiene lugar durante la anafase de la mitosis, cuando las cromátidas hermanas se separan y migran a polos opuestos del huso. El movimiento de los cromosomas se realiza por dos mecanismos 18 distintos, denominados anafase A y anafase B, en los que intervienen diferentes tipos de microtúbulos del huso y de proteínas motoras asociadas. Fig 11.48: Movimiento cromosómico en la anafase A. los cromosomas migran hacia los polos del huso a lo largo de los microtúbulos cinetocóricos. Se cree que el movimiento cromosómico esta controlado por proteínas motoras dirigidas hacia el extremo “menos” unidas al cinetocoro. La acción de estas proteínas motoras esta acoplada al desensamblaje y acortamiento de los microtúbulos cinetocóricos. La anafase A consiste en el movimiento de los cromosomas hacia los polos de¡ huso a lo largo de los microtúbulos cinetocóricos, que se acortan a medida que se mueven los cromosomas (Fig. 11.48). Este tipo de movimiento cromosómico parece que está dirigido por proteínas motoras asociadas al cinetocoro que trasladan a los cromosomas a lo largo de los microtúbulos de¡ huso en dirección al extremo «menos», hacia los centrosomas. La dineína citoplasmática está asociada a los 19 cinetocoros y puede que intervenga en el movimiento cromosómico hacia los polos, al igual que los miembros de la familia de la quinesina dirigidos al extremo negativo. La acción de estas proteínas motoras cinetocóricas se acopla al desensamblaje y acortamiento de los microtúbulos cinetocóricos, lo que puede deberse a que algunos miembros de la familia de la quinesina actúen como enzimas desestabilizadoras de microtúbulos. Fig 11.49: Separación de los polos del huso en la anafase B. la separación de los polos del huso se produce por dos tipos de movimientos. Primero, los microtúbulos polares solapados deslizan unos sobre otros empujando y separando los polos del huso, probablemente como resultado de la acción de proteínas motoras dirigidas al extremo “mas”. En segundo lugar los microtúbulos astrales tiran de los polos del huso y lo separan. La fuerza conductora podría ser un motor dirigido hacia el extremo “menos”m fijado a una estructura citoplasmática, como el cortex celular, o un motor dirigido al extremo “mas” y asociado al polo del huso. La anafase B se refiere a la separación de los polos del huso entre sí (Fig. 11.49). A la separación de los polos del huso le acompaña un alargamiento de los microtúbulos polares, y es similar a la separación inicial de los centrosomas duplicados para formar los polos del huso al comienzo de la mitosis (véase Fig.11.43). Durante la anafase B los microtúbulos polares solapados se deslizan unos sobre otros, empujando los polos y separándolos. Se ha encontrado que este tipo de movimiento se debe 20 a la acción de vados miembros de la familia de la quinesina dirigidos hacia el extremo «más", que entrelazan microtúbulos polares y los desplazan hacia el extremo "más" del microtúbulo solapado alejándolos del polo opuesto del huso. Además, los polos del huso pueden ser separados por los microtúbulos astrales. El mecanismo responsable de este tipo de movimiento no ha sido totalmente establecido, pero podría resultar por la acción de la dineína citoplasmática unida al córtex celular o a otra estructura citoplasmática. El desplazamiento de este motor de dineína a lo largo de los micratúbulos astrales hacia el extremo "menos» podría tener el efecto de separar los polos del huso hacia la periferia de la célula. De manera alternativa, una proteína motora asociada con los polos del huso podría desplazarse por los microtúbulos astrales hacia el extremo «más», lo cual también podría tirar de los polos del huso hacia la periferia celular. Cilios y flagelos Los cilios y flagelos son prolongaciones de la membrana plasmática constituidas por microtúbulos, responsables del movimiento de varios tipos de células eucariotas. Muchas bacterias también poseen flagelos pero estos flagelos procariotas son bastante diferentes de los eucariotas. Los flagelos bacterianos (que no se van a tratar) son filamentos proteicos que se proyectan desde la superficie celular, en vez de prolongaciones de la membrana plasmática sostenidas por microtúbulos. Los cilios y los flagelos eucarióticos son estructuras muy similares, cada una con un diámetro de 0,25 µm, aproximadamente (Fig. 11.50). Muchas células están recubiertas por numerosos cilios, de alrededor de 10 µm de longitud. Los cilios baten en un movimiento coordinado de atrás hacia adelante, de tal manera que la célula se desplaza a través de un fluido o bien el fluido se desplaza sobre la superficie celular. Por ejemplo, los cilios de algunos protozoos (como el Paramecium) son los responsables tanto de la movilidad celular como del barrido de organismos hacia la cavidad oral para su alimentación. Una función importante de los cilios en los animales es el movimiento de los fluidos y del mucus sobre la superficie de las capas de células epiteliales. Un buen ejemplo viene dado por las células ciliadas que recubren el tracto respiratorio, que lo limpian de mucus y polvo. Los flagelos se diferencian de los cilios en su longitud (pueden llegar a medir 200 µm) y en su tipo de batido, que es ondulatorio. Las células generalmente tienen solamente uno o dos flagelos, que son los 21 responsables de la locomoción de varios tipos de protozoos y de los espermatozoides. La estructura fundamental tanto de los cilios como de los flagelos es el axonema que está constituido por microtúbulos y sus proteínas asociadas (Fig. 11.51). Los microtúbulos se disponen en un patrón característico de "9 + 2" en el que un par central de microtúbulos se encuentra rodeado por nueve dobletes de microtúbulos exteriores. Los dos microtúbulos fusionados de cada doblete exterior son distintos: uno (denominado el túbulo A) es un microtúbulo completo constituido por 13 protofilamentos; el otro (el túbulo B) está incompleto, constituido solamente por 10 u 11 protofilamentos unidos al túbulo A. Los dobletes exteriores de microtúbulos se conectan al par central mediante espinas radiales y entre sí mediante puentes formados por una proteína denominada nexina. Además, a cada túbulo A están unidos dos brazos de dineína, y es la actividad motora de estas dineínas axonémicas la que dirige el batido de los cilios y flagelos. Los extremos «menos" de los microtúbulos de los cilios y flagelos están unidos a un cuerpo basal que tiene una estructura similar a la del centríolo y que contiene nueve tripletes de microtúbulos (Fig. 11.52). Vimos anteriormente que los centríolos eran componentes del centrosoma, sin que su función estuviera clara. Sin embargo, los cuerpos basases tienen un papel definido en la organización de los microtúbulos del axonema. A saber, cada uno de los dobletes de microtubulos externos del axonema está formado por la extensión de dos de los microtúbulos presentes en los tripletes del cuerpo basal. Por lo tanto, los cuerpos basases sirven para iniciar el crecimiento de los microtúbulos del axonema, así como para anclar los cilios y los flagelos a la superficie de la célula. 22 Fig 11.50:Ejemplos de cilios y flagelos. (A) Micrografía electrónica de barrido mostrando numerosos cilios recubriendo la superficie de Paramecium. (B) Micrografía electrónica de barrido de células epiteliales ciliadas recubriendo la superficie de la tráquea. (C) Fotografía de disparo múltiple (500 disparos por minuto) mostrando el movimiento ondulatorio de un flagelo de espermatozoide de erizo de mar. (A, Kart Aufderheide/Visuals Unlimites; B, Fred E. Hosseler/Visuals Unlimited; C, C. J. Brokaw, California Institute of Fig 11.51: Estructura del axonema de cilios y flagelos. (A) Micrografía electrónica tratada por ordenador por ordenador de una seccion transversal del axonema de un flagelo de espermatozoide de rata. (B) Esquema de una seccion transversal de un axonema. Los nueve dobletes externos están constituidos por un microtúbulo completo (A) y uno incompleto (B) contituido solamente por 10 u 11 protofilamentos. Los dobletes externos se unen entre si por puentes de nexina y al par central de microtúbulos mediante espinas radiales. Cada doblete de microtúbulos externo esta unido a brazos de dineína inernos y externos. ( A. K. G. Murti/ Visuals Unlimited) 23 Los movimientos de los cilios y flagelos se producen por el deslizamiento de los dobletes externos de microtúbulos uno respecto a otro, impulsados por la actividad motora de la dineína axonémica (Fig. 11.53). La base de la dineína se une a los túbulos A mientras que los grupos de cabeza de la dineína se unen a los túbulos B de los dobletes adyacentes. El movimiento del grupo de cabeza de la dineína hacia el extremo «menos» provoca que el túbulo A de un doblete se deslice hacia el extremo basal del túbulo B adyacente. Debido a que los dobletes de microtúbulos en un axonema están unidos por puentes de nexina, el deslizamiento de un doblete sobre otro hace que se doblen, lo que constituye la base del movimiento de batido de cilios y flagelos. Sin embargo, está claro que las actividades de las moléculas de dineína en regiones diferentes del axonema se deben regular cuidadosamente para producir el batido coordinado de los cilios y las oscilaciones ondulatorias de los flagelos -un proceso del que todavía se conoce muy poco. Fig 11.52: micrografías electrónicas de los cuerpos basales. (A) vista longitudinal de cilios anclados a los cuerpos basales (B) sección transversal de cuerpos basales. Cada cuerpo basal está constituido por nueve tripletes de microtúbulos. (A. Conly L. Reidor/ Biological Photo Service; B, W. L. Dentler, Biological Photo Service) 24 25
