Microtúbulos: Estructura y Ensamblaje
Los microtúbulos son estructuras cilíndricas y huecas con un diámetro externo de 24 nm y un diámetro interno de 14 nm. Estos túbulos se componen de proteínas globulares llamadas a-tubulina y b-tubulina, cada una de las cuales tiene un PM de 55.000.
La a y b-tubulina se asocian en dímeros ab unidos por enlaces no covalentes. Cuando no se incorpora a los túbulos, el dímero se llama simplemente tubulina.
Los dímeros de tubulina se alinean formando un protofilamento, trece protofilamentos paralelos alineados alrededor de un espacio hueco forman un microtúbulo.
Cada protofilamento tiene una polaridad estructural, con la α tubulina expuesta en un extremo y la β-tubulina en el otro. Esta polaridad, es la misma en todos los protofilamnentos, lo que confiere una polaridad estructural a todo el microtúbulos.
Uno de los extremos se denomina extremo + y el otro extremo -.
En el extremo + se van añadiendo dímeros de tubulina, mientras que en el – se van disociando.
El Centrosoma: Centro Organizador de Microtúbulos
Los microtúbulos de las células derivan de centros organizadores especializados que controlan el número de microtúbulos formados, su localización y orientación en el citoplasma. Así en las células animales, el centrosoma, que suele estar cerca del núcleo cuando la célula no se divide, organiza la disposición de los microtúbulos que irradian hacia fuera de éste a través del citoplasma.
Los centrosomas contienen multitud de estructuras anulares formadas por otro tipo de tubulina, la g-tubulina, y cada anillo de g-tubulina es el punto de partida, o sitio de nucleación, para el crecimiento del microtúbulos. Los dímeros de ab-tubulina se agregan al anillo de g-tubulina con una orientación específica, lo que determina que el extremo – de cada microtúbulos quede incluido en el centrosoma y que el crecimiento tenga lugar sólo en el extremo más, es decir en el extremo orientado hacia fuera.
El centrosoma de la mayoría de las células animales contiene, además de los anillo de g-tubulina, un par de centríolos. Estos son unas estructuras formadas por microtúbulos cortos de disposición cilíndrica.
Los centríolos no cumplen ningún papel en la nucleación de los microtúbulos ya que los anillos de g-tubulina son suficientes, y su función no se conoce con certeza, en especial por que las células vegetales no tienen centríolos. Son estructuras parecidas a los cuerpos basales que organizan los microtúbulos de cilios y flagelos (veremos más adelante).
Para que los microtúbulos se organicen de forma correcta son necesarios los anillos de g-tubulina del centrosoma, sobre los que se enlazan los dímeros de tubulina. In Vitro los microtúbulos pueden organizarse siempre y cuando la concentración de tubulina sea muy alta, condiciones que no se dan en el interior celular. Además, al nuclear los microtúbulos en un centro concreto en la célula, ésta puede controlar mejor el lugar de crecimiento de los microtúbulos.
La Hidrólisis de GTP Controla el Crecimiento de los Microtúbulos
Una vez que comienza la nucleación de un microtúbulos, su extremo + suele crecer hacia fuera del centro de nucleación por adición de subunidades de ab-tubulina. Luego el microtúbulo sufre una transición brusca que hace que se retraiga con rapidez hacia dentro por pérdida de subunidades en su extremo libre. En algunos casos se retrae y vuelve a crecer, en otros desaparece por completo.
Este comportamiento se conoce como inestabilidad dinámica y es la propiedad que presentan los microtúbulos que les permite ser estructuras dinámicas que van creciendo y decreciendo según las necesidades de la célula.
Esta propiedad se debe a la capacidad que presenta la tubulina de hidrolizar GTP. Cada dímero libre de tubulina está unido a una molécula de GTP, que es hidrolizada a GDP una vez unida al polímero en crecimiento. Las moléculas de tubulina unidas a GTP se agrupan de forma muy eficiente, sin embargo las moléculas de tubulina unidas a GDP cambian la conformación y presentan más inestabilidad en la estructura del polímero, debilitando su unión y terminan por liberarse de él.
Los dímeros de tubulina portadores de GTP (rojo) se unen más firmemente entre sí que los dímeros de tubulina portadores de GDP (verde oscuro). Por lo tanto los microtúbulos que tienen dímeros de tubulina recién unidos a su extremo con GTP unido, tienden a seguir creciendo. Este extremo del microtúbulos en crecimiento está compuesto íntegramente por subunidades GTP-tubulina que forman lo que se llama casquete GTP. Sin embargo, de vez en cuando, en especial si el crecimiento del microtúbulos es lento, las subunidades presentes en este casquete de GTP, hidrolizarán el GTP a GDP antes de que las nuevas subunidades de tubulina unidas a GTP se incorporen. Por lo tanto se pierde el casquete GTP y el microtúbulos comienza a retraerse de forma continua.
Los Microtúbulos Pueden Estabilizarse al Unirse a Otras Proteínas Celulares que Impiden la Retracción
En la célula el ensamblaje y desensamblaje de los microtúbulos se mantiene en equilibrio. El centrosoma proyecta sus microtúbulos a todas las direcciones de la célula, el microtúbulos crecerá hasta un tope y luego se retraerá. Pero es posible que su extremo + se estabilice por interacción con otra molécula celular y así evitar la retracción. De esta manera, el microtúbulos establecerá una unión relativamente estable entre el centrosoma y esa estructura.
Este sistema permite que el centrosoma organice un sistema de microtúbulos que vinculan determinadas partes de la célula. Además, posiciona los orgánulos entre sí.
Distintos fármacos afectan a la polimerización y despolimerización de los microtúbulos.
Los Microtúbulos Organizan el Interior Celular
Las células tienen la capacidad de modificar la estabilidad de sus MT con fines particulares. Por ejemplo:
- -Durante la mitosis, los MT se vuelven más dinámicos y alternan entre el crecimiento y la retracción. Esto les permite ensamblarse y desensamblarse con rapidez en la formación del huso mitótico.
- -Cuando una célula se diferencia a un tipo celular especializado y ha adoptado su forma celular definida, la inestabilidad dinámica de los MT suele ser suprimida por proteínas que se unen sus extremos o a lo largo de ellos y los estabilizan evitando el desensamblaje.
Los MT estabilizados contribuyen a mantener la organización celular.
Así, la mayoría de las células diferenciadas están polarizadas, es decir presentan regiones distintas estructural y funcionalmente.
Así, las células nerviosas tienen un axón en un extremo y en el otro, dendritas.
Las células especializadas en secreción tienen el complejo de Golgi orientado hacia el sitio de secreción…etc.
La polaridad celular es un reflejo de los sistemas de MT que contribuyen a posicionar los orgánulos en la localización correcta y guiar las corrientes de movimiento y tráfico de partículas, vesículas etc de una región a otra de la célula.
Ahora bien, en esta función de los MT éstos no actúan solos sino, al igual que ocurre con otras proteínas del citoesqueleto como la actina, su actividad depende de una serie de proteínas accesorias que se unen a ellos.
Las funciones de estas proteínas accesorias son:
– Algunas de ellas se unen a ellos e impiden que se desensamblen.
– Otras unen los MT con otros componentes celulares u otras proteínas del citoesqueleto.
– Otras proteínas asociadas a MT son proteínas motoras que transportan orgánulos, vesículas y otros materiales a lo largo del MT.
*Las proteínas motoras impulsan el transporte intracelular
Si observamos una célula viva al microscopio, podemos observar que mitocondrias y los orgánulos intracelulares pequeños, así como las vesículas se encuentran en constante movimiento. Tanto los filamentos de actina como los MT participan en los distintos tipos de movimientos generados en el interior celular. Los movimientos se generan gracias a la participación de proteínas motoras que utilizan la energía derivada de la hidrólisis de ATP y viajan a lo largo del filamento de actina o MT en una dirección. Las proteínas motoras se unen al mismo tiempo a otras estructuras celulares (orgánulo, vesícula..etc.) y así transportan su “carga” a lo largo del filamento. Se han identificado una multitud de proteínas motoras que se diferencian entre sí en el filamento que unen, la carga que transportan y la dirección que siguen al lo largo del filamento.
Las proteínas motoras que se desplazan a lo largo de los MT citoplasmáticos pertenecen a dos tipos de familias:
Las cinesinas, se desplazan hacia el extremo mas (+) en crecimiento del MT, alejándose del centrosoma, hacia fuera del cuerpo celular.
Las dineínas, que se desplazan hacia el extremo menos del MT, hacia el centrosoma, en dirección al cuerpo celular.
Ambos tipos de proteínas son dímeros, con dos cabezas globulares que unen ATP y una sola cola. Las cabezas interactúan con los MT de forma estereoespecífica de forma que la proteína motora se unirá a un MT sólo en una dirección. Por lo general, la cola de la proteína motora se une de forma estable a algún componente celular como una vesícula o un orgánulo, y esta unión determina el tipo de carga que puede transportar esta proteína. Las cabezas globulares de dineínas y cinesinas son enzimas que hidrolizan ATP (ATPasas). Esta reacción aporta la energía para suceder una serie de cambios conformacionales en la región globular que le permite ir avanzando por el filamento del MT.
*La hidrólisis de ATP es responsable de la actividad de las proteínas motoras
La quinesina es un dímero con dos dominios motores de unión a ATP/ ADP que actúan de forma coordinada.
Inicialmente la cabeza posterior está unida fuertemente al ATP y al microtúbulo (a través de la β-tubulina), mientras que la cabeza anterior está unida débilmente al ADP y al microtúbulo.
La hidrólisis de ATP en el dominio posterior y el intercambio ADP por ATP en el anterior genera dos efectos simultáneos:
- En el dominio anterior se une más fuertemente al microtúbulo.
- Mientras que el posterior (unido ahora a ADP) cambia la conformación de las subunidades que forman el “cuello” de la cabeza ATPasa de manera que ésta se une al siguiente subunidad de β-tubulina libre más adelante en el microtúbulo.
Modo de acción de la quinesina
Las cabezas de quinesina tienen capacidad de unir ATP/ADP. La hidrólisis del ATP es la que proporciona los cambios conformacionales necesarios para el desplazamiento de las proteínas motoras sobre el microtúbulOAdemás, la unión a los MT permite a los orgánulos posicionarse y “sujetarse” en el interior celular. Así, las membranas del RE se extienden hacia la periferia desde su punto de unión a la envoltura nuclear hacia la membrana plasmática gracia a su interacción con las cinesinas que traccionan las membranas hacia fuera. De manera similar las dineinas se unen al complejo de Golgi y lo traccionan en dirección contraria.
* Estructura de cilios y flagelos
Los cilios y flagelos son los orgánulos formados por microtúbulos mejor caracterizados.
Los cilios son proyecciones similares a cabellos cortos que cubren la superficie de muchas células eucariotas. Estos apéndices poseen varias funciones. Impulsan a los organismos unicelulares a través del medio acuoso. En los vertebrados los cilios mueven el mucus a lo largo de la superficie de los tractos respiratorios.
Los flagelos de los eucariotas son muy similares estructuralmente a los cilios, pero más largos y menos numerosos.
Los cilios se mueven de forma parecida a un látigo, lo que provoca que el fluido en el que baten fluya paralelo a la superficie de la célula a la que se encuentra unido. Los flagelos se mueven formando ondas sinusoidales y simétricas, lo que hace que el fluido en el que baten fluya paralelo a su eje longitudinal.
Estructura del Axonema
La unidad funcional de un cilio o de un flagelo se denomina axonema. El axonema se encuentra rodeado por la extensión de la membrana plasmática.
Consta de 9 pares de MT dobles conectados por uniones y colocados en círculo alrededor de un par central de microtúbulos sencillos (disposición 9+2).
Cada MT doble consta de un túbulo cilíndrico denominado túbulo-A y otro en forma de luna creciente llamado túbulo-B. Los dos túbulos comparten una pared común.
Cada MT doble contiene dos proyecciones llamadas brazo de dineína interno y externo, formado por dineína, y que se extienden desde un túbulo A de un doblete al túbulo B del doblete contiguo.
Estos brazos de dineína apuntan todos hacia la misma dirección y se orientan en el sentido de las agujas del reloj.
Los MT dobles están conectados por uniones de nexina, formadas por proteínas muy elásticas. Los MT dobles se encuentran ligados por radios a la vaina central.
Estos radios son proyecciones de proteína que se extienden desde el MT sencillo al doble.
El cilio y flagelo se insertan en el cuerpo celular formando una estructura llamada cuerpo basal. Ésta es una estructura formada por un triplete de MT donde un Túbulo-C se añade a cada doblete.
La fuerza necesaria para el movimiento del axonema se genera por los brazos de dineína, que tiene actividad ATPasa. Los brazos de dineína están unidos permanentemente al túbulo A de cada microtúbulo doble.
En ausencia de ATP estos brazos se encuentran unidos al túbulo B del microtúbulo adyacente.
Cuando el ATP se une a los brazos de dineína, éstos se separan del túbulo-B y el ATP se hidroliza, lo que genera un cambio en la orientación de la dineína que ahora se vuelve a unir al túbulo- B en un lugar más proximal que aquel al que estaban unidos al principio.
Los brazos de dineína retornan a su ángulo original empujando al doblete en el que están transitoriamente unidos en sentido de la base a la punta. De esta forma, los brazos de dineína “caminan” a lo largo de un doblete contiguo de forma muy parecida a como lo hacen las dineinas citosólicas y las cabezas de miosina sobre la actina (ya veremos).
La longitud de los MT dobles no cambia pero sí se alteran sus posiciones relativas. Las conexiones de nexina restringen el movimiento de desplazamiento de los dobletes. Como resultado del deslizamiento de los MT dobles se convierte en la inclinación del axonema. El sentido del desplazamiento cambia cuando el axonema se inclina de nuevo hacia otro lado.
En los microtúbulos aislados se produce el desplazamiento de uno sobre otro.
En los microtúbulos de ciclios y flajelos, gracias a las uniones de nexina, los MT no pueden desplazarse, se tensan generando el movimiento.