El Citoesqueleto (mundo de la Celula)

' ',-

[ 1 ' ' . ' **{.\ - ' . q-{

'5-.

El citoesqueleto

T-r-n los captulos anteriores, hemos analizado multitud deprocesos y rutas celulares, que tienen lugar en los orgnu-los de clulas eucariotas. Nos ocuparemos ahora del cito-sol, que es la regin del citoplasma que se encuentra alre-dedor y entre los orgnulos. Hasta hace unas pocasdcadas, el citosol no suscitaba ningn inters en particu-lar y se haca referencia a l como una bustancia, similar aun gel, en la que estaban suspendidos el ncleo y otros or-gnulos. Los bilogos celulares saban que las protenasconstituan hasta el 20-30o/o del citosol, pero se pensabaque estas protenas eran solubles y que eran capaces demoverse libremente. Aparte de aqullas con actividad enzi-mtica, se conoca poco de la importancia estructural ofuncional de las protenas citoslicas.

Los avances en la microscopa y en otras tcnicas de in-vestigacin, han puesto de manifiesto, que el interior deuna clula eucariota est altamente estructurado. Parte deesta estructura la proporciona el citoesqueleto: un entra-mado complejo de filamentos y tbulos interconectadosque se extienden a lo largo del citosol, desde el ncleo has-talacarainterna de la membrana plasmtica.

El trmino citoesqueleto expresa de una manera acerta-da la funcin de esta red de polmeros, que es la de propor-cionar una estructura arquitectnica a las clulas eucario-tas. Aporta un alto nivel de organizacin interna a lasclulas y les permite asumir y mantener formas complica-das que no seran posibles de otra manera. El nombre notransmite, sin embargo,la naturaleza dinmica y plsticadel citoesqueleto, ni el papel crtico que desempea en mu-chos procesos celulares.

El citoesqueleto tiene.un papel importante en el Ag-qliento y en la divisin gelulare,y pogiciona y mueve agti-

+ . - - _ _ #

vamente los orgnulos de membrana, dentro del citosol.Desempea un papel similar con eIARN mensajero y otroscomponentes celulares. De hecho, muchas de las enzimasdel citosol, seguramente no son solubles, sino que estn f-sicamente unidas al citoesquelto y confinadas muy cercade las enzimas implicadas en la misma ruta, de tal maneraque se facilita la canalizacn de intermediarios dentro decada ruta. El citoesqueleto participa adems en muchasformas de movimiento celular y est ntimamente relacio-nado con otros procesos, como la sealizacin celular o lasuniones clula a clula. EI citoesqueleto se altera por fen-menos que ocurren en la superficie celular al mismotiempo, parece que participa y modula dichos fenmenos.

En este captulo, nos centrarmos en la estructura delcitoesqueleto. En el Captulo 16 analizaremos ms deteni-damente la funcin del citoesqueleto, poniendo especialatencin en el movimiento celular.

Principales elementos estructuralesdel citoesqueleto

Los principales elementos estructurales del citoesqueletoson tres: microtbulo s, microfilamentos y filamento s inter -medios, todos ellos exclusivos de clulas eucariotas (Figu-ra 15.1). La existencia de tres sistemas distintos de fila-mentos y tbulos.se puso de manifiesto por primera vezmediante microscopa electrnica. Posteriormente, seidentificaron, mediante estudios bioqumicos in-.tno-lgicos, las diferentes protenas de cada sistema, que sontambin exclusivas de clulas eucariotas. La tcnica de mi-croscopa de inmunofluorescencia (Tabla 15.2; vasetam-

Principales elementos estructurales del citoesqueleto 465

(a) Microtbulos

(c) Filamentos intermedios b m

bin Apndice) fue especialmente importante a la hora delocalizar protelnas especficas en el citoesqueleto. Aunquelas estructuras del citoesqueleto se han considerado exclu-sivas de las clulas eucariotas, se ha demostrado reciente-mente que algunos procariotas, como los bacilos, poseenprotenas que funcionan de una manera muy similar a losmicrofilamentos (protenas de la familia MreB), microt-bulos (la protena FB\ y filamentos intermedios (una deellas se denomina crescentina). Aunque las protenas bac-terianas no se parecen mucho a sus homlogas eucariotas,en lo que a la composicin de aminocidos se refiere,cuando se ensamblan en polmeros, su estructura generales bastante similar.

Cada uno de estos elementos estructurales del citoes-queleto tiene un tamao, estructura y distribucin intrace-lular caractersticas, y cada uno se origina por la polimeri-zacinde un tipo de subunidad diferente (Tabla 15.1). Losmicrotbulos estn compuestos por la protena tubulinaytienen un dimetro de aproximadamente 25 nm. Los mi-

(b) Microfilamentos

Figura 15.1 Distrbucin intracelular de microtbulos,microfilamentos y filamentos intemedios. (a) Imagen de ladistribucin de los microtbulos en clulas de la lnea celular PtK-1, de rion de rata canguro, visualizados mediante la tincininmunofluorescente de la tubulina. Como referencia, se ha teidoel ncleo con el colorante fluorescente rojo de ADN, ioduro depropidio. (b) Imagen de la distribucin de los microfilamentos enclulas de Ia lnea celular de rion de rata, visualizados mediantela tincin de la actina con un derivado fluorescente de la faloidina.(c) Imagen de la distribucin de los filamentos intermedios en lasclulas PtK-1, marcados con la tincin inmunofluorescente de Iaqueratina. El ncleo se ha teido tambin aqu con ioduro depropidio.

crofilamentos, con un dimetro de unos de 7 nm, son po-llmeros de la protena actina. Los filamentos intermediosposeen un dimetro entre 8 y 12 nm. Las subunidades quecomponen los filamentos intermedios, difieren en funcindel tipo celular. Aparte de su protena principal, cada clasede filamento del citoesqueleto presenta un nmero de pro-telnas asociadas. Estas protenas accesorias son responsa-bles de la notable diversidad estructural y funcional de loselementos del citoesqueleto.

Los microtbulos ylos microfilamentos son ms cono-cidos por el papel que desempean en la mqlaj&klcelular.Los microfilamentos son componentes esenciales de las fi-brillas musculares, y los microtbulos son los elementosestructurales delos g@:ylos flqgb,apndices que capa-citan a la clula, tanto para desplazarse a travs de un me-dio fluido, como para batir el medio extracelular. Estas es-tructuras son lo suficientemente grandes como para servistas mediante microscopia ptica por lo tanto, se co-nocan y fueron estudiadas mucho antes de que se aclarase

466 Capitulo 15 El citoesqueleto

Tabla 15.1 Propiedades de los microtbulos, microfilamentos y filamentos intermediosMicrotbulos Miclofilamentos Filamentos intermedios

Estructura

Dimetro

Monmeros

Polaridad

Funciones

Tubo hueco con una pared formadapor 13 protofilamentos

Exterior: 25 nmInterior: 15 nmTubulina aTubulina pExtremos (+), (-)Axonema: motilidad celularCitoplsmica:

organizacin y mantenimientode la forma de la clula animal

Movimiento de los cromosomasDisposicin y movimiento de los orgnulos

Dos cadenas de actinaentrelazadas

7 n m

G-actina

Extremos (+) , ( - )Contraccin muscularMovimiento ameboideLocomocin celularFlujos, corrientes

citoplsmicaDivisin celularMantenimiento de la forma

de la clula animal

Ocho protofilamentos unidos extremoa extremo, con solapamientos escalonados

8 -12 nm

Varias protenas; vaseTab\a I5.5

Sin polaridad conocida

Soporte estructuralMantenimiento de la forma de Ia clula animalFormacin de la 1mina nuclear y el andamiajeReforzamiento de los axones de las clulas

nerviosas (protena NF)Mantenimiento de las fibras musculares

en registro (desmina)

que los mismos elementos estructurales eran tambin par-tes integrales del citoesqueleto.

Consideraremos detalladamente cada elemento estruc-tural. Para ello, trataremos a los microtbulos, los microfi-lamentos y los filamentos intermedios como si fuesen enti-dades separadas, cada una de ellas con una funcin propiaindependiente. Sin embargo, recuerde que los componen-tes del citoesqueleto estn vinculados, tanto estructuralcomo funcionalmente, lo que genera nuevas propiedadesarquitectnicas que no son simplemente la suma de laspartes, como veremos en la ltima seccin de este captulo.

Tcnicas para el estudio delcitoesqueleto

Las tcnicas modernas de microscopa han revolucionadoel estudio del citoesqueletoActualmente, el citoesqueleto es un tema de gran interspara los bilogos celulares. Gran parte del progreso recien-te en la comprensin de la estructura del citoesqueleto, sedebe a tres tcnicas microscpicas de gran potencia: mi-croscopa de inmunofluorescencia, videomicroscopa digi-tal y microscopa electrnica. La Tabla 15.2 resume cadauna de estas tcnicas, que se describirn ms en detalle enel Apndice. Adems, se han empleado drogas y mutacio-nes especficas, que han sido de gran utilidad para el anIi-sis de la funcin del citoesqueleto.

Se pueden usar ciertas drogas y mutacionespara desorganizar las estructuras citoesquelticasAunque las tcnicas microscpicas pueden desvelar muchoacerca de la estructura del citoesqueleto, no nos permitendeducir mucho acerca de su funcin. Para analizar la fun-cin de un filamento del citoesqueleto en particular, debe-

mos quitar o alterar selectivamente Ia funcin de las pro-tenas relevantes: en el caso de la tubulina y de la actina,podemos usar ciertas sustancias para alterar la funcin dela protena en un sentido determinado. Mediante el estu-dio de los efectos de dichas drogas en procesos celulares es-pecficos, es posible determinar, al menos aproximada-mente, las funciones que dependen de los microtbulos ode los microfilamentos.

Por ejemplo,la colchicina (un alcaloide que se obtienedel azafrn silvestre, Colchicum autumnale), se une a losmonmeros de tubulina, inhibiendo su ensamblaje en mi-crotbulos y fomentando el desensamblaje de los que yaexisten. Por el contrario, el taxol (del tejo americano, Taxusbrevifolia) se une fuertemente a los microtbulos y los es-tabliza,provocando que gran parte de la tubulina libre enla clula se asocie para formar microtbulos. Por lo tanto,la sensibilidad de un proceso celular a la colchicina o al ta-xol, es un buen indicio de que los microtbulos podranintervenir en dicho proceso en la clula. De una manera si-milar, la sustancia citocalasina D, un metabolito fngico yla latrunculina A, vna toxina marina que se asla de la es-ponja del mar Rojo, Latrunculia magnifica, inhiben la poli-merizacin de los microfilamentos de actina. Por el con-trario, la faloidina un pptido cclico obtenido del hongooronja verde (Amanita phalloides), bloquea la depolimeri-zacin de la actina, y estabilizando los microfilamentos.Los procesos que se ven interrumpidos en las clulas con eltratamiento con estas sustancias probablemente dependande alguna manera de los microfilamentos. Los usos y losefectos de estas sustancias se discutirn detalladamente a lolargo del captulo.

Adems del empleo de sustancias, tambin nos pode-mos servir de las mutaciones para estudiar el citoesquele-to. Los bilogos celulares, mediante el uso de la gentica yla biologa molecular, han aislado organismos mutantes olneas celulares en los que se han introducido mutacionesespecficas en una protena determinada del citoesqueleto.

Tcnicas para el estudio del ctoesqueleto 467

(!(d

(. F

E. cu)

d

a

6

S.l o

G 6 6

o 9 F > -6 . ; ;

g a 9E A i =

x e t r

h o ' q. : F d

^ > d! E

. 9 . b x

v x :

q Q , Y' = ? ^ o

* ! ( F . y .l o ' i o S

. : H :q ' s- o ; : v

. t r ' E :* s . ! { 3 : o Ei - N x "t s i n

Nd

iE

9 F, . E E OX 8 . . 9 1E A 3 F

J - 6 " .

Y

= 7 ! - - Y

; . > ! : . e- o > 6 Eq ? ' = /q . Y o 5 P . t r E :

' o _ o I 9 g

3Rs!s- = E F

! l - o o 9 _ t. : : ' @ O E . :E - e ; ;- : - d E , r V' 6 p r x r ph ; . q Y ^ ! ; r3 iH v - :

( , d ! . = ' s

tlr

f,l iF E 6 gu - t r :

A J ; U 2 f t ? ' , a

x ! : jt r * . *

U 3 F R X *o o . : - YH g E X, ^ a ^ Y

: 3 .8 v "

6 u c

3 . E h ! ;^ U " ; X .

. - c i , YF f . Y ? E

. = F C o

xn:Es' A o 3 Y E

E i . l 'o s! ! F i : ! . ' |9 : F E Y

E c i I ic ' S E I i . = ' " ,

c * ' - 9 l ? e - :! i o , F dX d . 9 : ' oA d ) . Os-s g;

q -q t r . g ^ H. ! o A H cE f i 8 . eE g 3 : E: d Y 6 ^ q

- 3 . E . i E . E 3 5 . F : t r > u a IO ^ 5 o ) - ! !9 : a ? - : s q 6 + " ' x e q) Y i , " osriFeE9 o o . S t s: . = 6 P ' r ' L X n o E . Y o3E;

s b ; . E =c . 9 X I FF E g T :H : X ; qx H q . :

s9E.E .9H 4 6 ? q a s . F I P. E F E 9o x v F x =6 P 6 ' - I

R 'u E 6.'6 -t r 6 ; r E o; E ! : It r . = Y o . = X6 g F E _ g Eo ^ i 5 h o

! * o o * !

.s

o

E+

E > ' t r

3 e . =.: ^ .

o

E

o o

9.E P *: ' J >F d 9 . i

; q F . : E

Captulo 15 El citoesqueleto468

.9LEo

cro(,t(t ,a,c

.6.9E(,9

oo)E=EToq,oiocE.9!t5atq,o)(g(ECLo(E.9E(,

\q)

NrtFl

EF

-Dichas mutaciones han sido tiles para indentificar losprocesos celulares que requieren la participacin de pro-tenas del citoesqueleto y para elucidar qu partes de dichaprotena son necesarias para su funcin.

Teniendo presentes estas tcnicas, estamos ahora pre-parados para tfatan cada uno de los tres componentesprincipales del citoesqueleto. En cada caso, considerare-mos la qumica de la(s) subunidad(es), la estructura delpolmero, el modo de polimerizacin, la funcin de lasprotenas accesorias y algunos de los papeles estructuralesy funcionales que desempea cada componente dentro dela clula. Trataremos en primer lugar los microtbulos.

eeebgJgsExisten dos tipos de microtbulos que son responsablesde muchas funciones en la clulaLos microtbulos (MTs) son los elementos del citoesque-leto ms grandes (Tabla 15.1). Los microtbulos de las c-lulas eucariotas pueden ser clasificados en dos grandesgrupos, que se difcrens;ian*Ianlqpor suJr{ado de o{tn!za-

EI prim grup,los microtbulos del axonema, inclu-ye a los microtbulos altamente organizados y estables quese encuentran en estructuras subcelulares especficas, rela-cionadas con el movimiento celular, como los cilios, losflagelos y los corpsculos basales a los que se unen estosapndices. El elemento central, o axonemal de un ciiio o deun flagelo est formado por un haz muy ordenado de MTsdel axonema y protelnas asociadas. Debido a su estabilidady ordenamiento, no es sorprendente que los MTs del axo-nema fuesen el primero de los dos grupos en ser descu-bierto y estudiado. Ya hemos visto previamente un ejemplode dicha estructura; el axonema de la cola del espermato-zoide de la Figura 4.12, est formado por MTs. En el Cap-tulo 16 consideraremos ms detalladamente la estructuradel axonema y los movimientos mediados por los microt-bulos.

El segundo grupo lo forma una red ms laxa y dinmi-ca de microtbulos citoplsmicos. Los MTs citoplsmicosno fueron descubiertos en las clulas eucariotas hasta prin-cipios de la dcada de 1960, con la aparicin de mejorestcnicas de fijacin, que permitieron la observacin de unared de MTs, que hoy en da se sabe que predominan en elcitosol de Ia mayora de las clulas eucariotas. A partir deese momento, la microscopa de fluorescencia ha mostradola diversidad y la complejidad de las redes de MTs en dife-rentes tipos celulares.

Los MTs citoplsmicos desempean varias funciones(vaseTbla 15.1). Por ejemplo, son necesarios en las clu-las animales para el mantenimiento de los axones, prolon-gaciones de las clulas nerviosas, cuyas propiedades elc-tricas hemos examinado ya en el Captulo 13. Algunas

clulas animales necesitan los MTs citoplsmicos paramantener su forma polarizada durante su migracin. Sepiensa que en las clulas vegetales, los MTs citoplsmicosregulan Ia orientacin con la que se depositan las microfi-brillas de celulosa durante el crecimiento de las paredes ce-lulares. Es particularmente importante el papel de los MTscitoplsmicos en la formacin de los bugs gilrcqs yglgifiQ.s, que son esenciales para el movimiento de loscromo s omas dur ante taettg51lqpaciosb (v a s e Cap itu -lo 19) .

Los microtbulos citoplsmicos contribuyen asimismoa Ia disposicin espacial y al movimiento direccional de ve-sculas y de otros orgnulos, proporcionando un sistemade fibras organizado, que gua su movimiento. Por ejem-plo, los MTs citoplsmicos ardan a establecer lalocaliza-cin de orgnulos como el aparato de Gg$9y el retcukrAdopl.iq1gg, y estn implicados en el movimiento activode vesculas (vaseCapitulo 16).

Los heterodmeros de tubulina son las protenascon las que se construyen los mictotbulos

Como se ha mencionado en el Captulo 4, los MTs son ci-lindros rectos y huecos con un dimetro exterior cercano alos 25 nm y un dimetro interior de aproximadamente15 nm (Figura15.2). Los microtbulos pueden variar enor-memente en longitud. Algunos miden menos de 200 nmde largo; otros, como los microtbulos del axonema, pue-den llegar a medir de varios micrmetros. La pared de losmicrotbulos est formada por un conjunto de polmeroslineales llamados protofi.lamentos. Normalmente hay l3protofilamentos, colocados uno al lado del otro, alrededordel hueco central o lumen.

Como se muestra en la Figura I5,2,la subunidad bsi-ca de un protofilamento es un heterodmero de la protena

tgpggE/ Los heterodmeros que constituyen la mayorparte de los protofilamentos estn compuestos por unamolcula de tubulina a y una molcula de tubulina B.Tanpronto como se sintetizan las molculas individuales detubulina a y B, stas se unen no covalentemente una a laotra para producir un heterodmero aB que no se disociaen condiciones normales.

Las molculas de tubulina a y B tienen un dimetroaproximado de 4-5 nm y un peso molecular de 55 kDa. Endiversos estudios estructurales se ha comprobado que lastubulinas a y B tienen casi las mismas estructuras tridi-mensionales, a pesar de que slo comparten el 40%o de susecuencia de aminocidos. Cada una se pliega en tres do-minios: un dominio en el extremo N-terminal, que uneGTR un dominio central, donde puede unirse el inhibidorde la polimerizacin de los microtbulos, la colchicina yun tercer dominio en el extremo C terminal, que inte-racciona con las protenas asociadas a los microtbulos(MAPs; hablaremos ms tarde de las MAPs en este cap-tulo).

Microtbulos 469

Protofilamento

(a) Estructura del microtbulo (b) Microtbulos en un axnFigwa t5.2 Estluctula de un miclotbulo, (a) Diagrama esquemtico en el que se muestra un microtbulo como un cilindro hueco queencierra una luz. El dimetro externo es de apromadamente 25 nm y el interno, de unos l5 nm. La pared del cilindro est formada por13 protofilamentos, la flecha seala uno de ellos. Un protofilamento es un polmero lineal de dmeros de tubulina, cada uno de los cualesest constituido por dos poliptidos, tubulina n y B. Todos los heterodmeros de los protofilamentos poseen la misma orientacin,proporcionando de esta manera la polaridad al microtbulo. (b) Microtbulos en un corte longitudinal de un axn (TEM).

En el interior de un microtbulo, todos los dmeros detubulina estn orientados en la misma direccin. de mane-ra que todas las subunidades de tubulina d exponen el mis-mo extremo. Esta orientacin uniforme de los dmeros detubulina provoca que un extremo del protofilamento difie-ra qumica y estructuramente del otro, lo que confiere unapolaridad inherente al protofilamento. La orientacin delos dmeros de tubulina es la misma en todos los protofila-mentos de un mismo microtbulo, lo que confieie al pro-pio microtbulo una estructura polar.

Lamayoria de los organismos poseen varios genes muyrelacionados, aunque no indnticos para cada subunidad ay f de tubulina. Estas formas de tubulina ligeramente dife-rentes se denominan isoformas de la tubulina. Por ejemplo,en el cerebro de los mamferos existen cinco isoformas de latubulina a y cinco isoformas de la B. Estas isoformas difierenprincipalmente en el dominio C Terminal,la parte de la tu-bulina que se une a las MAPs. Esto implica que las diferentesisoformas de la tubulina poseern diferentes propiedades deunin a las MAPs. Sin embargo, no se ha estudiado directa-mente en la mayora de los casos, si las distintas isoformastienen o no propiedades funcionales caractersticas.

Los microtbulos se foman medante la incorporacinde dimelos de tubulina en sus extremosLos microtbulos se forman por el ensamblaje reversiblede los dmeros de tubulina. El proceso de polimerizacinha sido estudiado ampliamente in vitro; en la Figura 15.3se muestra una representacin esquemtica del ensambla-

je de un microtbulo in vitro. La reaccin de polimeriza-cin comienzacuando se calienta una solucin que contie-ne una cantidad suficiente de dmeros de tubulina. GTP vMg2*, desde 0 oC hasta 37 "C. (Laformacin de MT en lasolucin puede observarse fcilmente en un espectrofot-metro como un aumento en la dispersin lumnica.) Laagregacin de los dmeros de tubulina en agrupaciones de-nominadas oligmeros, representa una etapa crucial en laformacin de los microtbulos. Estos oligmeros constitu-yen un a partir del cual pueden crecer los micro-tbulos, por Io que se conoce a este proceso como nuclea-cin. Una vez que se ha nucleado, el microtbulo crecemediante la adicin de subunidades en ambos extremos.un proceso denominado elongacin.

La formacin de los microtbulos es lenta al principio,en lo que se conoce como la fase inicial lenta del ensambla-je de los microtbulos (Figura 15.4). Este periodo refleja larelativa lentitud del proceso de nucleacin de los microt-bulos. La fase de elongacin -es decir,la adicin de dme-ros de tubulina- es relativamente rpida, comparada conla nucleacin. Finalmente, la masa de los microtbulos au-menta hasta un punto en el que la concentracin de tubu-lina libre es limitante. Esto conduce a la fase de equilibrio,en la que la polimerizacin de los microtbulos se encuen-tra en equilibrio con la depolimerizacin.

El crecimiento in vitro de los microtbulos depende deIa concertacin de los dmeros de tubulina, de tal maneraque el microtbulo crece cuando la concentracin de tu-bulina es alta y se despolimeriza cuando las concentracio-nes de tubulina son bajas. En algn punto entre estas dos

470 Captulo 15 El citoesqueeto

,@^ P6',q n,d-e "o H'(v o H{.@'8#H-\ - /45

u d 6@o@o IOligopolios Protof i lamento

Figura 15.3 Modelo del ensamblaje de los microtbulos in vitro. Los microtbulos se forman a partir de subunidades compuestas por unamolcula de tubulina a y una molcula de tubulina B, unidas fuertemente formando un dmero, denominado heterodmero de tubulina aBo, simplemente, dmero de tubulina. O En el inicio del proceso de nucleacin, se pueden agregar varios dmeros de tubulina, enagrupaciones denominadas oligmeros. @ Algunos de ellos comienzan a formar cadenas lineares de dmeros de tubulina llamadasprotofilamentos. @ Los protofilamentos pueden asociarse despus uno a1 lado del otro formando lminas. @ Las lminas, que contienen 13o ms protofilamentos pueden cerrarse en un tubo, formando un microtbulo. @ La elongacin del microtbulo contina con la agregacinde subunidades de tubulina en uno o en ambos extremos.

Fasede e longac in

@ @

Dmerosde tubu l ina

condiciones se encuentra una concentracin de tubulinaen la que la polimerizacin est en perfecto equilibrio conla depolimerizacin. La concentracin de los dmeros eneste punto se denomina concentracin crtica global.

La incorporacin de los dimeros de tubulina tienelugar con mayor rapidez en los extremos ums,de los microtbulosLa polaridad estructural inherente a los microtbulos esdebida que los dos extremos difieren qumicamente. Otra

Lminas deprotof i lamentos

Fasede equ i l ib r io

Microtbulos consubun idades quese aaden y see l lm inan

diferencia importante entre los extremos es que uno deellos crece o se encoge mucho ms rpidamente que elotro. Esta diferencia en la tasa de polimerizacin, puede vi-sualizarse fcilmente mezclando las estructuras asociadasde los microtbulos que se encuentran en Ia base de los ci-lios, llamados corpsculos basales, con heterodmeros detubulina. Los corpsculos basales sirven de ncleo paralapolimerizacin en ambos extremos, pero los MTs crecenmucho ms rpidamente por un extremo que por el otro.(La posicin del corpsculo basal en un microtbulo en

88%@%ep%E

o o

Fase inicial lenta/ n r r l o a i n \

Dmerosindividuales.*o P c s @3,-- co coOligmeros

I-/ 03

crecimiento puede establecerse por su aspecto diferente almicroscopio electrnico; Figura 15.5). El extremo de creci-miento rpido del microtbulo se denomina extremoms, siendo el otro, el extremo menos.

Las diferentes tasas de crecimiento en los ertremos msy menos refleja diferencias en las concentraciones crticasque se requieren para la polimerizacin en ambos extre-mos del microtbulo; la concentracin crtica en el extre-mo ms es menor que en el extremo menol Si la concen-tracin de tubulina libre es mayor que la concentracincrtica para el extremo ms pero menor que la concentra-

Extremos ms

Corpsculo basal

]**"".*'**-

o5&m --

Figura 15.5 Ensamblaje polar de los microtbulos in vitro. Sepuede demostrar la polaridad en el ensamblaje de los MTs,aadiendo corpsculos basales a una solucin con dmeros detubulina. Los dmeros de tubulina se aaden a los extremos znls ymenos delos microtbulos del corpsculo basal. Sin embargo, losMTs que crecen desde el extremo zs son mucho ms largos queaquellos que crecen desde el extremo menos.

cin crtica para el extremo menos,entonces tendr lugar lapolimerizacin en el extremo ms, y la depolimerizaci1nen el extremo menos. Este ensamblaje y desensamblaje si-multneo produce el fenmeno conocido como recambiorotatorio (Figura 15.6). El recambio rotatorio surge cuan-do una determinada molcula de tubulina que se incorpo-ra en el extremo ms, se desplazada progresivamente a lolargo del microtbulo y finalemente se pierde, mediantedepolimerizacin, por el extremo menos.

La hidrlisis de GTP contrbuye a la inestabilidaddinmica de los microtbulosEn el apartado anterior, vimos que la tubulina puede poli-merizar in vitro en presencia de Mg2+ y GTP. De hecho, elGTP es necesario para el ensamblaje de los MT. Cada hete-rodmero de tubulina une dos molculas de GTP. La tubu-lina a une uno de los GTPs; el otro lo une la tubulina B, ypuede hidrolizarse a GDP instantes despus de que se aa-da el heterodmero al MT. Aparentemente se requiere GTPpara la polimerizacin de los MT, ya que la asociacin en-tre dmeros de tubulina unidos a GDP es demasiado dbilcomo para soportar la polimerizacin. Sin embargo,la hi-drlisis de GTP no es imprescindible para el ensamblaje,como se demuestra en experimentos en los que los micro-tbulos se hacen polimerizar a partir de tubulinas unidas aun anilogo no hidrolizable de GTP.

Los estudios de la polimerizacin de los MTs in vitroutilizando como centros de nucleacin centrosomas aisla-dos (una estructura que se tratar con detalle ms ade-lante) muestran que algunos microtbulos pueden crecerpor polimerizacin al mismo tiempo que otros se encogen

Extremo ms Extremo menosOn

E" lO)r'

--'tt---z$

f$*-$ _l / 'T

Figura 15.6 Cinta sin fln de los microtbulos. La polimerizacinde los microtbulos ocurre ms rpidamente en el extremo ms delMT que en el menos, Cuando la concentracin de tubulina esmayor que la concentracin crltica para el extremo ms,peromenor que la concentracin crltica para el extremo menos, elmicrotbulo puede aadir heterodmeros de tubulina a su extremoms,mientras que los pierde por su extremo mnos.

472 Captulo 15 El citoesqueleto

por depolimerizacin. Thnto es as que algunos microt-bulos de hecho, crecen a expensas de otros.

Para explicar cmo la polimerizacin y la depolimeri-zacin pueden ocurrir simultneamente, Tim Mitchison yMark Kirschner propusieron el modelo de inestabilidaddinmica. Este modelo supone la existencia de dos pobla-ciones de microtbulos, una que crece en longitud me-diante la continua polimerizacin en sus extremos ms yotra que disminuye en longitud por depolimerizacin.Ladiferencia entre las dos poblaciones estriba en que los MTsen crecimiento presentan la tubulina unida a GTP en susextremos ms, mientras que los MTs que estn disminu-yendo en tamao, presentan GDP. Debido a que las mol-culas de tubulina unidas a GTP tienen mayor afinidad en-tre ellas que por la tubulina unida a GDR la presencia deun grupo de molculas de tubulina unidas a GTP en el ex-fremo ms, da lugar a la formacin de un casquete de GTRque proporciona un extremo estable en el microtbulo, alque se pueden unir ms dmeros (Figura 15.7a). Se piensaque la prdida de GTP tiene como resultado la aparicinde un extremo inestable, en el que la depolimerizacinpuede tener lugar rpidamente.

La concentracin de tubulina unida a GTP es crucialpara el modelo de inestabilidad dinmica. Cuando haydisponibles muchas tubulinas unidas a GTR stas seaaden rpidamente al microtbulo, formando un grancasquete de tubulina-GTP. Sin embargo, si Ia concentra-cin de tubulina-GTP disminuye, la tasa de incorporacinde tubulina decrece. Cuando la concentracin de GTP-tu-bulina es suficientemente baja,la tasa de hidrlisis de GTPen las subunidades de tubulina B en las proximidades delextremo del MT, supera Ia tasa de incorporacin de tu-bulina unida a GTP nueva. Esto tiene como resultado elacortamiento del casquete de GTP. Cuando el casquetede GTP desparece, el MT se vuelve inestable, y la prdidade subunidades unidas a GDP se ve favorecida por suextremo,

Figura 15.7 El casquete de GTP y su funcin en la inestabilidaddinmica de los microtbulos. (a) Modelo que ilustra Ia funcindel casquete de GTP. Cuando Ia concentracin de tubulina es alta,la rapidez con la que se incorpora GTP-tubulina al extremo delmicotbulo es mayor que con la que se hidroliza el GTPincorporado. El casquete de GTP resultante estabiliza el extremodel MT y promueve el crecimiento. La tasa de crecimiento aconcentraciones menores de tubulina disminuve. aumentando lahidrlisis del GTP. Se forma as un extremo instable (sin casquetede GTP) que favorece la depolimerizacin del MT. La existencia dela inestabilidad dinmica est apoyada por datos experimentales.(b)Las fases de crecimiento y acortamiento se alternan en un MTindividual observado con microscopa ptica. Los extremos zs ymenos crecery se encogen independientemente. (c) La frecuenciade la catstrofe y el rescate del microtbulo dependen de laconcentracin de tubulina. La catstrofe, el cambio de crecimientoa acortamiento, es menos fiecuente con concentraciones detubulina elevada. El rescate, el paso de acortamiento a crecimiento,es ms frecuente con concentrciones altas de tubulina.

La observacin in vitro, con el microscopio ptico, demicrotbulos aislados, aporta evidencias directas de la in-estabilidad dinmica. Un mismo MT puede alternar entreperiodos de crecimiento y acortamiento (Figura 15.7b).Cuando un microtbulo pasa de la elongacin al acorta-

Tubu l ina-GDP Tubu l ina-GTP

CRECIMIENTO

miento, un fenmeno que se conoce como catstrofe delmiciotbulo, ste puede desaparecer completamente, opuede volver repentinamente a la fase de crecimiento, unevento denominado rescate del microtbulo.La frecuenciade la catstrofe est inversamente relacionada con la con-centracin de tubulina libre. Las concentraciones elevadasde tubulina hacen que la catstrofe sea ms improbable,aunque puede ocurrir. Cuando tiene lugar la catstrofe,una concentracin de tubulina alta hace ms probable elrescate de un microtbulo que est reducindose (Figura15.7c). La catstrofe es ms probable en el extremo ms deun MT, independientemente de la concentracin de tubu-lina, es decir,la inestabilidad dinmica es ms patente en elextremo ms del microtbulo. Se ha demostrado la inesta-bilidad dinmica en clulas vivas utilizando microscopade contraste interferencial-diferencial (DIC), mejoradapor vdeo, para seguir los ciclos vitales de MTs aislados (Fi-gura 15.8). Estos estudios han demostrado que el fenme-no de la inestabilidad dinmica no es exclusivo de los MTsin vitro.

Los microtbulos se orginan dentro de la clulaen centros organzadores de microtbulosEn los apartados anteriores hemos analizado principal-mente las propiedades de la tubulina y los MTs in vitro, loque nos ha proporcionado la base para entender cmofuncionan en la clula. Sin embargo, la formacin de MTsin vivo es un proceso ms ordenado y regulado, que pro-duce grupos de MTs en lugares determinados de la clulapara funciones celiilares especficas.

Los microtbulos normalmente se originan a partir deuna estructura celular denominada centro organizadormicrotubular (MTOC). Un MTOC sirve como un lugar enel que se inicia el ensamblaje de los MTs, alavez que pro-porciona un punto de anclaje para uno de los extremos deestos MTs. Muchas clulas durante la interfase tienen unMTOC llamado gglpgry que est situado cerca delncleo. En las clulas animales, el centrosoma est com-puesto normalmente po, dosfftrrodeados por unmaterial granuloso difuso conocido como material peri-centriolar (Figura 15.9a). En micrograffas electrnicas delcentrosoma, se puede observar que los MTs se forman apartir del material pericentriolar (Figura 15.9b). La estruc-tura simtrica de los centriolos es extraordinaria (Figura15.9a). En la mayor parte de los casos, los centriolos seorientan perpendicularmente uno con respecto al otro:larazn de esta colocacin no se conoce an. Se sabe que lotcentriolos estn implicados en la formacin de los corpris-culos hasales, que son importantes para la formacin delos cjqs y los.flagelos (vase Capitulo 16). El papel de loscentriolos en las clulas no ciliadas es menos claro. En lasclulas animales, los centriolos pueden servir para reclutarel material pericentriolar al centrosoma, que servir poste-riormente como ncleo para el crecimiento de los MTs.

(e) (f) F 1orm---rFigura 15.8 La inestabllidad dinmica de los microtbulos in vivo.Los microtbulos de una clula viva, observados por microscopade contraste interferencial-diferencial (DIC), mejoradadigitalmente, presentan inestabilidad dinmica in vivo. Los MTs,indicados aqu con varios tipos de flechas, se han registrado a lolargo del tiempo, desde (a) hasta (f). Los MTs crecen hasta el bordede la clula y despus se acortan rpidamente. Para una explicacindel microscopio DIC, consultar el Apndice.

Cuando los centriolos no estn presentes en las clulas ani-males, se dispersa el material que sirve como ncleo para elcrecimiento de los MTs, y desaparece el MTOC. Las clulasque no poseen centriolos pueden dividirse, probablementeporque los cromosomas sean capaces de organizar a losMTs a partir de alguno de sus extremos. Sin embargo, loshusos que se forman estn poco organizados. A diferenciade las clulas animales, las clulas de los vegetales superio-res no poseen centriolos; esto indica que los centriolos noson imprescindibles parala formacin de MTOCs.

Los grandes complejos proteicos con forma de anillo,propios del centrosoma, contienen otro tipo de tubulina, latubulina y. Se pueden ver los anillos de tubulina y en labase de los MTs que emergen del centrosoma (Figura15.10). Los complejos con forma de anillo de tubulina ysirven como ncleo para el ensamblaje de nuevos MTs

(a)

(c)


Materialpericentr iolar

Centr iolos

Microtbulos

(c, Microtbulo 1,4 p,m

Figura 15.9 Gentrosoma. (a) En las clulas animales, elcentrosoma est formado por dos centriolos y un materialpericentriolar asociado. Las paredes de los centriolos estncompuestas por nuee tripletes de microtbulos. (b) Micrograffaelectrnica del centrosoma, mostrando los centriolos y el materialpericentriolar. Obsrvese que los microtbulos se originan a partirdel material pericentriolar. (c) Nucleacin y ensamblaje de MTs enun centrosoma in vitro.

--tsir-m-

Figura 15.10 ltubulina en la base de los microtbulos que seod$nan desde el centrosoma. Micrografla electrnica de un MTque se origina desde el centrosoma. La tubulina 7 fue marcada aqulcon anticuerpos unidos a pequeas partlculas de metal, En lamicrografa electrnica, estos anticuerpos aparecen como esferasbrillantes (TEM).

desde el centrosoma. En el centrosoma tambin se encuen-tran otras protenas, como la pericentrina. Aparte del cen-trosoma, ciertos tipos celulares poseen otros MTOCs. Porejemplo, los corpsculos basales de la base de cada cilio enlas clulas ciliadas funcionan tambin como un MTOC.

Los MTOCs organzan y polarzan los microtbulosen la clulaEl centrosoma u organizador microtubula desempea unpapel importante en el control de la organizacin de losmicrotbulos en la clula. El aspecto ms importante deesta funcin, probablemente sea la capacidad del MTOCde nuclear y anclar los MTs. Gracias a esta capacidad, losMTs se extienden desde el MTOC hacia la periferia de laclula. Es ms, crecen desde el MTOC con una polaridaddeterminada -sus sxtsrnos menosanclados en el MTOC,y sus extremos fins.extendindose hacia la membrana ce-lular-. La relacin entre el MTOC y la distribucin y po-laridad de los MTs se muestra en la Figura 15.11.

El MTOC tambin influye en el nmero de microtbu-los de una clula. Cada MTOC tiene un nmero limitadode sitios de nucleacin y anclaje que determinan cuntosMTs pueden formar. No obstante, la capacidad de nuclea-cin de MTs del MTOC puede modificarse durante ciertosprocesos como la mitosis. Por ejemplo, la cantidad de peri-

Centrosoma

Microtbulos 475

/("lt-')Centrosoma

Extremo apical

l l n r n r i c n r r l n c

basales (MTOC)

Extremo basalHaz marginal

de microtbulos(polaridad mixta)

(c) Eri trocito(a) Clula nerviosa (b) C lu la ep i te l ia l c i l iada

Centrosoma Centrosomas(MTOC)

Cromosomas

(d) C lu la en d iv is inFiguta 15.11 Efectos de la poladad de los microtbulos en su orientacin dentro de las clulas animales. En la clula, la distribucin de lamayoria de los microtbulos, viene determinada por el centro organizador de microtbulos (MTOC), que en muchas ocasiones es uncentrosoma. La orientacin de los MTs en una clula puede variar con 1a funcin de esa clula. Los microtbulos se sealan en naranja.(a) Las clulas nerviosas poseen dos grupos de MTs, aquellos que se encuentran en el axn y aquellos que estn en la dendrita. Los MTsaxonales estn unidos al centrosoma por su extremo meno5 con sus extremos ms en el extremo del axn. Por su parte, los MTs de ladendrita no estn asociados con el centrosoma y tienen polaridades mi-xtas. (b) Las clulas epiteliales ciliadas tienen muchos MTOCsdenominados corpsculos basales, uno en la base de cada cilio. Los MTs ciliares se originan con su extremo menos en los corpsculos basalesy se alargan con su extremo mshacia el extremo del cilio. (c) Los eritrocitos humanos maduros no poseen ni ncleo ni MTOC. Noobstante, tienen MTs, cuya polaridad es mixta y forman una banda circular en la periferia de la clula. Esta banda ayuda a mantener suforma discoidal (d) A lo largo del proceso de la mitosis, los MTs de una clula en divisin estn orientados con sus extremos menos ancladosen el centrosoma y sus extremos ms apwlando lejos de 1. La divisin celular est precedida por la divisin del centrosoma. Despus los doscentrosomas se separan, y forman cada uno un polo del huso mittico. En la metafase, los centrosomas se encuentran en lados opuestos dela clula. Cada centrosoma, o polo del huso, forma la mitad de los MTs del huso, algunos de los cuales se extienden desde el polo hasta loscromosomas, mientras qr,re otros 1o hacen desde un polo hasta el otro.

centrina flucta durante la mitosis, siendo ms alta en laprofase y la metafase, cuando los polos del huso muestranla mayor actividad nucleadora.

La estabilidad de los microtbulos est estrechamenteregulada en las clulasLa capacidad de nuclear de los MTOCs, como el centroso-ma, tiene una consecuencia importante para la dinmicade los microtbulos en las clulas. Debido a que los extre-mos menos de muchos MTs estn anclados al centrosoma,el crecimiento y acortamiento dinmico de estos microt-bulos en sus extremos msliende a suceder en la periferiade las clulas.

Ya hemos visto que los microtbulos celulares presen-tan una inestabilidad dinmica: crecen desde el centroso-ma y despus se desensamblan. Este proceso puede ocurriras en los MTs de vida corta, distribuidos a\ azar en la clu-la, pero no en los grupos organizados y estables. Los MTsson generalmente demasiado inestables para permanecerintactos durante mucho tiempo y se colapsan si no se esta-bilizan de alguna manera. Una forma de estabilizar los MTses (capturar> y proteger sus extremos mas en crecimiento.

Durante la mitosis se puede observar un buen ejemplode cmo esta captura de los microtbulos, produce unconjunto de MTs ordenados de una manera precisa (Fi-gura 15.11d), como analizaremos en el Captulo 19.Antesde la profase, el centrosoma se replica, dando lugar a dos

rl,

ii0-dil

({tt i l| l t !

F,f t f1 li t

+-t tt i! t1t! tCIl !t i l

I nterfaseffi

Profase temprana Metafase


centrosomas hijos. stos se separan durante la profase'temprana y se mueven a lados opuestos de la clula, don-de sirven como los polos del huso mittico. Cuando sedesorganiza la membrana nuclear, los cromosomas seconectan con los polos por medio de los MTs. Para esta-bilizar estas conexiones, el cinetocoro de cada cromosomacaptura los extremos ms de los MTs. Aquellos MTs quea medida que crecen desde el polo del huso, encuentrenun cinetocoro, sern capturados y estabilizados. Aquellosque no lo encuentren se desorganizarn finalmente, porinestabilidad dinmica, y sern reemplazados por unosnuevos que experimentarn el mismo proceso. A travsde sucesivos ciclos de crecimiento y depolimerizacin deMTs, el cinetocoro de cada cromosoma capturar final-mente un MT y se conectar a los polos del huso acro-mtico.

Los cinetocoros no son los nicos lugares donde se es-tabilizan los extremos ms de los MTs. Los MTs asociadoscon e\ crtexcelular, la red de actina desarrollada por deba-jo de la membrana plasmtica, son estabilizados en algu-nas situaciones. Tanto en el cinetocoro como en el crtex,existen unas protenas de extremos ms quese asocian con dichos extremos de Ios MTs. Se cree que es-tas protenas, ya sea directa o indirectamente, estabilizanlos extremos msy disminuyen la probabilidad de que su-fran una prdida catastrfica de subunidades.

Ciertas drogas afectan al ensamblaje de los microtbulosExisten varias drogas que afectan el ensamblaje de los mi-crotbulos. La ms conocida es la colchicina, presentadaanteriormente en este capltulo, que acta unindose a losdlmeros de tubulina. El complejo cochicina-tubulina re-sultante, puede unirse al extremo en crecimiento del MT,pero bloquea Ia incorporacin posterior de molculas detubulina y desestabiliza la estructura, promoviendo por lotanto la depolimerizacin del MT. La vinblastinayla vin-cristinason compuestos relacionados que se obtienen de lavinca menor (Vinca minor), que provocan la agregacin dela tubulina en el interior de la clula. El nocodazol (unbenzimidazol sinttico) es otro compuesto que inhibe lapolimerizacin de los MTs y se usa frecuentemente en al-gunos experimentos en lugar de la colchicina, porque susefectos se pueden revertir con mayor facilidad cuando seretira la droga.

Estos compuestos se conocen como drogas antimitti-cas porque desorganizan el huso mittico de las clulas endivisin, bloqueando el progreso de la mitosis. La sensibi-lidad del huso mittico a estas drogas es comprensible yaque las fibras del huso estn compuestas por muchos mi-crotbulos. La vinblastina y la vincristina tienen tambinaplicacin mdica como drogas anticancerosas. Se utilizancon este propsito porque las clulas cancerosas se dividenrpidamente y son, por lo tanto, ms susceptibles a las dro-gas que interfieren con el huso mittico.

El taxol, que tambin ha sido presentado anteriormen-te en este captulo, tiene el efecto contrario en los microt-bulos: cuando se une a los MTs, los estabiliza. Dentro de lasclulas, provoca que la tubulina libre se una, formandoMTs y secuestrando a las clulas en mitosis. As, tanto el ta-xol como la colchicina bloquean a las clulas en la mitosis,pero lo hacen produciendo efectos opuestos en los MTs, ypor tanto, en las fibras del huso mittico. El taxol se usatambin en el tratamiento de algunos tipos de cncer, enespecial en el de cncer de mama.

Los microtbulos estn regulados en toda su longitudpor protenas asociadas a microtbulosSe sabe que ciertas protenas modulan la estructura, el en-samblaje y la funcin de los microtbulos. Estas protenasasociadas a los microtbulos (MAPs) representan el 10-l5o/o de la masa de MTs aislados de las clulas. Las MAPsconfieren un nivel de regulacin extra a la organizacinyfunciones de los MTs. Para modular Ia funcin de los MTs.muchas MAPs se unen a ellos a intervalos regulares, for-mando proyecciones desde la pared, que permiten la inter-accin con otros filamentos y estructuras celulares. LasMAPs son tambin importantes en la regulacin del en-samblaje de los MTs, probablemente unindose al extremoms en crecimiento de un microtbulo y estabilizndolo ypreviniendo as su desensamblaje. Se ha demostrado que lamayora de las MAPs aumentan la estabilidad de los MTs, yalgunas pueden incluso estimular su ensamblaje. Las dife-rentes MAPs difieren principalmente en la forma en la queunen MTs entre s o con otras estructuras, y en cmo se re-gulan sus efectos en los MTs.

La funcin de las MAPs ha sido muy estudiada en lasclulas cerebrales, ya que constituyen la fuente principal deestas protenas. Se pueden distinguir dos clases de MAPsasociadas a los MTs de las clulas cerebrales: las protenasmotoras asociadas a los MT (MAPs motoras) y las MAPsno motoras. Las MAPs motoras se denominan asl porqueusan AIP para dirigir el transporte de vesculas u orgnu-los o para generar fuerzas de deslizamiento entre MTs. En-tre ellas se encuentran la quinesina y la dinena. Estudiare-mos estas protenas ms detalladamente en el Captulo 16.

Las MAPs no motoras parecen controlar la organiza-cin de los microtbulos en el citoplasma. Un ejemplo lla-mativo de dicha funcin puede observarse en las neuronas.El correcto funcionamiento del sistema nervioso dependede las conexiones que establecen las neuronas entre s, ycon otros tipos celulares. Para ello, las neuronas emitenprolongaciones llamadas neuritas, que se encuentran re-forzadas por haces de MTs. Las neuritas al final se diferen-cian en axones, que transportan seales elctricas desde elcuerpo celular de Ia neurona, y en dendritas, que recibenseales de las clulas vecinas y las transportan al cuerpo ce-lular. Los haces de MTs son particularmente ms densos enlos axones que en las dendritas.

Microtbulos477

Larazn de estas diferencias radica en que las dendritasy los axones contienen diferentes MAPs. Por ejemplo, unaMAP especfica de axones llamada Thuhace que los MTsformen haces tensos. Una familia de MAPs denominadaMAP2 est presente en las dendritas y provoca que los ha-ces de MTs sean ms laxos.

Se puede demostrar la importancia de las MAPs en elproceso de formacin de neuritas introduciendo Ia prote-na Tau en una lnea celular no neuronal que normalmen-te no puede fabricar ninguna de estas protenas. Estas c-Iulas son redondas en condiciones normales, pero cuandose introduce el gen de tau y se expresa, estas clulas ex-tienden prolongaciones largas, notablemente similares alos axones.

La diversidad de las MAPs puede ayudar a explicarcmo pueden diferir las clulas en la organizacin de susmicrotbulos. Adems,la funcin de algunas MAPs puedealterarse mediante fosforilacin, lo que proporciona a laclula un medio rpido de control de la organizacin de losmicrotbulos.

MicrofilamentosCon un dimetro cercano a los 7 nm, los microfilamentos(MFs) son los filamentos ms pequeos del citoesqueleto(vaseTabla 15.1). El aspecto mejor conocido de los mi-crofilamentos es la funcin que desempean en las bpscontr"riles de las clulas mrtscrll^""", donde interaccionancon filamentos de miqsila, ms gruesos, para provocar lascontraccin caracterstiCa del msculo. Sin embargo, losMFs no son exclusivos de las clulas musculares; estn pre-sentes en casi todas las clulas eucariotas y participan enmuchos otros fenmenos, que incluyen varias funcioneslocomotoras y estructurales.

Algunos ejemplos de los movimientos celulares enlos que participan los microfilamentos son el movim.ien-taryeboide, movimiento de las clulas sobre un sustratoal que estn unidas, y las corrientes citoplsmicas, trnpatrn de flujo citoplsmico regular de algunas clulasvegetales y animales. Los MFs tambin producen los sur-cos de segmentacin que dividen el citonlasma de las c-lulas animales durante la citocinesis. Trataremos con msdetalle todos estos fenmenos en el Capltulo 16. Los MFstambin estn presentes en los lugares de unin de unaclula con otra y con la mat"riz extracelular (vase Capi-tulo 17).

Adems de mediar algunos tipos de movimientos celu-lares, los MFs tamantenimiento de lu fogq" ..lolut Por ejemplo, casi tgdas

rincada red de microfi-lamentos justo debajo de la membrana plasmtica que sedenomjna crleix celular. El crtex aporta rigidez estruc-tural en la superficie de la clula y facilita los cambios deforma y el movimiento celular. Por otra parte, el ncleo

estructural de las microvellosidades, las extensiones en for-ma de dedo que se encuentran en la superficie de muchasclulas animales, est formado por haces paralelos de MFs(vaseFigura 4.2).

La actina es la protena con la que se construyenlos microfilamentos

La actina es una protena extremadamente abundante enprcticamente todas las clulas eucariotas, incluyendo lasclulas de las plantas, las algas y los hongos. La actina sesintetiza como un nico polipptido de 375 aminocidos,con un peso molecular aproximado de 42 kDa. Una vezsintetizada, se pliega tomando una forma similar a una U,con una cavidad central que une AIP o ADP (Figura15.12).Las molculas individuales de actina se denominanactina-G (actina globular). Bajo las condiciones apropia-das, las molculas de actina-G polimerizan para formarmicrofilamentos; esta forma, se conoce como actina-F (ac-tina filamentosa). La actina, tanto en su forma G como Fis,eune a muchas otras protenas. Estas protenas de unin aactina bien regulan y modican la funcin de la actina,bien son reguladas u organizadas ellas mismas por la aso-ciacin con la actina.

Figura 15,12 Estructura molecular de un monmero de G-actina.La cristalograffa de rayos X muestra que el monmero de actina-Gtiene una conformacin similar a una U. Un nucletido (AIP oADP) se une reversiblemente en una cavidad de la protena.Cuando los monmeros de actina-G pomerizan formandoF-actina, Ia entrada de la cavidad se tapa por otro monmerode G-actina, atrapando en el interior el nucletido unido. Adems,la unin de una actina-G a otra, provoca que la entrada a la cavidadse cierre ms fuertemente sobre el nucletido unido, promoviendola hidrlisis del AIP.

478 Gaptulo 15 E citoesqueleto

En las clulas existen difetentes tipos ie actinasy de protenas lelacionadas con la actinaLa actina es la ms conservada de los tres tipos de protenasdel citoesqueleto. En ensayos funcionales, todas las actinasparecen idnticas y las de diferentes organismos puedencopolimerizar en filamentos. A pesar de este alto grado desimilitud en la secuencia, las actinas son diferentes entrediferentes organismos y entre distintos tejidos de un mis-mo organismo. Bsndonos en la similitud en la secuencia,podemos. distinguir dos grandes grupos principales: las ac-tinas especficas del msculo (actinas a) y las actinas nomusculares (actinas fryy).Enelcaso delas actinas Fyy,seha demostrado recientemente que se localizan en diferen-tes regiones de la clula y que parece que interaccionan demanera diferente con las protenas de unin a actina. Porejemplo, en las clulas epiteliales, que presentan una reginapical, dotada de microvellosidades, y otra basal, unida a lamatriz extracelular (vaseFigua 17.17),la actina B se en-'cuentra predominantemente en el extremo apical, mien-tras que la actina 1, se concentra en el extremo basal y en loslados de la clula.

Ademdde los diferentes tipos de actinas, existe una co-leccin de protenas parecidas, que se denominanpygiagrebcjpnaaas conJs-ejgt (Arpt.El grado de semejanzacon las actinas es menor y as, por ejemplo, las actinas delas levaduras y del pollo son idnticas en ms del 90%o desus aminocidos, mientras que las Arps presentan slo el50olo de similitud con varias actinas diferentes. Como vere-mos ms tarde en este capltulo, Arp2y Arp3 participan enla nucleacin de nuevos microfilamentos en las clulas enmigracin.

Los monmeros de actna-G polimedzanen microflamentos de actna-FDe manera parecida a los dmeros de tubulina, los mon-meros de actina-G pueden polimerizar reversiblemente enfilamentos, con una fase de iniciacin lenta que correspon-de a la nucleacin del filamento, seguida por una fase msrpida de crecimiento del polmero. La cintica de la poli-merizacinde la actina puede estudiarse en una disolucin,utilizando actina-G fluorescente. Se puede medir la fluores-cencia de la actina-F marcada, para obtener datos muy si-milares a los de la tubulina. Los filamentos de actina-F quese forman, estn compuestos por dos hebras lineales deactina-G polimerizada, unidas una a la otra formando unahlice, con ms o menos 13,5 monmeros de actina porvuelta (Figura 15.13).

Todos los monmeros de actina estn orientados en lamisma direccin dentro de un mismo microfilamento,por lo que el MR al igual que el microtbulo, posee unapolaridad inherente, con un extremo que difiere del otrotanto qumica como estructuralmente. Dicha polaridadpuede ser fcilmente demostrada incubando a MFs con elsubfragmento lde la miosina (S1), un fragmento proteo-Itico de la miosina (Figura 15.14). Los fragmentos S1 seunen, o , a los MFs de actina siguiendo un pa-trn en forma de flecha, con todas las molculas de Slapuntando en la misma direccin (Figura 15.14c). Basn-dose en este patrn en forma de flecha, frecuentemente seutilizan los trminos extremo puntiagudo y extremo bar-bado, para identificar los extremos menos y ms, respecti-vamente, de un MF. La polaridad en el MF es importanteporque permite una regulacin independiente de la poli-

ATP ADp l

Miosina

merizacin y depolimerizacin de la actina, en cada extre-mo del filamento.

La polaridad de los microfilamentos se refleja en la in-corporacin o prdida de actina-G, ms rpida en el extre-mo ms, y la incorporacin o prdida de actina-G, mslenta en el extremo menos (Figura 15.13a). Si se aade ac-tina-G a pequeos fragmentos de actina-F decorada conS1, la polimerizacin suceder mucho ms rpida en elextremo barbado, lo que indica que este extremo del fila-mento coincide con el extremo ms.Aunque las condicio-nes sean favorables para la incorporacin de monmerosen ambos extremos del filamento, el extremo ms crecerms rpido que el extremo meno*

A medida que los monmeros de actina-G se ensam-blan al microfilamento, el$! que llevan unido se hidroli-za lentamente {4B de la misma manera que el GTP uni-do a la tubulina se hidrolizaba a GDP. As, los extremos encrecimiento de un MF tienden a tener AlP-actina-F, mien-tras que la mayor parte del MF est compuesto por ADP-actina-F. No obstante, la hidrlisis del ATP no es un requi-sito indispensable para la elongacin el MR ya que los MF

Extremo menos Extremo menos (apuntado)

Subunldadde actina

Segmentode miosina

pueden tambin elongarse con ADP-actina-G o a partir deanlogos no hidrolizables de AlP-actina-G.

Las clulas pueden regular dinmicamente la maneray el lugar donde se ensambla la actinaComo acabamos de ver, al igual que ocurre con los micro-tbulos, las clulas pueden regular dinmicamente dndey cmo debe ensamblarse Ia actina-G, para formar los mi-crofilamentos. Las clulas que se desplazan por un sustra-to, tienen estructuras especializadas en su extremo deavance, denominadas lamelipodios y filopodios,que les per-miten caminar sobre la superficie (trataremos con ms de-talle estas estructuras especializadas en el Captulo 16). Eltipo de protrusin parece depender de la naturaleza delmovimiento celular y de Ia organizacin de los filamentosde actina en la clula. En aquellas clulas que estn fuerte-mente adheridas al sustrato y que no se mueven bien, exis-ten unos haces de actina, denominado s fibras de estrs o derefuerzo, que se extienden desde la cola de la clula, o este-Ia hasta el frente (Figura 15.15a). Las clulas que se mueven

Cabezas

Subfragmento 1( s1 )^mfl-v

Subfragmentol(S t

K+Meromiosina l igera

(LN/M)

(b) Tratamlento posterior c. +';^^i^^ |AqOOOOI +Subfragmento 2(s2) Extremo ms l---------------

0,25 um ' Extremo rns (barbado)(c) EM y diagrama de los fragmentos 51

"decorando"microf i lamentos de actina

Figuta 15.14 Utilizacin de subfiagmentos de miosina 51 pala determinar la poladdad de la actina, La miosina II forma parte de Iamaquinaria contrctil de Ias clulas musculares. La cabeza globular de ia molcula de miosina se une a la actina, mientras que las colas demiosina pueden asociarse con filamentos de miosina (los miofilamentos gruesos de las clulas musculares). (a) La miosina II puede serescindida por accin de proteasas, como Ia tripsina, en dos partes, la meromiosina pesada (HMM) y la meromiosina ligera (LMM). (b) LaHMM puede digerirse posteriormente, quedando slo Ia cabeza globular. Este fragmento, denominado, subfragmento I de ia miosina (Sl),conserva sus propiedades de unin a actina. (c) Cuando se incuban los microfilamentos de actina con la miosina Sl y se examina despuscon un microscopio electrnico, los fragmentos Sl parecen los microfilamentos como puntas de flecha. Todas las puntas de flechaS 1 sealan el extremo menos, indicando la polaridad del MF.


Fibra de estrs

Figura 15.15 Alquitectuta de la actina enlas clulas que se anasttan, La actinaest presente en diferentes estructuras enclulas reptantes, como este macrfago.(a) Las fibras de estrs, haces contrctilesde actina, recorren la clula desde el ladode la cola hasta el frente de avance. (b) Enla periferia de la clula se encuentra elcrtex, que est constituido por una mallade filamentos de actina entrecruzadosformando un gel. (c) El extenso lado deavance de los lamelipodios puedeproducir proyecciones delgadas, conforma de dedo, llamadas filopodios.Mientras que la mayor parte de loslamelipodios tienen una malla de actina,los filopodios presentan haces paralelosde filamentos de actina. (a) Haz contrctil

rpidamente no poseen estos haces de actina tan peculia-res. En estas clulas, el crtex celular, que subyace inmedia-tamente bajo la membrana plasmtica y que Presenta mu-cha actina, est entrecruzado formando un gel o unentramado laxo de microfilamentos (Figura i5.15b). En elextremo de avance, y principalmente en los $op95!!99, losmicrofilamentos forman cables polarizados y altamenteorientados, con su extremo barbado (ms) orientado haciala punta de la protrusin (Figura 15.15c). La actina de Ioslamelipodios est peor org^nizada que la de los filopodios(Figura 15.16). La comprensin de cmo las clulas regu-lan tal variedad de estructuras basadas en actina, requiereentender cmo las clulas pueden regular la polimeriza-cin de los MFs y cmo los MFs, navezyapolimerizados,establecen redes.

Ciertas proteinas y drogas especficas afectana la dinmica del polimeto en los extremosde los mictofilamentos

Las clulas controlan el proceso de polimerizacin del MFen varios puntos, incluyendo la nucleacin de nuevos MFsyla elongacin de los MFs ya existentes; tambin controlanla tasa de depolimerizacin de actina. Tanto las protenascomo los lpidos de membrana regulan la formacin' esta-bilidad y la ruptura de los MFs. Aqu participan varias pro-tenas de unin a actina, fosfolpidos de inositol, que se en-cuentran en la cara interna de la membrana plasmtica, yRAc, Rho y Cdc42, que son protenas reguladoras peque-as que ligan GTP (protenas G monomricas).

En ausencia de otros factores, el crecimiento de los mi-crofilamentos depende de la concentracin de actina-G

(b) Gel (c) Haces paralelos

Haces de actinaen los f i lopodios

Red deactna en ellamelipodio

T,sp^-Figura 15.16 Micrografia electrnica de cilogtabado ptofundomostrando los haces de actina en los filopodios. Esta vista de laperiferia de un macrfago muestra dos grandes haces de actinadentro de los filopodios que se extienden desde la superficie celular.Los frlamentos de actina en los filopodios se fusionan con una redde filamentos de actina que yacen justo debajo de la membranaplasmtica del lamelipodio.

Crtex celular Fi lopodio

Microfilamentos481

unida a ATP. Si es elevada, se formarn microfilamentoshasta que la concentracin de actina-G unida a AIP sea li-mitante. Sin embargo, en la clula no se dispone de unagran cantidad de actina-G libre para la formacin de mi-crofilamentos, porque la mayoria est unida a la protenatimosina p4.En la transferencia de monmeros de actina-G desde el complejo timosina B4 al extremo de un microfi-lamento en crecimiento, parece estar implicada una segun-da protena llamada profilina, pero esto slo sucede siexisten filamentos con extremos libres disponibles. Se sabeque otra protena, conocida como ADF/cofilina, es capazde unirse a ADP-G-actina y a F-actina; se cree que laADF/cofilinaincrementa la tasa de recambio de IaADP-ac-tina-G en los extremos tnenos de los MFs. Esto hace que laADP-actina-G liberada, est disponible para ser convertidaen ATP-actina-G, que puede ser reutilizada y aadirse a losextremos ms en crecimiento de los MFs,

Las drogas que provocan la depolimerizacin de losmicrofilamentos afectan a la capacidad de la clula para in-corporar actina-G en los extremos ms de los MFs. Lascitocalasinas, presentadas anteriormente, bloquean la in-corporacin de nuevos monmeros a los MFs polimeriza-dos existentes. Como las subunidades se pierden gradual-mente por los extremos menos, al finaj p.orroiur urrudepolimerizacin. Por el contrario, la latrunculinaA actasecuestrando los monmeros de actina, impidiendo su in-corporacin en los extremos ms de los MFs en crecimien-to. En ambos casos, el resultado neto es la prdida de losMFs en las clulas tratadas.

El crecimiento depende adems de que los microfila-mentos estn o no encasquetados. El encasquetamiento

' tiene lugar cuando una protena casquete se une al extemodel filamento e impide la incorporacin o prdida adicio-nal de subunidades, provocando as su estabilizacin. Unade estas protenas que acta como una capucha en los ex-tremos ms de los microfilamentos se denomina CapZ,Cuando Capz se une al extremo del filamento se bloquea laincorporacin adicional de subunidades en el extremoms; ctando CapZ se quita, puede reanudarse la incorpo-racin de subunidades.

Los fosfolpidos de nostol regulan a las molculasque afectan a la polimerizacin de la actinaLos fosfolpidos de inositol son uno de los fosfolpidos demembrana. Un derivado del inositol, el inositol trifosfato(IPr), es un componente clave en la va de sealizacin atravs de protenas G heterotrimricas, como veremos enel Captulo 14. Los grupos hidroxilo del anillo inositol delfosfatidil inositol, otro derivado del inositol, pueden serfosforilados en el citoplasma por quinasas especficas, pro-ducindose varios productos fosforilados conocidos comop olifo sfoino stido s. Ngunos polifosfoinostidos se unen aprotenas de unin a actina. Por ejemplo, el fosfatidil inosi-tol (4,5) btfusfato (una de las formas del PIP'), puede unir-se a la profilinay a CapZ, y se cree que regula la capacidad

de estas protenas de interaccionar con la actina. CapZ seune fuertemente a PIP2, lo que tiene como resultado su eli-minacin del extremo del microfilamento, permitiendo deesta manera, tanto la depolimerizacin del filamento,como el incremento de monmeros disponibles para laformacin de nuevos filamentos.

La ramificacin de la actna est controlada por elcomplejo Atp2/3Adems de los filamentos individuales de actina que sealargan o encogen, existen otras redes de actina en las clu-las. Por ejemplo, los lamelipodios contienen filamentos deactina que constituyen una red en forma dendrticao de r-bol (Figura 15.I7a). Ya hemos comentado anteriormenteque los extremos barbados de las ramas rectas formadaspor la polimerizacin de monmeros de actina por mediode la profilina, se encuentran probablemente bloqueadospor protenas casquete. En el lamelipodio intervienen ade-ms protenas adicionales. El complejo complejo Arp2l3,constituido por protenas relacionadas con la actina, parti-cipa en la ramificacin mediante la nucleacin de variasramas en los lados de filamentos ya existentes, fenmenodemostrable cuando se aade actina-G fluorescente (porejemplo, monmeros marcados con un colorante rojofluorescente) a microfilamentos formados por actina mar-cada con una seal fluorescente diferente (por ejemplo, uncolorante verde). Se observa que brotan ramas rojas de losmicrofllamentos verdes existentes cuando se aaden com-plejos Arp 213 activados (Figura 15,17b). Si se examinanlas ramas utilizando anticuerpos que detectan Arp2l3, seobserva que los complejos Arp2l3 se encuentran en lospuntos de ramificacin (Figura l5.l7c). Los miembros deuna familia de protenas, que incluye ala protena del sn-drome de Aldrich o WASP, activan la ramificacin a travsde Arp2l3. Los enfermos que no pueden producir WASPfuncional, tienen un dficit en la capacidad de sus plaque-tas de cambiar de forma, y como consecuencia tienen pro-blemas de coagulacin sangunea.

La polimerizacin de actina puede regularse indepen-dientemente del complejo Arp2l3,a travs de protenas co-nocidas como forminas. Las forminas son necesarias paraensamblar ciertas estructuras de F-actina, como los hacescompactos y el anillo contrctil de la divisin celular (va-se Captulo l9).

Rho, Rac y Cdc-42 regulan la polimerizacin de la actinaLa clulas en migracin deben regular cundo y dndeforman expansiones, organizando redes de actina en di-chos lugares y desorganizndolas cuando ya no se nece-siten ms. Un caso llamativo de dicha regulacin es elcambio dramtico que experimenta el citoesqueleto en c-lulas expuestas a determinados factores de crecimiento.Por ejemplo, los fibroblastos crecen, se dividen y formanextensiones membranosas ricas en actina, similares a los


'0,2 pm (b)

f o Crecimiento porlos extremosbarbados

, t Protenascasquete

en los lateralesde los filamentos I L,

protenacasquereflnaliza laelongacin

o

t'tOi

^rPlo t-crotelnao" t

o ?.

;=t=- 'Las protenas de lafamilia WASP activanal complejo Arp2/3

CITOSOLReservorio de prof i lina-actina

(d)

Figun 15.12 El complejo Atp2/3 y las redes ramificadas de actina. Las redes de actina, como las que se encuentran en las clulas enmigracin, presentan un patrn de ramificacin caracterstico. (a) Filamentos de actina ramificados en un queratocito de una rana. Losfilnentos e actina ramificados estn coloreados para facilitar su identificacin (TEM de criograbado profundo). (b) La actina polimerizaformando ramas cuando se aaden monmeros d actina marcados fluorescentemente (rojo), y protenas WASP y Arp2l3, a filamentos deactina preexistentes marcados con fluorescencia (verdes). Algunas ramas forman filamentos nuevos de actina (medio), mienttas que otras,u-", i. forman en los laterales de filamentos de actina preexistentes (parte superior) (microscopa de fluorescencia). (c) La protelna Arp2l3(detectada mediante el uso de anticuerpos conjugados cn partculas de oro, en amarillo), se localizan en los puntos de ramificacin (TEMiriograbado profundo). (d) Modelo de ramificacin depeniente de Arp2l3. Las protenas de la familia WASP estimulan Ia ramificacin; lasprotenas casquete participan en la regulacin de la longitud de las nuevas ramas.

lamelipodios, cuando son estimulados por el factor de cre- miento, como el PDGF y el LPA, eierzan sus efectos. Cadacimieito derivado de plaquetas (PDGF) Otros factores, una de estas protenas provoca efectos profundos y dife-como el cido lisofosfutil.o (LPA) inducen a las clulas a rentes en el citoesqueleto de actina (Figura 15.18).formar fibras de estrs. Por ejemplo, la estimulacin de la va de Rac tiene como

Cmo provocan dichas seales tal espectacular reor- resultado la extensin de lamelipodios y la inhibicin degaiizacinin el citoesqueleto de actina? Muchas de estas Rac impide esta respuesta normal al PDGF De una manerai'eRales producen camblos en el citoesqueleto de actina a similar, la activacin de la va de Rho tiene como resultadotravs de su accin sobre un pequeo grupo de protenas Ia formacin de fibras de refuerzo, y la inactivacin de Rhorelacionadas con la proterru *ono-rica Ras, que est impide la aparicin de estas fibras, despus de la exposicinimplicada en la traniduccin de seales mediadas por re- de los fibroblastos a LPA. Por ltimo,la activacin de Cdc42."pto. (vase Capitulo l4). Las pequeas protenas-G Rac, produce la formacin de filopodios. Estos esultados indi-Rho y Cdc42son importantes ieguladores de la polimeri- can que las protenas G pequeas regulan la formacin dezaci,nde actina, deniro de las clulas. De hecho, estas pro- diferentes tipos de protrusiones. Lo llevan a cabo regulandotenas son imprescindibles para que los factores de creci- la polimerizacin local de microfilamentos, que se ensam-

Microfilamentos 483

An exo

Los vrrcRooRcANrsMos rNFECCrosos puEDEN MovERSEDENTRO DE LAS CTUTNS USANDO (COLAS) DE ACTINAUno de los hallazgos ms notables en la investigacin de la movi-lidad celular, es el descubrimiento de que ciertos microorganis-mos que causrn las enfermedades, pueden aprovecharse de lossistemas de adhesin y movilidad de una clula para sortear susdefensas e introducirse en ellas (vase Captuto iZ. Et ejemploms estudiado es el de la bacteria gram-positiva Listeria monocy-togenes. Una de las formas de adhesin Listeria es mediante laprotelna internalina A,, que se une ala cadherina E, protelna de lasuperficie de la clula husped. (Para saber ms sobre las cadhe-ri:nas, vase el Capltulo 17.) Una vez unida, Listeria se introduceen la clula, se mueve por ella a una velocidad de 1l pmlmn yavanzahacialas clulas vecinas sin infectar, donde continuar suciclo infectivo (Figura 15.Ala). Desde la bacteria irradian peque-os filamentos de actina, formando de actina-F ramificada (Figura 15.A1b). Se ha descubierto, utilizando acti-na marcada fluorescentemente, que las colas se forman por lapolimerizacin de actina dependiente de Arp2l3,que comienza anuclear cerca de la superficie de la bacteria internalizada. La pro-

tena de la superficie de Listeria, que promueve la polimerizacinde actina, se conoce como ActA. Dado que los microfilamentosnucleados por ActA son extremadamente similares a aquellosque se encuentran en el extremo de avance de las clulas en mi-gracin, probablemente las colas se formen utilizando gran par-te de Ia propia maquinaria celular.

Otras bacterias inducen la formacin de otros tipos diferen-tes de de actina. Las bacterias del gnero Rickettsia, queprovocan el tifus, inducen la formacin de largas colas de actinasin ramificar que recuerdan a los filopodios. As, diferentes pat-genos han desarrollado formas distintas de valerse del citoesque-leto del husped para propulsarse.

Otros patgenos se unen a Ia superficie celular, pero no se in-ternalizan. Por ejemplo, la forma enteropatgena de E.coli, queforma colonias en la superficie de las clulas epiteliales intestina-les y provoca la diarrea en nios, se une al exterior de las clulasintestinales donde forma ricos en actina, que funcio-nan de manera similar a las colas de actina inducidas por Lsteria.

Acoplamientodespus de launin posteriorde la bacteria .$a(

\)\

Internalizacin

Infeccinde la clulavectna

\\

La bacteria puededividirse dentrode la clula infectada

Formacinde la

"cola"

(a ) (b ) 0 .1mFiguta 154.1 fnfeccin de un mactfago pot Listeria monocytogenes. (a) Ciclo vital de Listeria. Una bacteria se acopla a la superficie de unaclula sin infectar. La bacteria despus se mueve dentro de la clula, donde puede dividirse y producir ms bacterias para postriormentedispersarse a una clula vecina a travs de Ia formacin de de actina polimirizada. (b) Micrograf elecirnica detransmisin, qne muestra una clula de Listeria dentro de un macrfago infectado y la de filamentos de actina, en la parteposterior de la bacteria.


Fibras de estrs

(a) Privacin de suero

Lamelipodio

(b) Rho activada

blan en diferentes tipos de protrusiones. Una manera deconseguir esto, es a travs de la activacin de las protenasWASP. Por ejemplo, Cdc42 activada, junto con PIPr, pue-den unirse a WASP y activarla, estimulando de esta manerala polimerizacin de actina por el complejo Arp2l3.

Las proteinas de unin a actna regulan la interaccinentre mcrofilamentosComo hemos visto, la polimerizacin de los MFs puede serun proceso muy dinmico. Adems, los MFs, como com-ponentes estructurales del citoesqueleto, pueden formaruna gran variedad de polmeros de actina con diferentesgrados de organizacin y estabilidad. La estructura localdel citoesqueleto de actina, depende del funcionamientode protenas de unin a actina y de cmo interaccionanstas con los microfilamentos.

Filopodios

(d) Cdc 2 actlvada lo rrf

Un buen ejemplo de la funcin de las protelnas deunin a actina es el del crtex celular. El crtex celular esuna malla tridimensional de microfilamentos y protenasasociadas,localizada justo debajo de la membrana plasm-tica de casi todas las clulas animales. El crtex sostiene lamembrana plasmtica, confiere rigidez a la superficie celu-lar, y facilita los cambios de forma y el movimiento celular.Una funcin importante de las protenas de unin a actinaen el crtex es agrupar a los MFs en una red estable conpropiedades similares a un gel. Una de estas protenas en-trecruzadoras.esla filamina, una molcula grande que estformada por dos polipptidos iguales unidos por sus cabe-zas, y con un sitio de unin de actina en cada cola. Las mo-lculas de filamina actan como (enganches>, uniendo dosMFs en el punto donde se cruzan (Figura 15.19). De estamanera. los MFs se unen entre s formando redes tridi-mensionales de gran tamao.

(c) Ra9 activada

Figura 15,18 Regulacin de las protrusiones por protenas G monomricas. (a) Si se tie la actina de un fibroblasto en cultivo en ausenciade factores de crecimiento (

ooooffi

Figura 15.19 Relaciones entre las pdncipales fotmas estructualesde actina. Las protenas de unin a actina (verde, morado ycanela) son las responsables de la conversin de los filamentos deactina de una forma a otra.

Otras protenas desempean el papel opuesto, rompien-do la red de microfilamentos y provocando que el gel corti-cal de actina se licue y ablande. Llevan a cabo esta funcin

Complejos deMicrovel losidades G-actina-protena

Protenas de unina los monomeros

' '

2lFilamentosreforzados

mediante el reforzamiento y/o el encasquetamiento de losMFs; en algunas ocasiones la misma protena puede desem-pear ambas funciones. Una de estas protenas reforzantes yencasquetadoras es la gelsolina, cuya funcin es romper losMFs de actina y encasquetar los extremos ms rccin ex-puestos, impidiendo su polimerizacin posterior. La gelso-lina es otra protena de unin de actina que puede ser regu-lada mediante su unin a polifosfoinostidos; cuando lagelsolina se une a un polifosfoinostido especfico, ya no escapaz de encasquetar el extremo ms de un MR permitien-do al extremo sin encapuchar sufrir cambios en su longitud.

Los haces de filamentos de actina forman el ncleode las microvellosidades

A diferencia de la poca organizacin que presenta la actinaen el crtex celular, otras estructuras formadas por actinaen clulas no migradoras pueden estar altamente organiza-das. El ejemplo mejor estudiado de polmeros de actina al=tamente organizados es el de los haces de filamentos que seencuentran en las microvillosidades. Las microvillosida-des (o is6yilli; en singular: microvillus) son un rasgomuy importante de las clulas de la mucosa intestinal (Fi-gura 15.20a). Por ejemplo, una sola clula del intestino del-gado, tiene cientos de microvellosidades, cada una de ellas

- 7 r - o - I r...:

.-l _

Complejos Monmeros I \de G-actina- de actina Fi lamento \

proTerna de actina \

1T '

tFilamento

encasquetado

oaooHaz de f i lamentos

Red de f i lamentos (gel)

electrn-densa

Mlcrofi lamentosde actrna

Entrec ruzamientoslaterales

Protenas formadorasoe naces

Membranaplasmtica

(a) Intest inal microvi l l i 0,2L,m

(b) Estructura de una microvel losidad

Figura 15.20 Estructura de unmicrovellosidad. (a) Micrografaelectrnica de las microvellosidades de lasclulas de la mucosa intestinal (TEM).(b) Diagrama esquemtico de una nicamicovellosidad, que muestra el ncleo demicrofilamentos que confiere a lamicrovellosidad su particular rigidez. Elncleo est formado por varias docenas dehaces de microfilamentos orientados consus extremos mshacia la punta y con elextremo menoshactala clula. Losextremos ms esfn embebidos en unaolaca amorfa electrn-densa. Los MFsstn unidos fuertemente uno a otro atravs de protenas formadoras de haces(entrecruzadoras) y se conectan a lasuperficie interna de la membranaplasmtica mediante entrecruzamientosIaterales.


de I-2 tm de longitud y 0,1 pm de dimetro, lo que au-menta la superficie de la clula unas 20 veces. Esta reatangrande es esencial para la funcin intestinal, ya que la ab-sorcin del alimento digerido requiere una superficie deabsorcin grande.

Como se ilustra en la Figura 15.20b, el corazn de unamicrovellosidad intestinal est formado por un haz de mi-crofilamentos. El extremo ms estdirigido hacia la punta,donde queda unido a la membrana a travs de una placaamorfa electrn-densa. Los MFs del haz estn unidos a lamembrana plasmtica adems por entrecruzamientos la-terales formados por las protenas miosina Iy calmodulinq.Estos entrecruzamientos se extienden hacia fuera 20-30nm desde el haz hasta contactar con la placa electrn-den-sa de la superficie interna de la membrana. Los MFs adya-centes se mantienen unidos fuertemente dentro delhaz, atravs de Ia unin a intervalos regulares de las protenasentrecruzadoras fimbrinay villina (llamadas tambin pro-tenas formadoras de haces de actina).

En la base de la microvellosidad, el haz de MFs se ex-tiende formando una red de filamentos conocida como lared terminal (Figura 15.21). Los filamentos de sta estncompuestos principalmente por miosina y espectrina, queconectan los microfilamentos entre s, con protenas de lamembrana plasmtica, yposiblemente tambin con los fi-lamentos intermedios que se hallan bajo la red terminal.La red terminal supuestamente confiere rigidez a las mi-crovellosidades anclando sus haces de MFs de tal maneraque se proyecten erguidos desde la superficie celular.

La actina se une a las membfanas por mltiplesprotenasHemos visto que los microfilamentos participan en el so-porte de estructuras relacionadas con membranas, comolas microvellosidades de las clulas epiteliales. Los MFsparticipan ntimamente en el movimiento celular y en elestrangulamiento de la membrana celular durante la cito-cinesis. Para llevar a acabo estas funciones, los MFs debenestar conectados a la membrana plasmtica. La unin delos MFs a la membrana plasmtica es indirecta y requiereuna o ms protenas de unin que anclen los MFs a prote-nas transmembrana de la membrana plasmtica.

Las protenas de unin a actina de la familia FERM(banda 4.7, ezrina, radixinay moesina), son un grupo deprotenas cuya funcin general parece ser la de unir losmicrofilamentos a las membranas. Si estas protenas estnmutadas, muchos procesos celulares como la citocinesis,la secrecin y la formacin de microvellosidades se venafectados. Las protenas del eritrocito espectrina y anqui-rina (mencionada en el Captulo 7) constituyen otroejemplo de cmo la actina se puede unir a las membranas.Como se ilustra en la Figura 15.22,1a membrana plasm-tica del eritrocito est cimentada por una red de filamen-tos de espectrina que estn entrecruzados con cadenas

Red terminal 0,2 p'm

Figura 15.21 Red teminal de una clula epitelial intestinal, La redterminal que subyace a Ia membrana plasmtica se puede observaren esta micrografia electrnica de criograbado profundo de unaclula epitelial del intestino. El nricleo de las microvellosidades estformado por haces de microfilamentos, que se extienden formandoen una red terminal.

muy cortas de actina. Esta red se conecta a la membranaplasmtica a travs de las protenas anquirina y banda 4.1,que unen los filamentos de espectrina a protenas trans-membrana especficas.

Existen protenas parecidas a la espectrina, la anquirinay la banda 4.1 en otras clulas animales adems del eritro-cito. Por ejemplo, en el extremo apical de las clulas epite-liales se encuentra la banda 4.I.La mutacin de estas pro-tenas en Drosophila y en el nematodo Caenorhabditiselegans impiden Ia organizacin de las clulas epiteliales osu capacidad de cambiar la forma. ste y otros muchos ex-perimentos demuestran que la membrana plasmtica estsoportada por una red cortical de microfilamentos, y quela unin de esta red a la superficie celular es un requisitoindispensable pana el funcionamiento normal de las clu-las animales.

487Microfilamentos

Glucoforina

Actina yBanda 4.1 Espectr ina Anquir ina

t ol lm

Figura L5.22 Sostn de la membrana plasmtica de un etitrocito poluna red de actina-especttina-anquilina, La membrana plasmtica deun glbulo rojo est cimentada en su superficie interna por una redfilamentosa que aporta flexibilidad y resistencia a la clula. Largosfilamentos de espectrina se entrecruzan con filamentos cortos deactina. La red se ancla a la protena transmembrana banda 3, pormedio de la protena anquirina.

Filamentos intermediosLos filamentos intermedios (IFs) tienen un dimetro apro-ximado de 8-12 nm, 1o que les confiere un tamao inter-medio entre los microtbulos y los microflamentos (vaseTabla 15.1), o entre los filamentos finos (actina) y gruesos(miosina) en las clulas musculares, donde se describieronpor primera vez. Hasta la fecha, la mayora de las investiga-ciones se han centrado en las clulas animales, donde los

IFs se encuentran solos o formando haces, y donde pareceque desempean un papel estructural o de mantenimientode la tensin. La Figura 15.23 es una micrografa electrni-ca de los IFs de un fibroblasto humano en cultivo.

Los filamentos intermedios son el elemento ms establey menos soluble de los constituyentes del citoesqueleto. Eltratamiento de las clulas con detergentes o con solucionesde elevada obaja fuerza inica, elimina la mayor parte delos microtbulos y de los microfilamentos, y otras prote-nas del citosol, pero no la red de filamentos intermedios,que mantienen su forma original. Muchos cientficos su-gieren que, gracias a esta estabilidad, los IFs funcionancomo un andamiaje que soporta toda la estructura del ci-toesqueleto. A diferencia de los MTs y los MFs, los IFs pa-recen no tener polaridad.

Las protenas de los filamentos intermediosson especficas para cada tejidoLos filamentos intermedios slo se encuentran en organis-mo pluricelulares, y a diferencia de los microtbulos y delos microfilamentos, presentan una secuencia de amino-cidos muy diferente de un tejido a otro. En funcin del tipocelular en el que se encuentren, podemos diferenciar seisclases de IFs (Tabla 15.3). Las clases I y II comprenden a lasqueratinas, las protenas que constituyen los tonofilamen-tos de las clulas epiteliales que tapizan las superficies delcuerpo y bordean sus cavidades. (Los IFs que se observanbajo la red terminal de la clula de la mucosa intestinal dela Figura 15.21, estn formados por queratina.) Las quera-tinas de clase I son queratinas cidas, mientras que las declase II son queratinas bsicas o neutras; cada una de estasclases est formada por al menos 15 queratinas diferentes.

La clase III de IFs la componen la vimentina, la desminay la protena gliofibrilar cida.La vimentina es presente enel tejido conjuntivo y en otras clulas derivadas de clulasno epiteliales. Los filamentos de vimentina son constituyen-tes importantes en fibroblastos en cultivo, donde formanuna red radial que se origina en el centro y que se extiendehasta la periferia de la clula. La desmina se encuentra en lasclulas musculares y la protena gliofibrilar cida (GFA) escaracterstica de las clulas gliales que rodean y aslan a lasclulas nerviosas. La clase IV de IFs Ia constituyenlas prote-nas de los neurofllamentos (NI) que se encuentran en losneurofilamentos de las clulas nerviosas. La clase V son laslminqs nucleares A, B y C, que forman un andamio fila-mentoso bajo la superficie interna de la membrana nuclearde prcticamente todas las clulas eucariotas. Los neurofila-mentos de las clulas embrionarias del sistema nervioso es-tn formado s por nestina, que constituye la clase VL

A medida que se han ido secuenciando las protenas delos IFs y sus genes, ha quedado claro que estas protenas es-tn codificadas por una nica (aunque grande) familia degenes relacionados y que, por lo tanto, pueden ser clasifica-das tambin en funcin de la similitud en su secuencia de


(a) (b)200 nm 200 nm

Figura 15'23 Filamentos intemedios. Micrograffas electrnicas de filamentos intermedios reconstituidos in vitro y teidos mediantetincin negativa (a) Filamentos formados por queratina 5 y la. (b) filamentos de vimentina (TEM).

Tabla 15.3 Clases de filamentos intemedios

Clase Proteina del lFPeso

molecular (kDa) Teiido FuncinIIII I I

I I I

uIV

Citoqueratinas cidasCitoqueratinas bsicasVimentina

Desmina

Protena GFAProtenas de losneurofilamentos

NF-L (ligeros)NF-M (intermedios)NF-H (pesados)

Lminas nuclearesLmina ALmina BLmina C

Nestina

40-56,553-67

54

50

O L

t021 1 0

706760

240

Clulas epitelialesClulas epitelialesFibroblastos; clulas de origenmesenquimal; cristalinoClulas musculares, especialmentedel msculo lisoClulas gliales y astrocitosSistema nervioso central y perifrico

Todos los tipos celulares

Clulas madre nerviosas

Resistencia mecnicaResistencia mecnicaMantenimiento de la forma celular

Soporte estructural para lamaquinaria contrctilMantenimiento de la forma celularRigidez axonal. Determinanel tamao del axn

Forman un andamiaje nuclear paradar forma al ncleo

DesconocidaVI

aminocidos. Utilizando este criterio, se han distinguidoseis clases de protenas de los IFs (Tabla 15.3).

Debido a la especificidad tisular de los IFs, se puedendistinguir las clulas animales de diferentes tejidos aten-diendo al tipo de IF presente, utilizando el microscopio deinmunofluorescencia. Esta determinacin por el tipo de fila-mento intermedio se utiliza como herramienta diagnsticaen medicina. La determinacin del tipo de IF es especial-mente til en el diagnstico del cncer, ya que se sabe quelas clulas tumorales mantienen las protenas de IF carac-tersticas del tejido en el que se han originado, indepen-dientemente de dnde se encuentre el tumor en el cuerpo.Habida cuenta de que el tratamiento apropiado depende

con frecuencia del tejido de origen,la determinacin del IFes especialmente valiosa en los casos donde el diagnsticopor las tcnicas de microscopa convencionales es difcil.

Los filamentos intermedios se forman a partirde subunidades flamentosasTodos los IFs son producto de una familia de genes rela-cionados yposeen rasgos comunes, aunque presentan dife-rencias significativas en el tamao y en las propiedadesqumicas. A diferencia de la actina y la tubulina, que sonprotenas globulares, los IFs son protenas filamentosas.Todas las protenas de los IFs tienen un dominio central en

Filamentos intermedios 489

forma de bastn de 310-318 aminocidos, notablementeconservado en tamao, estructura secundaria en ciertosentido, en su secuencia. Como se muestra en la Figura15.24,eldominio central est formado por cuatro segmen-tos de hlices enrolladas, separados por segmentos enlaza-dores cortos. A ambos lados del dominio central helicoidalse encuentran los extremos N- y C-terminal, que difierenmucho en tamao, secuencia y funcin entre las distintasprotenas de los IFs y que presumiblemente explican la di-versidad funcional de estas protenas.

En la Figura 15.25 se muestra un posible modelo del en-samblaje de los IFs. La unidad estructural bsica de los fi-lamentos intermedios la forman dos polipptidos de IFentrelazados formando una espiral sobreenrollada). Losdominios centrales he

El Citoesqueleto (mundo de la Celula)

Documents

Transcript of El Citoesqueleto (mundo de la Celula)