Microtúbulos

Microtúbulos
Prof. Iván Rebolledo
INTRODUCCION
GTP
Los
microtúbulos
son
tubos
cilíndricos de un Ø cercano a 25 nm.
Actúan como un andamio para
determinar la forma de la célula y en
una variedad de movimientos, tales
como, el transporte intracelular de
organelos
y
vesículas
y
la
separación de las cromátidas en la
mitosis.
Los
microtúbulos
están
construidos
por
unidades
de
proteínas
globulares
llamadas
tubulinas (55 kd). Dos de estas
tubulinas se asocian en un dímero :
tubulina alfa y tubulina beta. Son los
dímeros de tubulinas los que se
unen para formar los microtúbulos,
este proceso se llama polimerización
o ensamble. Cada subunidad del
dímero posee una molécula de GTP,
pero como podrá observar en la
figura de abajo, el sitio que ocupa el
GTP en la α-tubulina está en el
centro del dímero, en cambio, el
GTP de la β-tubulina se encuentra
cerca de la periferia: éste GTP es
susceptible de poder hidrolizarse,
dando GDP y luego ser intercambiado por otro GTP.
α-tubulina
β-tubulina
Este
comportamiento
de
la
subunidad β permite que los dímeros
puedan añadirse a microtúbulos
prexistentes por su extremo β con
GTP.
Una
vez
dentro
del
microtúbulo, ocurre la hidrólisis del
GTP en la subunidad β, lo cual
debilita la unión con otros dímeros
favoreciendo la desorganización del
microtúbulo, fenómeno conocido
como despolimerización o desensamble. El extremo de adición de
dímeros suele llamarse extremo +
del microtúbulo y en el extremo −
ocurre el desensamble. Así, los
microtúbulos tienen un comportamiento
llamado
inestabilidad
dinámica, por el cual alternan ciclos
de alargamiento y acortamiento.
Citoesqueleto
El primer estado en la formación de
un
microtúbulo
se
denomina
nucleación. Este proceso requiere
de Mg+2 y de GTP y ocurre como
sigue: una molécula de tubulina alfa
se une a una beta para formar un
dímero, luego éstos se unen con
otros similares en una disposición
anillada, como lo muestra la figura
de abajo ⇓, en número de 13.
13
1
2
12
3
11
4
10
5
9
8
7
6
El siguiente paso es la elongación
del microtúbulo. Sobre los dímeros
existentes se van ubicando nuevos
dímeros para ir conformando hileras,
que
reciben
el
nombre
de
protofilamentos. Como puede ver
en la figura de abajo, los 13
protofilamentos llegan a forma un
microtúbulo.
Inestabilidad dinámica
Se mencionó que los microtúbulos
pueden alargarse o acortarse según
las necesidades de la célula; en
términos
moleculares,
pueden
polimerizarse o despolimerizarse,
respectivamente.
La polimerización consiste en la
adición de dímeros de tubulina, por
su lado beta (con GTP periférico) a
un extremo del microtúbulo, el cual
viene a ser señalado como más (+).
Una vez que se han añadido varias
capas de dímeros, los GTP
mencionados
sufren
hidrólisis
convirtiéndose en GDP, lo cual
debilita la unión con las moléculas
adyacentes,
favoreciendo
la
despolimerización.
polimerización
despolimerización
Citoesqueleto
La velocidad de alargamiento o
acortamiento está determinado por
el grado de adición de dímeros de
tubulina en relación con el grado de
hidrólisis de GTP. Expliquemos esto:
si la adición de dímeros es más
rápida
que
la
hidrólisis,
el
microtúbulo se alarga. Por el
contrario, si la adición es más lenta
que la hidrólisis el microtúbulo se
acorta.
Drogas
Esta rápìda renovación de los
microtúbulos, que pueden tener una
vida media de varios minutos, es
crítica para la mantención del
citoesqueleto,
especialmente
durante la mitosis.
Se han
experimentado con drogas que
afectan el ensamble de los
microtúbulos durante la mitosis de
células cancerosas.
La colchicina y la colcemida son
drogas usadas como herramientas
experimentales para detener la
mitosis, ya que ellas se unen a los
dímeros de tubulina e inhiben la
polimerización de los microtúbulos.
Por otro lado, la vincristina y la
vinblastina son drogas que se usan
en quimioterapia para el cáncer,
ellas inhiben selectivamente la
mitosis de las células dañadas. Por
último, otra droga llamada taxol
produce estabilización de los
microtúbulos y, por ende, bloquea la
mitosis.
COMT
Esta
sigla
significa
centro
organizador de microtúbulos, es
decir, que en la célula existe una
estructura que permite organizar
microtúbulos. Dicha estructura es el
centrosoma, estructura compleja
formada por 2 centríolos, ubicados
en ángulo recto, y una cubierta
proteica de tubulina gamma que
conforma el llamado material
pericentriolar.
Lo más curioso es que los
centríolos son estructuras cilíndricas
de ≈ 0.2 µm de ∅ formadas por
microtúbulos. Cada centríolo está
integrado por 9 tripletes de
microtúbulos. Cada triplete se
denomina, desde adentro hacia
fuera, A, B y C. El microtúbulo A
contiene 13 protofilamentos, en
tanto que el B y el C solo tienen 10.
Examine la figura de abajo.
Citoesqueleto
Esta estructura de los centríolos lo
poseen también los cuerpos basales
presentes en la base de los cilios y
flagelos. Otra cosa curiosa, parece
ser que los centríolos no son
necesarios para la organización de
los microtúbulos, puesto que no
existen en células vegetales y en
algunas
células
eucarióticas
unicelulares. Entonces, la pregunta
aquí es ¿cómo se organizan los
microtúbulos? La respuesta la tiene
el material pericentriolar. Recordemos que está integrado por
tubulina gamma, así sus moléculas
pueden formar una “plantilla” de
forma anular sobre la cual se
ensamblan los dímeros de tubulina.
Estos complejos de γ-tubulina tienen
un ∅ de 25-28 nm, similar al ∅ de
los microtúbulos y se estima que
contengan 10-13 moléculas de γtubulina que sirven como sitios de
nucleación de microtúbulos.
MAPs(*)
Seguramente habrá deducido que
todos
los
microtúbulos
están
alargándose y acortándose periódicamente. Pues déjeme decirle que
varios microtúbulos no se modifican.
La estabilidad de ciertos microtúbulos es importante para la forma
y polaridad de la célula. Esta
estabilidad la logran asociándose
con proteínas. De aquí viene la sigla
MAP (en inglés), que traducido viene
a ser: proteínas asociada a microtúbulo. Estas proteínas se unen a la
superficie de los microtúbulos e
inhiben la disociación de los dímeros
de tubulina.
Se han aislado varias de ellas, en
el tejido nervioso: MAP-1, MAP-2,
tau
(τ),
dinamina,
etc.
Las
prolongaciones de las neuronas han
sido las estructuras en las cuales se
han identificado estas MAPs. En los
axones, los extremos + están
orientados lejos del cuerpo celular y
en las dendritas están en ambas
direcciones. Los axones poseen
proteína tau y las dendritas poseen
MAP-2.
(*) En libro de Karp se mencionan como PRM:
proteínas relacionadas con microtúbulos.
Citoesqueleto
Con ayuda del ME se ha
observado que poseen un dominio
globular que se fija al microtúbulo y
otro dominio filamentosa que se
extiende hacia fuera del microtúbulo
(ver figura página anterior).
La actividad de las MAPs es
controlada por adición o eliminación
de grupos PO4 por proteincinasas.
En el caso del sistema nervioso, la
presencia de las MAPs contribuyen
al desarrollo de las prolongaciones.
De hecho, si se eliminan las tau se
inhibe el desarrollo de los axones y,
al contrario, adición experimental de
tau
en
fibroblastos,
produce
proyecciones similares a axones.
Proteínas Motoras
Los microtúbulos son responsables
de una variedad de movimientos,
como son: transporte de vesículas,
separación de cromosomas en
mitosis, movimiento del cilio y flagelo
Se han descrito dos familias de
proteínas que tienen carácter motor:
cinesinas y dineínas.
Molécula de dineína que consta de 2 cabezas
globulares que se unen al microtúbulo y un grupo
de unidades pequeñas que se unen a la carga.
Molécula de cinesina que consta de 2 cadenas
pesadas que se unen al microtúbulo y dos
cadenas livianas que se unen a la carga.
Estas proteínas se mueven en
direcciones
opuestas
por
la
superficie del microtúbulo. Así, la
cinesina (≈340 aminoácidos; 360 kd)
se mueve hacia el extremo más (+)
del microtúbulo y la dineína (2000kd)
hacia el extremo menos (─). Si
tomamos el caso del axón, las
estructuras
(vesículas)
que
transporte la cinesina desde el
cuerpo neuronal hacia el extremo
axonal se dice que se mueven en
una dirección anterógrada. Por el
contrario, si el movimiento desde el
extremo del axón hacia el cuerpo
neuronal se dice que es retrógrado.
Citoesqueleto
Ambas moléculas motoras, en su
extremo más abultado, poseen un
dominio que maneja ciclos de ATP,
cuya
energía
determina
el
movimiento de las moléculas.
La cinesina se relaciona también
con el movimiento de vesículas
derivadas del RER, endosomas,
lisosomas y gránulos secretorios.
Esto se logra por la disposición de
los microtúbulos: orientan sus
extremos mas en dirección a la
membrana plasmática.
Vesícula transportada
por la cinesina
Vesícula transportada
por la dineína
Analice los siguientes resultados
experimentales:
(a)
(b)
Drogas que despolimerizan
los microtúbulos retraen el RE
hacia el centro de la célula.
Cuando la célula entra en
mitosis, el aparato de Golgi
se desintegra en pequeñas
vesículas.
Cilio y flagelo
Las estructuras nombradas son
proyecciones de la membrana
plasmática,
conformadas
por
microtúbulos
responsables
de
movimientos en una variedad de
células eucarióticas.
El siguientes cuadro destaca las
diferencias entre cilio y flagelo.
Característica
CILIO
FLAGELO
Dimensiones
Corto
Largo
Número
Muchos
Pocos
Movimiento
Remiforme
Ondulatorio
Ambos comparten semejanzas en
que están limitados por membrana y
poseen una estructura microtubular
llamada axonema. El axonema
consta de 9 microtúbulos periféricos
dobles, acompañados por sus
proteínas asociadas, y un par de
microtúbulos centrales. Esta disposición suele llamarse 9 + 2.
Cada doblete periférico consta de
un microtúbulo completo con 13
profilamentos denominado túbulo A
y uno incompleto con 10 protofilamentos denominado túbulo B,
más afuera que el anterior.
Citoesqueleto
Vaina central
Microtúbulos
centrales
Espigas radiales
Membrana plasmática
Subfibrilla B
Subfibrilla A
Puente
de nexina
Considero que con el esquema
presentado arriba, se podrá imaginar
cómo es la estructura de un cilio. Así
que no es necesario dar mayores
explicaciones. Además aquí abajo
podrá observar una fotografía
electrónica de cilios cortados
transversalmente.
dineína
Lo más importante en la estructura
del cilio son las moléculas de
dineína, pues ellas manejan ciclos
de ATP-ADP y con ello producen el
movimiento del cilio. El modelo de
producción del movimiento se
denomina deslizamiento, ya que un
microtúbulo se desliza con respecto
al otro. Antes de explicar los detalles
de este mecanismo del deslizamiento debemos indicar que una
mutación en la dineína determina
inhibición del movimiento del cilio.
Tal es el caso de la enfermedad de
Kartagener, en la cual los pacientes
sufren alteraciones respiratorias por
acumulación de mucus en las vías
respiratorias y si es varón puede
manifestar esterilidad (espermatozoides no se mueven).
Citoesqueleto
El concepto del deslizamiento se
refiere a que un microtúbulo se
desplaza de posición con respecto al
vecino. Recordemos que el microtúbulo A o subfibrilla A (el más
interno del doblete) posee en su
periferia moléculas de dineína. El
dominio ligero de la molécula está
unido al microtúbulo A de un doblete
y el dominio globular se une al
microtúbulo B del doblete vecino.
Recordemos
que
todos
los
microtúbulos están orientados con
su extremo más hacia la punta del
ciclio y su extremo menos hacia la
estructura que le da origen: el
cuerpo basal. Recordemos también
que la dineína se mueve hacia el
extremo menos y que sus dominios
globulares requieren de ATP para
desplazarse por los monómeros de
tubulina..
Entonces, si tenemos que el
microtúbulo A de un doblete posee
las dineínas fijas en su superficie, el
movimiento
de
los
extremos
globulares de las dineínas hacia el
extremo menos, hará que el
microtúbulo B del doblete vecino se
doble. Como lo muestra la figura
mostrada a la derecha, ambos
dobletes se doblan. Si proyectamos
esto a los nueve dobletes, todos
unidos por uniones de nexinas,
resultará que todo el cilio se moverá
en una dirección; llamaremos a este
movimiento inicial como un “latido”.
Extremos
+
Dineína fija al
microtúbulo A
Doblez de los
microtúbulos
-
Los cilios y flagelos laten de 10-40
veces por segundo, de tal forma que
los latidos deben tener una
orientación precisa y coordinada,
para que en conjunto lleguen a
producir el movimiento deseado.
Además del ATP, los cilios
requieren de los iones Ca+2 y del
AMPc. Ambos compuestos químicos
actúan en la orientación y velocidad
de
los
latidos
ciliares.
El
Paramecium
es
una
ciliado
unicelular que si avanza hacia
delante y encuentra un obstáculo
con el cual choca, su membrana se
despolariza abriendo los canales de
calcio. El aumento del calcio
intracelular hace invertir la dirección
de los latidos y el unicelular
retrocede.
Cualquier
sustancia
química externa que abra los
canales de K de la membrana
provocará un aumento en los niveles
de AMPc y aumentará la velocidad
de los latidos.