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El citoesqueleto

T-r-Ún los capítulos anteriores, hemos analizado multitud deprocesos y rutas celulares, que tienen lugar en los orgánu-los de células eucariotas. Nos ocuparemos ahora del cito-sol, que es la región del citoplasma que se encuentra alre-dedor y entre los orgánulos. Hasta hace unas pocasdécadas, el citosol no suscitaba ningún interés en particu-lar y se hacía referencia a él como una bustancia, similar aun gel, en la que estaban suspendidos el núcleo y otros or-gánulos. Los biólogos celulares sabían que las proteínasconstituían hasta el 20-30o/o del citosol, pero se pensabaque estas proteínas eran solubles y que eran capaces demoverse libremente. Aparte de aquéllas con actividad enzi-mática, se conocía poco de la importancia estructural ofuncional de las proteínas citosólicas.

Los avances en la microscopía y en otras técnicas de in-vestigación, han puesto de manifiesto, que el interior deuna célula eucariota está altamente estructurado. Parte deesta estructura la proporciona el citoesqueleto: un entra-mado complejo de filamentos y túbulos interconectadosque se extienden a lo largo del citosol, desde el núcleo has-talacarainterna de la membrana plasmática.

El término citoesqueleto expresa de una manera acerta-da la función de esta red de polímeros, que es la de propor-cionar una estructura arquitectónica a las células eucario-tas. Aporta un alto nivel de organización interna a lascélulas y les permite asumir y mantener formas complica-das que no serían posibles de otra manera. El nombre notransmite, sin embargo,la naturaleza dinámica y plásticadel citoesqueleto, ni el papel crítico que desempeña en mu-chos procesos celulares.

El citoesqueleto tiene.un papel importante en el Ag-qliento y en la división gelulare¡,y pogiciona y mueve agti-+ . - - _ _ #

vamente los orgánulos de membrana, dentro del citosol.Desempeña un papel similar con eIARN mensajero y otroscomponentes celulares. De hecho, muchas de las enzimasdel citosol, seguramente no son solubles, sino que están fí-sicamente unidas al citoesqueléto y confinadas muy cercade las enzimas implicadas en la misma ruta, de tal maneraque se facilita la canalizacíón de intermediarios dentro decada ruta. El citoesqueleto participa además en muchasformas de movimiento celular y está íntimamente relacio-nado con otros procesos, como la señalización celular o lasuniones célula a célula. EI citoesqueleto se altera por fenó-menos que ocurren en la superficie celular ¡ al mismotiempo, parece que participa y modula dichos fenómenos.

En este capítulo, nos centrar€mos en la estructura delcitoesqueleto. En el Capítulo 16 analizaremos más deteni-damente la función del citoesqueleto, poniendo especialatención en el movimiento celular.

Principales elementos estructuralesdel citoesqueleto

Los principales elementos estructurales del citoesqueletoson tres: microtúbulo s, microfilamentos y filamento s inter -

medios, todos ellos exclusivos de células eucariotas (Figu-ra 15.1). La existencia de tres sistemas distintos de fila-mentos y túbulos.se puso de manifiesto por primera vezmediante microscopía electrónica. Posteriormente, seidentificaron, mediante estudios bioquímicos é in-.tno-lógicos, las diferentes proteínas de cada sistema, que sontambién exclusivas de células eucariotas. La técnica de mi-croscopía de inmunofluorescencia (Tabla 15.2; véasetam-

Principales elementos estructurales del citoesqueleto 465

(a) Microtúbulos

(c) Filamentos intermedios b ¡¿m

bién Apéndice) fue especialmente importante a la hora delocalizar protelnas específicas en el citoesqueleto. Aunquelas estructuras del citoesqueleto se han considerado exclu-sivas de las células eucariotas, se ha demostrado reciente-mente que algunos procariotas, como los bacilos, poseenproteínas que funcionan de una manera muy similar a losmicrofilamentos (proteínas de la familia MreB), microtú-bulos (la proteína FB\ y filamentos intermedios (una deellas se denomina crescentina). Aunque las proteínas bac-terianas no se parecen mucho a sus homólogas eucariotas,en lo que a la composición de aminoácidos se refiere,cuando se ensamblan en polímeros, su estructura generales bastante similar.

Cada uno de estos elementos estructurales del citoes-queleto tiene un tamaño, estructura y distribución intrace-lular características, y cada uno se origina por la polimeri-zaciónde un tipo de subunidad diferente (Tabla 15.1). Losmicrotúbulos están compuestos por la proteína tubulinaytienen un diámetro de aproximadamente 25 nm. Los mi-

(b) Microfilamentos

Figura 15.1 Distr¡bución intracelular de microtúbulos,microfilamentos y filamentos intemedios. (a) Imagen de ladistribución de los microtúbulos en células de la línea celular PtK-1, de riñon de rata canguro, visualizados mediante la tincióninmunofluorescente de la tubulina. Como referencia, se ha teñidoel núcleo con el colorante fluorescente rojo de ADN, ioduro depropidio. (b) Imagen de la distribución de los microfilamentos encélulas de Ia línea celular de riñon de rata, visualizados mediantela tinción de la actina con un derivado fluorescente de la faloidina.(c) Imagen de la distribución de los filamentos intermedios en lascélulas PtK-1, marcados con la tinción inmunofluorescente de Iaqueratina. El núcleo se ha teñido también aquí con ioduro depropidio.

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

Los microtúbulos ylos microfilamentos son más cono-cidos por el papel que desempeñan en la mqlaj&klcelular.Los microfilamentos son componentes esenciales de las fi-brillas musculares, y los microtúbulos son los elementosestructurales delos g@:ylos flqgb,apéndices que capa-citan a la célula, tanto para desplazarse a través de un me-dio fluido, como para batir el medio extracelular. Estas es-tructuras son lo suficientemente grandes como para servistas mediante microscopia óptica ¡ por lo tanto, se co-nocían y fueron estudiadas mucho antes de que se aclarase

466 Capitulo 15 El citoesqueleto

Tabla 15.1 Propiedades de los microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios

Microtúbulos Miclofilamentos Filamentos intermedios

Estructura

Diámetro

Monómeros

Polaridad

Funciones

Tubo hueco con una pared formadapor 13 protofilamentos

Exterior: 25 nmInterior: 15 nmTubulina aTubulina p

Extremos (+), (-)

Axonema: motilidad celularCitoplásmica:

organización y mantenimientode la forma de la célula animal

Movimiento de los cromosomasDisposición y movimiento de los orgánulos

Dos cadenas de actina

entrelazadas

7 n m

G-actina

Extremos (+) , ( - )

Contracción muscular

Movimiento ameboide

Locomoción celular

Flujos, corrientes

citoplásmicaDivisión celular

Mantenimiento de la forma

de la célula animal

Ocho protofilamentos unidos extremo

a extremo, con solapamientos escalonados

8 -12 nm

Varias proteínas; véaseTab\a I5.5

Sin polaridad conocida

Soporte estructuralMantenimiento de la forma de Ia célula animal

Formación de la 1ámina nuclear y el andamiaje

Reforzamiento de los axones de las células

nerviosas (proteína NF)

Mantenimiento de las fibras musculares

en registro (desmina)

que los mismos elementos estructurales eran también par-

tes integrales del citoesqueleto.Consideraremos detalladamente cada elemento estruc-

tural. Para ello, trataremos a los microtúbulos, los microfi-

lamentos y los filamentos intermedios como si fuesen enti-

dades separadas, cada una de ellas con una función propia

independiente. Sin embargo, recuerde que los componen-tes del citoesqueleto están vinculados, tanto estructural

como funcionalmente, lo que genera nuevas propiedades

arquitectónicas que no son simplemente la suma de laspartes, como veremos en la última sección de este capítulo.

Técnicas para el estudio delcitoesqueleto

Las técnicas modernas de microscopía han revolucionadoel estudio del citoesqueleto

Actualmente, el citoesqueleto es un tema de gran interéspara los biólogos celulares. Gran parte del progreso recien-

te en la comprensión de la estructura del citoesqueleto, se

debe a tres técnicas microscópicas de gran potencia: mi-

croscopía de inmunofluorescencia, videomicroscopía digi-tal y microscopía electrónica. La Tabla 15.2 resume cada

una de estas técnicas, que se describirán más en detalle en

el Apéndice. Además, se han empleado drogas y mutacio-nes específicas, que han sido de gran utilidad para el anáIi-

sis de la función del citoesqueleto.

Se pueden usar ciertas drogas y mutacionespara desorganizar las estructuras citoesqueléticas

Aunque las técnicas microscópicas pueden desvelar muchoacerca de la estructura del citoesqueleto, no nos permiten

deducir mucho acerca de su función. Para analizar la fun-ción de un filamento del citoesqueleto en particular, debe-

mos quitar o alterar selectivamente Ia función de las pro-

teínas relevantes: en el caso de la tubulina y de la actina,podemos usar ciertas sustancias para alterar la función dela proteína en un sentido determinado. Mediante el estu-dio de los efectos de dichas drogas en procesos celulares es-pecíficos, es posible determinar, al menos aproximada-mente, las funciones que dependen de los microtúbulos ode los microfilamentos.

Por ejemplo,la colchicina (un alcaloide que se obtienedel azafrán silvestre, Colchicum autumnale), se une a losmonómeros de tubulina, inhibiendo su ensamblaje en mi-crotúbulos y fomentando el desensamblaje de los que yaexisten. Por el contrario, el taxol (del tejo americano, Taxusbrevifolia) se une fuertemente a los microtúbulos y los es-tabíliza,provocando que gran parte de la tubulina libre enla célula se asocie para formar microtúbulos. Por lo tanto,la sensibilidad de un proceso celular a la colchicina o al ta-xol, es un buen indicio de que los microtúbulos podríanintervenir en dicho proceso en la célula. De una manera si-milar, la sustancia citocalasina D, un metabolito fúngico yla latrunculina A, vna toxina marina que se aísla de la es-ponja del mar Rojo, Latrunculia magnifica, inhiben la poli-merización de los microfilamentos de actina. Por el con-trario, la faloidina un péptido cíclico obtenido del hongooronja verde (Amanita phalloides), bloquea la depolimeri-zaciín de la actina, y estabilizando los microfilamentos.Los procesos que se ven interrumpidos en las células con eltratamiento con estas sustancias probablemente dependande alguna manera de los microfilamentos. Los usos y losefectos de estas sustancias se discutirán detalladamente a lolargo del capítulo.

Además del empleo de sustancias, también nos pode-mos servir de las mutaciones para estudiar el citoesquele-to. Los biólogos celulares, mediante el uso de la genética yla biología molecular, han aislado organismos mutantes olíneas celulares en los que se han introducido mutacionesespecíficas en una proteína determinada del citoesqueleto.

Técnicas para el estudio del c¡toesqueleto 467

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Capítulo 15 El citoesqueleto468

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Dichas mutaciones han sido útiles para indentificar losprocesos celulares que requieren la participación de pro-teínas del citoesqueleto y para elucidar qué partes de dichaproteína son necesarias para su función.

Teniendo presentes estas técnicas, estamos ahora pre-parados para tfatan cada uno de los tres componentesprincipales del citoesqueleto. En cada caso, considerare-mos la química de la(s) subunidad(es), la estructura delpolímero, el modo de polimerización, la función de lasproteínas accesorias y algunos de los papeles estructuralesy funcionales que desempeña cada componente dentro dela célula. Trataremos en primer lugar los microtúbulos.

üÁeeebgJgsExisten dos tipos de microtúbulos que son responsablesde muchas funciones en la célula

Los microtúbulos (MTs) son los elementos del citoesque-leto más grandes (Tabla 15.1). Los microtúbulos de las cé-lulas eucariotas pueden ser clasificados en dos grandesgrupos, que se difcrens;ian*Ianlqpor suJr{ado de o{ütn!za-

EI primá grupó,los microtúbulos del axonema, inclu-ye a los microtúbulos altamente organizados y estables quese encuentran en estructuras subcelulares específicas, rela-cionadas con el movimiento celular, como los cilios, losflagelos y los corpúsculos basales a los que se unen estosapéndices. El elemento central, o axonemal de un ciiio o deun flagelo está 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, está formado por MTs. En el Capí-tulo 16 consideraremos más detalladamente la estructuradel axonema y los movimientos mediados por los microtú-bulos.

El segundo grupo lo forma una red más laxa y dinámi-ca de microtúbulos citoplásmicos. Los MTs citoplásmicosno fueron descubiertos en las células eucariotas hasta prin-cipios de la década de 1960, con la aparición de mejorestécnicas de fijación, que permitieron la observación de unared de MTs, que hoy en día se sabe que predominan en elcitosol de Ia mayoría de las células eucariotas. A partir deese momento, la microscopía de fluorescencia ha mostradola diversidad y la complejidad de las redes de MTs en dife-rentes tipos celulares.

Los MTs citoplásmicos desempeñan varias funciones(véaseTábla 15.1). Por ejemplo, son necesarios en las célu-las animales para el mantenimiento de los axones, prolon-gaciones de las células nerviosas, cuyas propiedades eléc-tricas hemos examinado ya en el Capítulo 13. Algunas

células animales necesitan los MTs citoplásmicos paramantener su forma polarizada durante su migración. Sepiensa que en las células vegetales, los MTs citoplásmicosregulan Ia orientación 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 MTscitoplásmicos en la formación de los bugs gi¡ólrcqs yglgiófiQ.s, que son esenciales para el movimiento de loscromo s omas dur ante taettg51¡¿lqpaciosb (v é a s e Cap itu -lo 19) .

Los microtúbulos citoplásmicos contribuyen asimismoa Ia disposición espacial y al movimiento direccional de ve-sículas y de otros orgánulos, proporcionando un sistemade fibras organizado, que guía su movimiento. Por ejem-plo, los MTs citoplásmicos a¡rdan a establecer lalocaliza-ción de orgánulos como el aparato de Gg$9y el retícukrAdoplá.iq1gg, y están implicados en el movimiento activode vesículas (véaseCapitulo 16).

Los heterodímeros de tubulina son las prote¡nascon las que se construyen los mictotúbulos

Como se ha mencionado en el Capítulo 4, los MTs son ci-lindros rectos y huecos con un diámetro exterior cercano alos 25 nm y un diámetro interior de aproximadamente15 nm (Figura15.2). Los microtúbulos pueden variar enor-memente en longitud. Algunos miden menos de 200 nmde largo; otros, como los microtúbulos del axonema, pue-den llegar a medir de varios micrómetros. La pared de losmicrotúbulos está formada por un conjunto de polímeroslineales 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 bási-ca de un protofilamento es un heterodímero de la proteína

t¡gpggE/ Los heterodímeros que constituyen la mayorparte de los protofilamentos están compuestos por unamolécula de tubulina a y una molécula de tubulina B.Tanpronto como se sintetizan las moléculas individuales detubulina a y B, éstas se unen no covalentemente una a laotra para producir un heterodímero aB que no se disociaen condiciones normales.

Las moléculas de tubulina a y B tienen un diámetroaproximado 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 sólo comparten el 40%o de susecuencia de aminoácidos. 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 polimerización de los microtúbulos, la colchicina yun tercer dominio en el extremo C terminal, que inte-racciona con las proteínas asociadas a los microtúbulos(MAPs; hablaremos más tarde de las MAPs en este capí-tulo).

Microtúbulos 469

Protofilamento

(a) Estructura del microtúbulo (b) Microtúbulos en un axón

Figwa t5.2 Estluctula de un miclotúbulo, (a) Diagrama esquemático en el que se muestra un microtúbulo como un cilindro hueco queencierra una luz. El diámetro externo es de aproúmadamente 25 nm y el interno, de unos l5 nm. La pared del cilindro está formada por13 protofilamentos, la flecha señala uno de ellos. Un protofilamento es un polímero lineal de dímeros de tubulina, cada uno de los cualesestá constituido por dos polipétidos, tubulina n y B. Todos los heterodímeros de los protofilamentos poseen la misma orientación,proporcionando de esta manera la polaridad al microtúbulo. (b) Microtúbulos en un corte longitudinal de un axón (TEM).

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

Lamayoria de los organismos poseen varios genes muyrelacionados, aunque no indénticos 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 mamíferos 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 poseerán diferentes propiedades deunión a las MAPs. Sin embargo, no se ha estudiado directa-mente en la mayoría de los casos, si las distintas isoformastienen o no propiedades funcionales características.

Los microtúbulos se foman med¡ante la incorporaciónde dimelos de tubulina en sus extremos

Los microtúbulos se forman por el ensamblaje reversiblede los dímeros de tubulina. El proceso de polimerizaciónha sido estudiado ampliamente in vitro; en la Figura 15.3se muestra una representación esquemática del ensambla-

je de un microtúbulo in vitro. La reacción de polimeriza-ción comienzacuando se calienta una solución que contie-ne una cantidad suficiente de dímeros de tubulina. GTP vMg2*, desde 0 oC hasta 37 "C. (Laformación de MT en lasolución puede observarse fácilmente en un espectrofotó-metro como un aumento en la dispersión lumínica.) Laagregación de los dímeros de tubulina en agrupaciones de-nominadas oligómeros, representa una etapa crucial en laformación de los microtúbulos. Estos oligómeros constitu-yen un <núcleo> a partir del cual pueden crecer los micro-túbulos, por Io que se conoce a este proceso como nuclea-ción. Una vez que se ha nucleado, el microtúbulo crecemediante la adición de subunidades en ambos extremos.un proceso denominado elongación.

La formación de los microtúbulos es lenta al principio,en lo que se conoce como la fase inicial lenta del ensambla-je de los microtúbulos (Figura 15.4). Este periodo refleja larelativa lentitud del proceso de nucleación de los microtú-bulos. La fase de elongación -es decir,la adición de díme-ros de tubulina- es relativamente rápida, comparada conla nucleación. Finalmente, la masa de los microtúbulos au-menta hasta un punto en el que la concentración de tubu-lina libre es limitante. Esto conduce a la fase de equilibrio,en la que la polimerización de los microtúbulos se encuen-tra en equilibrio con la depolimerización.

El crecimiento in vitro de los microtúbulos depende deIa concertación de los dímeros de tubulina, de tal maneraque el microtúbulo crece cuando la concentración de tu-bulina es alta y se despolimeriza cuando las concentracio-nes de tubulina son bajas. En algún punto entre estas dos

470 Capítulo 15 El citoesque¡eto

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Oligopolios Protof i lamento

Figura 15.3 Modelo del ensamblaje de los microtúbulos in vitro. Los microtúbulos se forman a partir de subunidades compuestas por unamolécula de tubulina a y una molécula de tubulina B, unidas fuertemente formando un dímero, denominado heterodímero de tubulina aBo, simplemente, dímero de tubulina. O En el inicio del proceso de nucleación, se pueden agregar varios dímeros de tubulina, enagrupaciones denominadas oligómeros. @ Algunos de ellos comienzan a formar cadenas lineares de dímeros de tubulina llamadasprotofilamentos. @ Los protofilamentos pueden asociarse después uno a1 lado del otro formando láminas. @ Las láminas, que contienen 13o más protofilamentos pueden cerrarse en un tubo, formando un microtúbulo. @ La elongación del microtúbulo continúa con la agregaciónde subunidades de tubulina en uno o en ambos extremos.

Fasede e longac ión

@ @

Dímerosde tubu l ina

condiciones se encuentra una concentración de tubulinaen la que la polimerización está en perfecto equilibrio conla depolimerización. La concentración de los dímeros eneste punto se denomina concentración crítica global.

La incorporación de los dimeros de tubulina tienelugar con mayor rapidez en los extremos umás,de los microtúbulos

La polaridad estructural inherente a los microtúbulos esdebida que los dos extremos difieren químicamente. Otra

Láminas deprotof i lamentos

Fasede equ i l ib r io

Microtúbulos consubun idades quese añaden y see l lm inan

diferencia importante entre los extremos es que uno deellos crece o se encoge mucho más rápidamente que elotro. Esta diferencia en la tasa de polimerización, puede vi-sualizarse fácilmente mezclando las estructuras asociadasde los microtúbulos que se encuentran en Ia base de los ci-lios, llamados corpúsculos basales, con heterodímeros detubulina. Los corpúsculos basales sirven de núcleo paralapolimerización en ambos extremos, pero los MTs crecenmucho más rápidamente por un extremo que por el otro.(La posición del corpúsculo basal en un microtúbulo en

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del microtúbulo

Figura 15,4 Cinética de la polimetización de losmicrotúbulos in vitro, La cinética del ensamblajede los MT puede seguirse observando la cantidadde luz dispersada por una solución que contieneGTP-tubulina después de calentarla de 0 'C a37 "C. (La polimerización de los microtúbulosse inhibe por frío y se activa por calor). Lasmedidas de la dispersión de la luz reflejancambios en la población total de MTs y no lapolimerización de microtúbulos individuales. Sise miden de esta manera, la polimerización delos microtúbulos presenta tres fases: inicial lenta,elongación y de equilibrio. La fase de retrasocorresponde a la nucleación. Durante la fase deelongación los microtúbulos crecenrápidamente, haciendo que la concentración desubunidades de tubulina libre decline. Cuandoesta concentración es lo suficientemente bajacomo para iimitar la polimerrzación, se alcanzala fase de meseta, donde se añaden y eliminansubunidades de los microtúbulos con una tasaequivalente.

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Microtúbulos471

crecimiento puede establecerse por su aspecto diferente almicroscopio electrónico; Figura 15.5). El extremo de creci-miento rápido del microtúbulo se denomina extremomás, siendo el otro, el extremo menos.

Las diferentes tasas de crecimiento en los ertremos másy menos refleja diferencias en las concentraciones críticasque se requieren para la polimerización en ambos extre-mos del microtúbulo; la concentración crítica en el extre-mo mós es menor que en el extremo menol Si la concen-tración de tubulina libre es mayor que la concentracióncrítica para el extremo más pero menor que la concentra-

Extremos más

Corpúsculo basal

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Figura 15.5 Ensamblaje polar de los microtúbulos in vitro. Sepuede demostrar la polaridad en el ensamblaje de los MTs,añadiendo corpúsculos basales a una solución con dímeros detubulina. Los dímeros de tubulina se añaden a los extremos znls ymenos delos microtúbulos del corpúsculo basal. Sin embargo, losMTs que crecen desde el extremo z¿ís son mucho más largos queaquellos que crecen desde el extremo menos.

ción crítica para el extremo menos,entonces tendrá lugar lapolimerización en el extremo más, y la depolimerizaci1nen el extremo menos. Este ensamblaje y desensamblaje si-multáneo produce el fenómeno conocido como recambiorotatorio (Figura 15.6). El recambio rotatorio surge cuan-do una determinada molécula de tubulina que se incorpo-ra en el extremo más, se desplazada progresivamente a lolargo del microtúbulo y finalemente se pierde, mediantedepolimerización, por el extremo menos.

La hidrólisis de GTP contr¡buye a la inestabilidaddinámica de los microtúbulos

En 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-rodímero de tubulina une dos moléculas de GTP. La tubu-lina a une uno de los GTPs; el otro lo une la tubulina B, ypuede hidrolizarse a GDP instantes después de que se aña-da el heterodímero al MT. Aparentemente se requiere GTPpara la polimerización de los MT, ya que la asociación en-tre dímeros de tubulina unidos a GDP es demasiado débilcomo para soportar la polimerización. Sin embargo,la hi-drólisis de GTP no es imprescindible para el ensamblaje,como se demuestra en experimentos en los que los micro-túbulos se hacen polimerizar a partir de tubulinas unidas aun aniílogo no hidrolizable de GTP.

Los estudios de la polimerización de los MTs in vitroutilizando como centros de nucleación centrosomas aisla-dos (una estructura que se tratará con detalle más ade-lante) muestran que algunos microtúbulos pueden crecerpor polimerizaciín al mismo tiempo que otros se encogen

Extremo más Extremo menosOn

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Figura 15.6 Cinta sin fln de los microtúbulos. La polimerizaciónde los microtúbulos ocurre más rápidamente en el extremo más delMT que en el menos, Cuando la concentración de tubulina esmayor que la concentración crltica para el extremo mós,peromenor que la concentración crltica para el extremo menos, elmicrotúbulo puede añadir heterodímeros de tubulina a su extremomás,mientras que los pierde por su extremo m¿nos.

472 CapÍtulo 15 El citoesqueleto

por depolimerización. Thnto es así que algunos microtú-bulos de hecho, crecen a expensas de otros.

Para explicar cómo la polimerización y la depolimeri-zaciín pueden ocurrir simultáneamente, Tim Mitchison yMark Kirschner propusieron el modelo de inestabilidaddinámica. Este modelo supone la existencia de dos pobla-ciones de microtúbulos, una que crece en longitud me-diante la continua polimerización en sus extremos más yotra que disminuye en longitud por depolimerización.Ladiferencia entre las dos poblaciones estriba en que los MTsen crecimiento presentan la tubulina unida a GTP en susextremos más, mientras que los MTs que están disminu-yendo en tamaño, presentan GDP. Debido a que las molé-culas de tubulina unidas a GTP tienen mayor afinidad en-tre ellas que por la tubulina unida a GDR la presencia deun grupo de moléculas de tubulina unidas a GTP en el ex-fremo más, da lugar a la formación de un casquete de GTRque proporciona un extremo estable en el microtúbulo, alque se pueden unir más dímeros (Figura 15.7a). Se piensaque la pérdida de GTP tiene como resultado la apariciónde un extremo inestable, en el que la depolimerizaciónpuede tener lugar rápidamente.

La concentración de tubulina unida a GTP es crucialpara el modelo de inestabilidad dinámica. Cuando haydisponibles muchas tubulinas unidas a GTR éstas seañaden rápidamente al microtúbulo, formando un grancasquete de tubulina-GTP. Sin embargo, si Ia concentra-ción de tubulina-GTP disminuye, la tasa de incorporaciónde tubulina decrece. Cuando la concentración de GTP-tu-bulina es suficientemente baja,la tasa de hidrólisis de GTPen las subunidades de tubulina B en las proximidades delextremo del MT, supera Ia tasa de incorporación 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 pérdidade subunidades unidas a GDP se ve favorecida por suextremo,

Figura 15.7 El casquete de GTP y su función en la inestabilidaddinámica de los microtúbulos. (a) Modelo que ilustra Ia funcióndel casquete de GTP. Cuando Ia concentración de tubulina es alta,la rapidez con la que se incorpora GTP-tubulina al extremo delmic¡otúbulo 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 lahidrólisis del GTP. Se forma así un extremo inéstable (sin casquetede GTP) que favorece la depolimerización del MT. La existencia dela inestabilidad dinámica está apoyada por datos experimentales.(b)Las fases de crecimiento y acortamiento se alternan en un MTindividual observado con microscopía óptica. Los extremos zás ymenos crecery se encogen independientemente. (c) La frecuenciade la catástrofe y el rescate del microtúbulo dependen de laconcentración de tubulina. La catástrofe, el cambio de crecimientoa acortamiento, es menos fiecuente con concentraciones detubulina elevada. El rescate, el paso de acortamiento a crecimiento,es más frecuente con concentráciones altas de tubulina.

La observación in vitro, con el microscopio óptico, demicrotúbulos aislados, aporta evidencias directas de la in-estabilidad dinámica. Un mismo MT puede alternar entreperiodos de crecimiento y acortamiento (Figura 15.7b).Cuando un microtúbulo pasa de la elongación al acorta-

Tubu l ina-GDP Tubu l ina-GTP

CRECIMIENTO

<-ffi-'lf

l.:O)Coc)a.o_oE(5

O

.(ÚOca)fOc)

LL

ACORTAI\i IENTO

30l\,4inutos

5 1 0 1 5 5 1 0 1 5Concentración de tubullna (mM)

,-$ E.-td

Extremo más

Concentración altade tu rb ina

Casquete de GTP^

I ConcentraciónI ouiu o. turbul inaIV

Extremomás

FRECUENCIA I FRECUENCIADECATÁSTROFE I OT RESCATE

Extremomenos.**'"S"

men.os \

(c)

Microtúbulos 473

miento, un fenómeno que se conoce como catástrofe delmiciotúbulo, éste puede desaparecer completamente, opuede volver repentinamente a la fase de crecimiento, unevento denominado rescate del microtúbulo.La frecuenciade la catástrofe está inversamente relacionada con la con-centración de tubulina libre. Las concentraciones elevadasde tubulina hacen que la catástrofe sea más improbable,aunque puede ocurrir. Cuando tiene lugar la catástrofe,una concentración de tubulina alta hace más probable elrescate de un microtúbulo que está reduciéndose (Figura15.7c). La catástrofe es más probable en el extremo más deun MT, independientemente de la concentración de tubu-lina, es decir,la inestabilidad dinámica es más patente en elextremo más del microtúbulo. Se ha demostrado la inesta-bilidad dinámica en células vivas utilizando microscopíade contraste interferencial-diferencial (DIC), mejoradapor vídeo, para seguir los ciclos vitales de MTs aislados (Fi-gura 15.8). Estos estudios han demostrado que el fenóme-no de la inestabilidad dinámica no es exclusivo de los MTsin vitro.

Los microtúbulos se or¡ginan dentro de la célulaen centros organ¡zadores de microtúbulos

En 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 cómofuncionan en la célula. Sin embargo, la formación de MTsin vivo es un proceso más ordenado y regulado, que pro-duce grupos de MTs en lugares determinados de la célulapara funciones celiilares específicas.

Los microtúbulos 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 células durante la interfase tienen unMTOC llamado gglp¡gry que está situado cerca delnúcleo. En las células animales, el centrosoma está com-puesto normalmente po, dosfftrñrodeados por unmaterial granuloso difuso conocido como material peri-centriolar (Figura 15.9a). En micrograffas electrónicas delcentrosoma, se puede observar que los MTs se forman apartir del material pericentriolar (Figura 15.9b). La estruc-tura simétrica de los centriolos es extraordinaria (Figura15.9a). En la mayor parte de los casos, los centriolos seorientan perpendicularmente uno con respecto al otro:larazón de esta colocación no se conoce aún. Se sabe que lotcentriolos están implicados en la formación de los corpris-culos hasales, que son importantes para la formación delos cjüqs y los.flagelos (véase Capitulo 16). El papel de loscentriolos en las células no ciliadas es menos claro. En lascélulas animales, los centriolos pueden servir para reclutarel material pericentriolar al centrosoma, que servirá poste-riormente como núcleo para el crecimiento de los MTs.

(e) (f) F 1o¡rm---r

Figura 15.8 La inestabllidad dinámica de los microtúbulos in vivo.Los microtúbulos de una célula viva, observados por microscopíade contraste interferencial-diferencial (DIC), mejoradadigitalmente, presentan inestabilidad dinámica in vivo. Los MTs,indicados aquí con varios tipos de flechas, se han registrado a lolargo del tiempo, desde (a) hasta (f). Los MTs crecen hasta el bordede la célula y después se acortan rápidamente. Para una explicacióndel microscopio DIC, consultar el Apéndice.

Cuando los centriolos no están presentes en las células ani-males, se dispersa el material que sirve como núcleo para elcrecimiento de los MTs, y desaparece el MTOC. Las célulasque 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 están poco organizados. A diferenciade las células animales, las células de los vegetales superio-res no poseen centriolos; esto indica que los centriolos noson imprescindibles parala formación 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 núcleo para el ensamblaje de nuevos MTs

(a)

(c)

474 Capitulo 15 El citoesqueleto

Materialpericentr iolar

Centr iolos

Microtúbulos

(c, Microtúbulo 1,4 p,m

Figura 15.9 Gentrosoma. (a) En las células animales, elcentrosoma está formado por dos centriolos y un materialpericentriolar asociado. Las paredes de los centriolos estáncompuestas por nueúe tripletes de microtúbulos. (b) Micrograffaelectrónica del centrosoma, mostrando los centriolos y el materialpericentriolar. Obsérvese que los microtúbulos se originan a partirdel material pericentriolar. (c) Nucleación y ensamblaje de MTs enun centrosoma in vitro.

--tsir-ñm-

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

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

Los MTOCs organ¡zan y polar¡zan los microtúbulosen la célula

El centrosoma u organizador microtubula¡ desempeña unpapel importante en el control de la organización de losmicrotúbulos en la célula. El aspecto más importante deesta función, 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 lacélula. Es más, crecen desde el MTOC con una polaridaddeterminada -sus sxt¡srnos menosanclados en el MTOC,y sus extremos finós.extendiéndose hacia la membrana ce-lular-. La relación entre el MTOC y la distribución y po-laridad de los MTs se muestra en la Figura 15.11.

El MTOC también influye en el número de microtúbu-los de una célula. Cada MTOC tiene un número limitadode sitios de nucleación y anclaje que determinan cuántosMTs pueden formar. No obstante, la capacidad de nuclea-ción de MTs del MTOC puede modificarse durante ciertosprocesos como la mitosis. Por ejemplo, la cantidad de peri-

Centrosoma

Microtúbulos 475

/("lt-')

Centrosoma

Extremo apical

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

basales (MTOC)

Extremo basal

Haz marginalde microtúbulos(polaridad mixta)

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

Centrosoma Centrosomas(MTOC)

Cromosomas

(d) Cé lu la en d iv is ión

Figuta 15.11 Efectos de la polaÍdad de los microtúbulos en su orientación dentro de las células animales. En la célula, la distribución de lamayoria de los microtúbulos, viene determinada por el centro organizador de microtúbulos (MTOC), que en muchas ocasiones es uncentrosoma. La orientación de los MTs en una célula puede variar con 1a función de esa célula. Los microtúbulos se señalan en naranja.(a) Las células nerviosas poseen dos grupos de MTs, aquellos que se encuentran en el axón y aquellos que están en la dendrita. Los MTsaxonales están unidos al centrosoma por su extremo meno5 con sus extremos más en el extremo del axón. Por su parte, los MTs de ladendrita no están asociados con el centrosoma y tienen polaridades mi-xtas. (b) Las células epiteliales ciliadas tienen muchos MTOCsdenominados corpúsculos basales, uno en la base de cada cilio. Los MTs ciliares se originan con su extremo menos en los corpúsculos basalesy se alargan con su extremo máshacia el extremo del cilio. (c) Los eritrocitos humanos maduros no poseen ni núcleo ni MTOC. Noobstante, tienen MTs, cuya polaridad es mixta y forman una banda circular en la periferia de la célula. Esta banda ayuda a mantener suforma discoidal (d) A lo largo del proceso de la mitosis, los MTs de una célula en división están orientados con sus extremos menos ancladosen el centrosoma y sus extremos más apwlando lejos de é1. La división celular está precedida por la división del centrosoma. Después los doscentrosomas se separan, y forman cada uno un polo del huso mitótico. En la metafase, los centrosomas se encuentran en lados opuestos dela célula. 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 fluctúa durante la mitosis, siendo más alta en laprofase y la metafase, cuando los polos del huso muestranla mayor actividad nucleadora.

La estabilidad de los microtúbulos está estrechamenteregulada en las células

La capacidad de nuclear de los MTOCs, como el centroso-ma, tiene una consecuencia importante para la dinámicade los microtúbulos en las células. Debido a que los extre-mos menos de muchos MTs están anclados al centrosoma,el crecimiento y acortamiento dinámico de estos microtú-bulos en sus extremos másliende a suceder en la periferiade las células.

Ya hemos visto que los microtúbulos celulares presen-tan una inestabilidad dinámica: crecen desde el centroso-ma y después se desensamblan. Este proceso puede ocurrirasí en los MTs de vida corta, distribuidos a\ azar en la célu-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 cómo esta captura de los microtúbulos, produce unconjunto de MTs ordenados de una manera precisa (Fi-gura 15.11d), como analizaremos en el Capítulo 19.Antesde la profase, el centrosoma se replica, dando lugar a dos

rl, ¡

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I nterfase

ffiProfase temprana Metafase

476 Capitulo 15 El citoesqueleto

centrosomas hijos. Éstos se separan durante la profase'temprana

y se mueven a lados opuestos de la célula, don-de sirven como los polos del huso mitótico. 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 más de los MTs. Aquellos MTs quea medida que crecen desde el polo del huso, encuentrenun cinetocoro, serán capturados y estabilizados. Aquellosque no lo encuentren se desorganizarán finalmente, porinestabilidad dinámica, y serán reemplazados por unosnuevos que experimentarán el mismo proceso. A travésde sucesivos ciclos de crecimiento y depolimerización deMTs, el cinetocoro de cada cromosoma capturará final-mente un MT y se conectará a los polos del huso acro-mático.

Los cinetocoros no son los únicos lugares donde se es-tabilizan los extremos mós de los MTs. Los MTs asociadoscon e\ córtexcelular, la red de actina desarrollada por deba-jo de la membrana plasmática, son estabilizados en algu-nas situaciones. Tanto en el cinetocoro como en el córtex,existen unas proteínas <<rastreadoras>> de extremos más quese asocian con dichos extremos de Ios MTs. Se cree que es-tas proteínas, ya sea directa o indirectamente, estabilizanlos extremos másy disminuyen la probabilidad de que su-fran una pérdida catastrófica de subunidades.

Ciertas drogas afectan al ensamblaje de los microtúbulos

Existen varias drogas que afectan el ensamblaje de los mi-crotúbulos. La más conocida es la colchicina, presentadaanteriormente en este capltulo, que actúa uniéndose a losdlmeros de tubulina. El complejo cochicina-tubulina re-sultante, puede unirse al extremo en crecimiento del MT,pero bloquea Ia incorporación posterior de moléculas detubulina y desestabiliza la estructura, promoviendo por lotanto la depolimerización del MT. La vinblastinayla vin-cristinason compuestos relacionados que se obtienen de lavinca menor (Vinca minor), que provocan la agregación dela tubulina en el interior de la célula. El nocodazol (unbenzimidazol sintético) es otro compuesto que inhibe lapolimerización 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 antimitóti-cas porque desorganizan el huso mitótico de las células endivisión, bloqueando el progreso de la mitosis. La sensibi-lidad del huso mitótico a estas drogas es comprensible yaque las fibras del huso están compuestas por muchos mi-crotúbulos. La vinblastina y la vincristina tienen tambiénaplicación médica como drogas anticancerosas. Se utilizancon este propósito porque las células cancerosas se dividenrápidamente y son, por lo tanto, más susceptibles a las dro-gas que interfieren con el huso mitótico.

El taxol, que también ha sido presentado anteriormen-te en este capítulo, tiene el efecto contrario en los microtú-bulos: cuando se une a los MTs, los estabiliza. Dentro de lascélulas, provoca que la tubulina libre se una, formandoMTs y secuestrando a las células en mitosis. Así, tanto el ta-xol como la colchicina bloquean a las células en la mitosis,pero lo hacen produciendo efectos opuestos en los MTs, ypor tanto, en las fibras del huso mitótico. El taxol se usatambién en el tratamiento de algunos tipos de cáncer, enespecial en el de cáncer de mama.

Los microtúbulos están regulados en toda su longitudpor proteínas asociadas a microtúbulos

Se sabe que ciertas proteínas modulan la estructura, el en-samblaje y la función de los microtúbulos. Estas proteínasasociadas a los microtúbulos (MAPs) representan el 10-l5o/o de la masa de MTs aislados de las células. Las MAPsconfieren un nivel de regulación extra a la organizaciónyfunciones de los MTs. Para modular Ia función de los MTs.muchas MAPs se unen a ellos a intervalos regulares, for-mando proyecciones desde la pared, que permiten la inter-acción con otros filamentos y estructuras celulares. LasMAPs son también importantes en la regulación del en-samblaje de los MTs, probablemente uniéndose al extremomás en crecimiento de un microtúbulo y estabilizándolo ypreviniendo así su desensamblaje. Se ha demostrado que lamayoría 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 sí o con otras estructuras, y en cómo se re-gulan sus efectos en los MTs.

La función de las MAPs ha sido muy estudiada en lascélulas cerebrales, ya que constituyen la fuente principal deestas proteínas. Se pueden distinguir dos clases de MAPsasociadas a los MTs de las células cerebrales: las proteínasmotoras asociadas a los MT (MAPs motoras) y las MAPsno motoras. Las MAPs motoras se denominan asl porqueusan AIP para dirigir el transporte de vesículas u orgánu-los o para generar fuerzas de deslizamiento entre MTs. En-tre ellas se encuentran la quinesina y la dineína. Estudiare-mos estas proteínas más detalladamente en el Capítulo 16.

Las MAPs no motoras parecen controlar la organiza-ción de los microtúbulos en el citoplasma. Un ejemplo lla-mativo de dicha función puede observarse en las neuronas.El correcto funcionamiento del sistema nervioso dependede las conexiones que establecen las neuronas entre sí, 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 señales eléctricas desde elcuerpo celular de Ia neurona, y en dendritas, que recibenseñales de las células vecinas y las transportan al cuerpo ce-lular. Los haces de MTs son particularmente más densos enlos axones que en las dendritas.

Microtúbulos477

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

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

La diversidad de las MAPs puede ayudar a explicarcómo pueden diferir las células en la organización de susmicrotúbulos. Además,la función de algunas MAPs puedealterarse mediante fosforilación, lo que proporciona a lacélula un medio rápido de control de la organización de losmicrotúbulos.

Microfilamentos

Con un diámetro cercano a los 7 nm, los microfilamentos(MFs) son los filamentos más pequeños del citoesqueleto(véaseTabla 15.1). El aspecto mejor conocido de los mi-crofilamentos es la función que desempeñan en las Ábpscontrá"riles de las células mrtscrll^""", donde interaccionancon filamentos de miqsila, más gruesos, para provocar lascontracción característiCa del músculo. Sin embargo, losMFs no son exclusivos de las células musculares; están pre-sentes en casi todas las células eucariotas y participan enmuchos otros fenómenos, que incluyen varias funcioneslocomotoras y estructurales.

Algunos ejemplos de los movimientos celulares enlos que participan los microfilamentos son el movim.ien-Ítaryeboide, movimiento de las células sobre un sustratoal que están unidas, y las corrientes citoplásmicas, trnpatrón de flujo citoplásmico regular de algunas célulasvegetales y animales. Los MFs también producen los sur-cos de segmentación que dividen el citonlasma de las cé-lulas animales durante la citocinesis. Trataremos con másdetalle todos estos fenómenos en el Capltulo 16. Los MFstambién están presentes en los lugares de unión de unacélula con otra y con la mat"riz extracelular (véase Capi-tulo 17).

Además 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 plasmática que sedenomjna córleix celular. El córtex aporta rigidez estruc-tural en la superficie de la célula y facilita los cambios deforma y el movimiento celular. Por otra parte, el núcleo

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

La actina es la proteína con la que se construyenlos microfilamentos

La actina es una proteína extremadamente abundante enprácticamente todas las células eucariotas, incluyendo lascélulas de las plantas, las algas y los hongos. La actina sesintetiza como un único polipéptido de 375 aminoácidos,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 moléculas individuales de actina se denominanactina-G (actina globular). Bajo las condiciones apropia-das, las moléculas 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 proteínas. Estas proteínas de unión aactina bien regulan y modiñcan la función de la actina,bien son reguladas u organizadas ellas mismas por la aso-ciación con la actina.

Figura 15,12 Estructura molecular de un monómero de G-actina.La cristalograffa de rayos X muestra que el monómero de actina-Gtiene una conformación similar a una U. Un nucleótido (AIP oADP) se une reversiblemente en una cavidad de la proteína.Cuando los monómeros de actina-G poümerizan formandoF-actina, Ia entrada de la cavidad se tapa por otro monómerode G-actina, atrapando en el interior el nucleótido unido. Además,la unión de una actina-G a otra, provoca que la entrada a la cavidadse cierre más fuertemente sobre el nucleótido unido, promoviendola hidrólisis del AIP.

478 GapÍtulo 15 E¡ citoesqueleto

En las células existen difetentes tipos ie actinasy de proteínas lelacionadas con la actina

La actina es la más conservada de los tres tipos de proteínasdel citoesqueleto. En ensayos funcionales, todas las actinasparecen idénticas 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. Básándonos en la similitud en la secuencia,podemos. distinguir dos grandes grupos principales: las ac-tinas específicas del músculo (actinas a) y las actinas nomusculares (actinas fryy).Enelcaso delas actinas Fyy,seha demostrado recientemente que se localizan en diferen-tes regiones de la célula y que parece que interaccionan demanera diferente con las proteínas de unión a actina. Porejemplo, en las células epiteliales, que presentan una regiónapical, dotada de microvellosidades, y otra basal, unida a lamatriz extracelular (véaseFigua 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 célula.

Ademádde los diferentes tipos de actinas, existe una co-lección de proteínas parecidas, que se denominanpygiagrebcjpnaaas conJs-eújgt (Arpt.El grado de semejanzacon las actinas es menor y así, por ejemplo, las actinas delas levaduras y del pollo son idénticas en más del 90%o desus aminoácidos, mientras que las Arps presentan sólo el50olo de similitud con varias actinas diferentes. Como vere-mos más tarde en este capltulo, Arp2y Arp3 participan enla nucleación de nuevos microfilamentos en las células enmigración.

Los monómeros de act¡na-G polimedzanen microf¡lamentos de act¡na-F

De manera parecida a los dímeros de tubulina, los monó-meros de actina-G pueden polimerizar reversiblemente enfilamentos, con una fase de iniciación lenta que correspon-de a la nucleación del filamento, seguida por una fase másrápida de crecimiento del polímero. La cinética de la poli-merizaciónde la actina puede estudiarse en una disolución,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, están compuestos por dos hebras lineales deactina-G polimerizada, unidas una a la otra formando unahélice, con más o menos 13,5 monómeros de actina porvuelta (Figura 15.13).

Todos los monómeros de actina están orientados en lamisma dirección dentro de un mismo microfilamento,por lo que el MR al igual que el microtúbulo, posee unapolaridad inherente, con un extremo que difiere del otrotanto química como estructuralmente. Dicha polaridadpuede ser fácilmente demostrada incubando a MFs con elsubfragmento lde la miosina (S1), un fragmento proteo-Iítico de la miosina (Figura 15.14). Los fragmentos S1 seunen, o <decoran>, a los MFs de actina siguiendo un pa-trón en forma de flecha, con todas las moléculas de Slapuntando en la misma dirección (Figura 15.14c). Basán-dose en este patrón en forma de flecha, frecuentemente seutilizan los términos extremo puntiagudo y extremo bar-bado, para identificar los extremos menos y mós, respecti-vamente, de un MF. La polaridad en el MF es importanteporque permite una regulación independiente de la poli-

ATP ADp l<-36 nm----l

-t(a) Ensamblaje del MEF

(b) Actina-F purificada Fj-dlrm-f

Figura 15.13 Modelo del ensamblaje de los microfilamentos in vitro. (a) Los monómeros de actina-G polimerizan en filamentos largos de

actina-F con un diámetro aproximado de 7 nm. La hélice da una lrrelta cada36-37 nm, y se requieren cerca de 13,5 monómeros para una

vuelta completa. La incorporación de cada monómero de actina-G está acompañada o seguida de la hidrólisis de la molécula de ATP, que

lleva fuertemente unida el monómero. De todas formas, no se requiere la energía de hidrólisis del ATP para llevar a cabo la reacción depolimerización. (b) Micrograffa electrónica de actina-F purificada (TEM).

Microfilamentos479

Miosina

merización y depolimerización de la actina, en cada extre-mo del filamento.

La polaridad de los microfilamentos se refleja en la in-corporación o pérdida de actina-G, más rápida en el extre-mo más, y la incorporación o pérdida de actina-G, máslenta en el extremo menos (Figura 15.13a). Si se añade ac-tina-G a pequeños fragmentos de actina-F decorada conS1, la polimerización sucederá mucho más rápida en elextremo barbado, lo que indica que este extremo del fila-mento coincide con el extremo más.Aunque las condicio-nes sean favorables para la incorporación de monómerosen ambos extremos del filamento, el extremo más crecerámás rápido que el extremo meno*

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

Extremo menos Extremo menos (apuntado)

Subunldadde actina

Segmentode miosina

pueden también elongarse con ADP-actina-G o a partir deanálogos no hidrolizables de AlP-actina-G.

Las células pueden regular dinámicamente la maneray el lugar donde se ensambla la actina

Como acabamos de ver, al igual que ocurre con los micro-túbulos, las células pueden regular dinámicamente dóndey cómo debe ensamblarse Ia actina-G, para formar los mi-crofilamentos. Las células 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 más de-talle estas estructuras especializadas en el Capítulo 16). Eltipo de protrusión parece depender de la naturaleza delmovimiento celular y de Ia organización de los filamentosde actina en la célula. En aquellas células que están fuerte-mente adheridas al sustrato y que no se mueven bien, exis-ten unos haces de actina, denominado s fibras de estrés o derefuerzo, que se extienden desde la cola de la célula, o este-Ia hasta el frente (Figura 15.15a). Las células que se mueven

Cabezas

Subfragmento 1( s1 )

^mfl-vSubfragmentol

(S t ¡

K+Meromiosina l igera

(LN/M)

(b) Tratamlento posterior c.ñ +';^^i^^ |

AqOOOOI +Subfragmento 2

(s2) Extremo más l---------------0,25 um

' Extremo rnás (barbado)

(c) EM y diagrama de los fragmentos 51 "decorando"microf i lamentos de actina

Figuta 15.14 Utilización de subfiagmentos de miosina 51 pala determinar la poladdad de la actina, La miosina II forma parte de Iamaquinaria contráctil de Ias células musculares. La cabeza globular de ia molécula de miosina se une a la actina, mientras que las colas demiosina pueden asociarse con filamentos de miosina (los miofilamentos gruesos de las células musculares). (a) La miosina II puede serescindida por acción de proteasas, como Ia tripsina, en dos partes, la meromiosina pesada (HMM) y la meromiosina ligera (LMM). (b) LaHMM puede digerirse posteriormente, quedando sólo Ia cabeza globular. Este fragmento, denominado, subfragmento I de ia miosina (Sl),conserva sus propiedades de unión a actina. (c) Cuando se incuban los microfilamentos de actina con la miosina Sl y se examina despuéscon un microscopio electrónico, los fragmentos Sl parecen <decorar> los microfilamentos como puntas de flecha. Todas las puntas de flechaS 1 señalan el extremo menos, indicando la polaridad del MF.

480 Capítulo 15 El citoesqueleto

Fibra de estrés

Figura 15.15 Alquitectuta de la actina enlas células que se anasttan, La actinaestá presente en diferentes estructuras encélulas reptantes, como este macrófago.(a) Las fibras de estrés, haces contráctilesde actina, recorren la célula desde el ladode la cola hasta el frente de avance. (b) Enla periferia de la célula se encuentra elcórtex, que está 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 contráctil

rápidamente no poseen estos haces de actina tan peculia-res. En estas células, el córtex celular, que subyace inmedia-tamente bajo la membrana plasmática y que Presenta mu-cha actina, está 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 (mós) orientado haciala punta de la protrusión (Figura 15.15c). La actina de Ioslamelipodios está peor org^nizada que la de los filopodios(Figura 15.16). La comprensión de cómo las células regu-lan tal variedad de estructuras basadas en actina, requiereentender cómo las células pueden regular la polimeriza-ción de los MFs y cómo los MFs, únavezyapolimerizados,establecen redes.

Ciertas proteinas y drogas específicas afectana la dinámica del polimeto en los extremosde los mictofilamentos

Las células controlan el proceso de polimerización del MFen varios puntos, incluyendo la nucleación de nuevos MFsyla elongación de los MFs ya existentes; también controlanla tasa de depolimerización de actina. Tanto las proteínascomo los lípidos de membrana regulan la formación' esta-bilidad y la ruptura de los MFs. Aquí participan varias pro-teínas de unión a actina, fosfolípidos de inositol, que se en-cuentran en la cara interna de la membrana plasmática, yRAc, Rho y Cdc42, que son proteínas reguladoras peque-ñas que ligan GTP (proteínas G monoméricas).

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

(b) Gel (c) Haces paralelos

Haces de actinaen los f i lopodios

Red deact¡na en ellamelipodio

T,sp^-

Figura 15.16 Micrografia electrónica de cilogtabado ptofundo

mostrando los haces de actina en los filopodios. Esta vista de laperiferia de un macrófago 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 membranaplasmática del lamelipodio.

Córtex celular Fi lopodio

Microfilamentos481

unida a ATP. Si es elevada, se formarán microfilamentoshasta que la concentración de actina-G unida a AIP sea li-mitante. Sin embargo, en la célula no se dispone de unagran cantidad de actina-G libre para la formación de mi-crofilamentos, porque la mayoria está unida a la proteínatimosina p4.En la transferencia de monómeros de actina-G desde el complejo timosina B4 al extremo de un microfi-lamento en crecimiento, parece estar implicada una segun-da proteína llamada profilina, pero esto sólo sucede siexisten filamentos con extremos libres disponibles. Se sabeque otra proteína, 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, esté disponible para ser convertidaen ATP-actina-G, que puede ser reutilizada y añadirse a losextremos más en crecimiento de los MFs,

Las drogas que provocan la depolimerización de losmicrofilamentos afectan a la capacidad de la célula para in-corporar actina-G en los extremos más de los MFs. Lascitocalasinas, presentadas anteriormente, bloquean la in-corporación de nuevos monómeros a los MFs polimeriza-dos existentes. Como las subunidades se pierden gradual-mente por los extremos menos, al finaj p.orroiur urrudepolimerización. Por el contrario, la latrunculinaA actúasecuestrando los monómeros de actina, impidiendo su in-corporación en los extremos más de los MFs en crecimien-to. En ambos casos, el resultado neto es la pérdida de losMFs en las células tratadas.

El crecimiento depende además de que los microfila-mentos estén o no encasquetados. El encasquetamiento

' tiene lugar cuando una proteína casquete se une al extemodel filamento e impide la incorporación o pérdida adicio-nal de subunidades, provocando así su estabilización. Unade estas proteínas que actúa como una capucha en los ex-tremos más de los microfilamentos se denomina CapZ,Cuando Capz se une al extremo del filamento se bloquea laincorporación adicional de subunidades en el extremomás; ctando CapZ se quita, puede reanudarse la incorpo-ración de subunidades.

Los fosfolípidos de ¡nos¡tol regulan a las moléculasque afectan a la polimerización de la actina

Los fosfolípidos de inositol son uno de los fosfolípidos demembrana. Un derivado del inositol, el inositol trifosfato(IPr), es un componente clave en la vía de señalización através de proteínas G heterotriméricas, como veremos enel Capítulo 14. Los grupos hidroxilo del anillo inositol delfosfatidil inositol, otro derivado del inositol, pueden serfosforilados en el citoplasma por quinasas específicas, pro-duciéndose varios productos fosforilados conocidos comop olifo sfoino sítido s. Ngunos polifosfoinosítidos se unen aproteínas de unión 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 proteínas de interaccionar con la actina. CapZ seune fuertemente a PIP2, lo que tiene como resultado su eli-minación del extremo del microfilamento, permitiendo deesta manera, tanto la depolimerización del filamento,como el incremento de monómeros disponibles para laformación de nuevos filamentos.

La ramificación de la act¡na está controlada por elcomplejo Atp2/3

Además de los filamentos individuales de actina que sealargan o encogen, existen otras redes de actina en las célu-las. Por ejemplo, los lamelipodios contienen filamentos deactina que constituyen una red en forma dendríticao de ár-bol (Figura 15.I7a). Ya hemos comentado anteriormenteque los extremos barbados de las ramas rectas formadaspor la polimerización de monómeros de actina por mediode la profilina, se encuentran probablemente bloqueadospor proteínas casquete. En el lamelipodio intervienen ade-más proteínas adicionales. El complejo complejo Arp2l3,constituido por proteínas relacionadas con la actina, parti-cipa en la ramificación mediante la nucleación de variasramas en los lados de filamentos ya existentes, fenómenodemostrable cuando se añade actina-G fluorescente (porejemplo, monómeros marcados con un colorante rojofluorescente) a microfilamentos formados por actina mar-cada con una señal fluorescente diferente (por ejemplo, uncolorante verde). Se observa que brotan ramas rojas de losmicrofllamentos verdes existentes cuando se añaden 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 ramificación (Figura l5.l7c). Los miembros deuna familia de proteínas, que incluye ala proteína del sín-drome de Aldrich o WASP, activan la ramificación a travésde Arp2l3. Los enfermos que no pueden producir WASPfuncional, tienen un déficit en la capacidad de sus plaque-tas de cambiar de forma, y como consecuencia tienen pro-blemas de coagulación sanguínea.

La polimerización de actina puede regularse indepen-dientemente del complejo Arp2l3,a través de proteínas co-nocidas como forminas. Las forminas son necesarias paraensamblar ciertas estructuras de F-actina, como los hacescompactos y el anillo contráctil de la división celular (véa-se Capítulo l9).

Rho, Rac y Cdc-42 regulan la polimerización de la actina

La células en migración deben regular cuándo y dóndeforman expansiones, organizando redes de actina en di-chos lugares y desorganizándolas cuando ya no se nece-siten más. Un caso llamativo de dicha regulación es elcambio dramático que experimenta el citoesqueleto en cé-lulas expuestas a determinados factores de crecimiento.Por ejemplo, los fibroblastos crecen, se dividen y formanextensiones membranosas ricas en actina, similares a los

482 Capítulo 15 El citoesqueleto

'0,2 pm (b)

f ¡ o Crecimiento porlos extremosbarbados

, t ¡Proteínascasquete

¡

en los lateralesde los filamentos I L, proteína

casquereflnaliza laelongación

o

t'tO

i

^rP¿lo t-crotelnao" t

o ?.

;=t=- 'Las proteínas 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 células en

migración, presentan un patrón de ramificación característico. (a) Filamentos de actina ramificados en un queratocito de una rana. Los

filñnentos áe actina ramificados están coloreados para facilitar su identificación (TEM de criograbado profundo). (b) La actina polimeriza

formando ramas cuando se añaden monómeros dá actina marcados fluorescentemente (rojo), y proteínas WASP y Arp2l3, a filamentos de

actina 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) (microscopía de fluorescencia). (c) La protelna Arp2l3

(detectada mediante el uso de anticuerpos conjugados cón partículas de oro, en amarillo), se localizan en los puntos de ramificación (TEM

iriograbado profundo). (d) Modelo de ramificación depenáiente de Arp2l3. Las proteínas de la familia WASP estimulan Ia ramificación; las

proteínas casquete participan en la regulación 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. Cada

cimieito derivado de plaquetas (PDGF) Otros factores, una de estas proteínas provoca efectos profundos y dife-

como el ácido lisofosfuti¿l.o (LPA) inducen a las células a rentes en el citoesqueleto de actina (Figura 15.18).

formar fibras de estrés. Por ejemplo, la estimulación de la vía de Rac tiene como

¿Cómo provocan dichas señales tal espectacular reor- resultado la extensión de lamelipodios y la inhibición de

gaiizaciónin el citoesqueleto de actina? Muchas de estas Rac impide esta respuesta normal al PDGF De una manera

i'eRales producen camblos en el citoesqueleto de actina a similar, la activación de la vía de Rho tiene como resultado

través de su acción sobre un pequeño grupo de proteínas Ia formación de fibras de refuerzo, y la inactivación de Rho

relacionadas con la proteírru ó *ono-érica Ras, que está impide la aparición de estas fibras, después de la exposición

implicada en la traniducción de señales mediadas por re- de los fibroblastos a LPA. Por último,la activación de Cdc42

."pto. (véase Capitulo l4). Las pequeñas proteínas-G Rac, produce la formación de filopodios. Estos ¡esultados indi-

Rho y Cdc42son importantes ieguladores de la polimeri- can que las proteínas G pequeñas regulan la formación de

zació,nde actina, deniro de las células. De hecho, estas pro- diferentes tipos de protrusiones. Lo llevan a cabo regulando

teínas son imprescindibles para que los factores de creci- la polimerización local de microfilamentos, que se ensam-

Microfilamentos 483

An exo

Los vrrcRooRcANrsMos rNFECCrosos puEDEN MovERSEDENTRO DE LAS CÉTUTNS USANDO (COLAS) DE ACTINA

Uno de los hallazgos más notables en la investigación de la movi-lidad celular, es el descubrimiento de que ciertos microorganis-mos que caus¿rn las enfermedades, pueden aprovecharse de lossistemas de adhesión y movilidad de una célula para sortear susdefensas e introducirse en ellas (véase Capítuto iZ¡. Et ejemplomás estudiado es el de la bacteria gram-positiva Listeria monocy-togenes. Una de las formas de adhesión Listeria es mediante laprotelna internalina A,, que se une ala cadherina E, protelna de lasuperficie de la célula huésped. (Para saber más sobre las cadhe-ri:nas, véase el Capltulo 17.) Una vez unida, Listeria se introduceen la célula, se mueve por ella a una velocidad de 1l pmlmín yavanzahacialas células vecinas sin infectar, donde continuará suciclo infectivo (Figura 15.Ala). Desde la bacteria irradian peque-ños filamentos de actina, formando <colas de cometa> de actina-F ramificada (Figura 15.A1b). Se ha descubierto, utilizando acti-na marcada fluorescentemente, que las colas se forman por lapolimerización de actina dependiente de Arp2l3,que comienza anuclear cerca de la superficie de la bacteria internalizada. La pro-

teína de la superficie de Listeria, que promueve la polimerizaciónde 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 células en mi-gración, probablemente las colas se formen utilizando gran par-te de Ia propia maquinaria celular.

Otras bacterias inducen la formación de otros tipos diferen-tes de <colas> de actina. Las bacterias del género Rickettsia, queprovocan el tifus, inducen la formación de largas colas de actinasin ramificar que recuerdan a los filopodios. Así, diferentes pató-genos han desarrollado formas distintas de valerse del citoesque-leto del huésped para propulsarse.

Otros patógenos se unen a Ia superficie celular, pero no se in-ternalizan. Por ejemplo, la forma enteropatógena de E.coli, queforma colonias en la superficie de las células epiteliales intestina-les y provoca la diarrea en niños, se une al exterior de las célulasintestinales donde forma <pedestales> ricos en actina, que funcio-nan de manera similar a las colas de actina inducidas por Lísteria.

Acoplamientodespués de launión posteriorde la bacteria .$a

(

\)

\

Internalización

Infecciónde la célulavectna

\

\

La bacteria puededividirse dentrode la célula infectada

Formaciónde la "cola"

(a ) (b ) 0 .1¿m

Figuta 154.1 fnfección de un mactófago pot Listeria monocytogenes. (a) Ciclo vital de Listeria. Una bacteria se acopla a la superficie de unacélula sin infectar. La bacteria después se mueve dentro de la célula, donde puede dividirse y producir más bacterias para postáriormentedispersarse a una célula vecina a través de Ia formación de <colas de cometa> de actina polimirizada. (b) Micrografíá elecirónica detransmisión, qne muestra una célula de Listeria dentro de un macrófago infectado y la <cola de cometa> de filamentos de actina, en la parteposterior de la bacteria.

484 Capítulo 15 El citoesqueleto

Fibras de estrés

(a) Privación de suero

Lamelipodio

(b) Rho activada

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

Las proteinas de unión a act¡na regulan la interacciónentre m¡crofilamentos

Como hemos visto, la polimerización de los MFs puede serun proceso muy dinámico. Además, los MFs, como com-ponentes estructurales del citoesqueleto, pueden formaruna gran variedad de polímeros de actina con diferentesgrados de organización y estabilidad. La estructura localdel citoesqueleto de actina, depende del funcionamientode proteínas de unión a actina y de cómo interaccionanéstas con los microfilamentos.

Filopodios

(d) Cdc 2 actlvada lo rrñf

Un buen ejemplo de la función de las protelnas deunión a actina es el del córtex celular. El córtex celular esuna malla tridimensional de microfilamentos y proteínasasociadas,localizada justo debajo de la membrana plasmá-tica de casi todas las células animales. El córtex sostiene lamembrana plasmática, confiere rigidez a la superficie celu-lar, y facilita los cambios de forma y el movimiento celular.Una función importante de las proteínas de unión a actinaen el córtex es agrupar a los MFs en una red estable conpropiedades similares a un gel. Una de estas proteínas en-trecruzadoras.esla filamina, una molécula grande que estáformada por dos polipéptidos iguales unidos por sus cabe-zas, y con un sitio de unión de actina en cada cola. Las mo-léculas de filamina actúan como (enganches>, uniendo dosMFs en el punto donde se cruzan (Figura 15.19). De estamanera. los MFs se unen entre sí formando redes tridi-mensionales de gran tamaño.

(c) Ra9 activada

Figura 15,18 Regulación de las protrusiones por proteínas G monoméricas. (a) Si se tiñe la actina de un fibroblasto en cultivo en ausenciade factores de crecimiento (<privación de sueror), se observan unos pocos haces de actina y una actividad de formación de protrusionesbaja. (b) Las fibras de refuerzo se forman en situaciones que activan Ia ruta de señalización de Rho (como la adición del ácido lisofosfatídico,LPA). (c) Cuando se activa la vla de Rac (en este caso mediante la inyección de una forma Ras mutante, constitutivamente activa), se formanlamelipodios. (d) Si se activa Cdc42 (por ejemplo, a través de la inyección del factor de intercambio del nucleótido guanina que activaCdc42), se forman filopodios.

Microfilamentos485

oooo

ffi

Figura 15.19 Relaciones entre las pdncipales fotmas estructu¡alesde actina. Las proteínas de unión a actina (verde, morado ycanela) son las responsables de la conversión de los filamentos deactina de una forma a otra.

Otras proteínas desempeñan 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 función

Complejos de

Microvel losidades G-actina-proteína

Proteínas de unióna los monomeros

¡ ' ¡ '

2lFilamentosreforzados

mediante el reforzamiento y/o el encasquetamiento de losMFs; en algunas ocasiones la misma proteína puede desem-peñar ambas funciones. Una de estas proteínas reforzantes yencasquetadoras es la gelsolina, cuya función es romper losMFs de actina y encasquetar los extremos más rccién ex-puestos, impidiendo su polimerización posterior. La gelso-lina es otra proteína de unión de actina que puede ser regu-lada mediante su unión a polifosfoinosítidos; cuando lagelsolina se une a un polifosfoinosítido específico, ya no escapaz de encasquetar el extremo más de un MR permitien-do al extremo sin encapuchar sufrir cambios en su longitud.

Los haces de filamentos de actina forman el núcleode las microvellosidades

A diferencia de la poca organización que presenta la actinaen el córtex celular, otras estructuras formadas por actinaen células no migradoras pueden estar altamente organiza-das. El ejemplo mejor estudiado de polímeros de actina al=tamente organizados es el de los haces de filamentos que seencuentran en las microvillosidades. Las microvillosida-des (o ¡¡is¡6yilli; en singular: microvillus) son un rasgomuy importante de las células de la mucosa intestinal (Fi-gura 15.20a). Por ejemplo, una sola célula del intestino del-gado, tiene cientos de microvellosidades, cada una de ellas

¡ - 7 r - o - I r...: .-l _Complejos Monómeros 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)

electrón-densa

Mlcrofi lamentosde actrna

Entrec ruzamientoslaterales

Proteínas formadorasoe naces

Membranaplasmática

(a) Intest inal microvi l l i0,2¡L,m

(b) Estructura de una microvel losidad

Figura 15.20 Estructura de unmicrovellosidad. (a) Micrografíaelectrónica de las microvellosidades de lascélulas de la mucosa intestinal (TEM).(b) Diagrama esquemático de una únicamic¡ovellosidad, que muestra el núcleo demicrofilamentos que confiere a lamicrovellosidad su particular rigidez. Elnúcleo está formado por varias docenas dehaces de microfilamentos orientados consus extremos máshacia la punta y con elextremo menoshactala célula. Losextremos más esfán embebidos en unaolaca amorfa electrón-densa. Los MFséstán unidos fuertemente uno a otro através de proteínas formadoras de haces(entrecruzadoras) y se conectan a lasuperficie interna de la membranaplasmática mediante entrecruzamientosIaterales.

486 CapÍtulo 15 El citoesqueleto

de I-2 ¡tm de longitud y 0,1 pm de diámetro, lo que au-menta la superficie de la célula unas 20 veces. Esta áreatangrande es esencial para la función intestinal, ya que la ab-sorción del alimento digerido requiere una superficie deabsorción grande.

Como se ilustra en la Figura 15.20b, el corazón de unamicrovellosidad intestinal está formado por un haz de mi-crofilamentos. El extremo más estádirigido hacia la punta,donde queda unido a la membrana a través de una placaamorfa electrón-densa. Los MFs del haz están unidos a lamembrana plasmática además por entrecruzamientos la-terales formados por las proteínas miosina Iy calmodulinq.Estos entrecruzamientos se extienden hacia fuera 20-30nm desde el haz hasta contactar con la placa electrón-den-sa de la superficie interna de la membrana. Los MFs adya-centes se mantienen unidos fuertemente dentro delhaz, através de Ia unión a intervalos regulares de las proteínasentrecruzadoras fimbrinay villina (llamadas también pro-teínas 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 ésta estáncompuestos principalmente por miosina y espectrina, queconectan los microfilamentos entre sí, con proteínas de lamembrana plasmática, yposiblemente también 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 múltiplesproteÍnas

Hemos visto que los microfilamentos participan en el so-porte de estructuras relacionadas con membranas, comolas microvellosidades de las células epiteliales. Los MFsparticipan íntimamente 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 plasmática. La unión delos MFs a la membrana plasmática es indirecta y requiereuna o más proteínas de unión que anclen los MFs a proteí-nas transmembrana de la membrana plasmática.

Las proteínas de unión a actina de la familia FERM(banda 4.7, ezrina, radixinay moesina), son un grupo deproteínas cuya función general parece ser la de unir losmicrofilamentos a las membranas. Si estas proteínas estánmutadas, muchos procesos celulares como la citocinesis,la secreción y la formación de microvellosidades se venafectados. Las proteínas del eritrocito espectrina y anqui-rina (mencionada en el Capítulo 7) constituyen otroejemplo de cómo la actina se puede unir a las membranas.Como se ilustra en la Figura 15.22,1a membrana plasmá-tica del eritrocito está cimentada por una red de filamen-tos de espectrina que están entrecruzados con cadenas

Red terminal0,2 p'm

Figura 15.21 Red teminal de una célula epitelial intestinal, La redterminal que subyace a Ia membrana plasmática se puede observaren esta micrografia electrónica de criograbado profundo de unacélula epitelial del intestino. El nricleo de las microvellosidades estáformado por haces de microfilamentos, que se extienden formandoen una red terminal.

muy cortas de actina. Esta red se conecta a la membranaplasmática a través de las proteínas anquirina y banda 4.1,que unen los filamentos de espectrina a proteínas trans-membrana específicas.

Existen proteínas parecidas a la espectrina, la anquirinay la banda 4.1 en otras células animales además del eritro-cito. Por ejemplo, en el extremo apical de las células epite-liales se encuentra la banda 4.I.La mutación de estas pro-teínas en Drosophila y en el nematodo Caenorhabditiselegans impiden Ia organización de las células epiteliales osu capacidad de cambiar la forma. Éste y otros muchos ex-perimentos demuestran que la membrana plasmática estásoportada por una red cortical de microfilamentos, y quela unión de esta red a la superficie celular es un requisitoindispensable pana el funcionamiento normal de las célu-las animales.

487Microfilamentos

Glucoforina

Actina yBanda 4.1 Espectr ina Anquir ina

t ol l¿m

Figura L5.22 Sostén de la membrana plasmática de un etitrocito poluna red de actina-especttina-anquilina, La membrana plasmática deun glóbulo rojo está cimentada en su superficie interna por una redfilamentosa que aporta flexibilidad y resistencia a la célula. Largosfilamentos de espectrina se entrecruzan con filamentos cortos deactina. La red se ancla a la proteína transmembrana banda 3, pormedio de la proteína anquirina.

Filamentos intermedios

Los filamentos intermedios (IFs) tienen un diámetro apro-ximado de 8-12 nm, 1o que les confiere un tamaño inter-medio entre los microtúbulos y los microflamentos (véase

Tabla 15.1), o entre los filamentos finos (actina) y gruesos(miosina) en las células musculares, donde se describieronpor primera vez. Hasta la fecha, la mayoría de las investiga-ciones se han centrado en las células animales, donde los

IFs se encuentran solos o formando haces, y donde pareceque desempeñan un papel estructural o de mantenimientode la tensión. La Figura 15.23 es una micrografía electróni-ca de los IFs de un fibroblasto humano en cultivo.

Los filamentos intermedios son el elemento más establey menos soluble de los constituyentes del citoesqueleto. Eltratamiento de las células con detergentes o con solucionesde elevada obaja fuerza iónica, elimina la mayor parte delos microtúbulos y de los microfilamentos, y otras proteí-nas del citosol, pero no la red de filamentos intermedios,que mantienen su forma original. Muchos científicos 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 proteínas de los filamentos intermediosson espec¡ficas para cada tejido

Los filamentos intermedios sólo se encuentran en organis-mo pluricelulares, y a diferencia de los microtúbulos y delos microfilamentos, presentan una secuencia de aminoá-cidos muy diferente de un tejido a otro. En función del tipocelular en el que se encuentren, podemos diferenciar seisclases de IFs (Tabla 15.3). Las clases I y II comprenden a lasqueratinas, las proteínas que constituyen los tonofilamen-tos de las células epiteliales que tapizan las superficies delcuerpo y bordean sus cavidades. (Los IFs que se observanbajo la red terminal de la célula de la mucosa intestinal dela Figura 15.21, están formados por queratina.) Las quera-tinas de clase I son queratinas ácidas, mientras que las declase II son queratinas básicas o neutras; cada una de estasclases está formada por al menos 15 queratinas diferentes.

La clase III de IFs la componen la vimentina, la desminay la proteína gliofibrilar ácida.La vimentina esÍá presente enel tejido conjuntivo y en otras células derivadas de célulasno 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 célula. La desmina se encuentra en lascélulas musculares y la proteína gliofibrilar ácida (GFA) escaracterística de las células gliales que rodean y aíslan a lascélulas nerviosas. La clase IV de IFs Ia constituyenlas proteí-nas de los neurofllamentos (NI) que se encuentran en losneurofilamentos de las células nerviosas. La clase V son lasláminqs nucleares A, B y C, que forman un andamio fila-mentoso bajo la superficie interna de la membrana nuclearde prácticamente todas las células eucariotas. Los neurofila-mentos de las células embrionarias del sistema nervioso es-tán formado s por nestina, que constituye la clase VL

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

488 Capítulo 15 El citoesqueleto

(a) (b)200 nm 200 nm

Figura 15'23 Filamentos intemedios. Micrograffas electrónicas de filamentos intermedios reconstituidos in vitro y teñidos mediantetinción 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 Función

I

II

I I I

I I I

uIV

Citoqueratinas ácidas

Citoqueratinas básicas

Vimentina

Desmina

Proteína GFA

Proteínas de losneurofilamentos

NF-L (ligeros)

NF-M (intermedios)

NF-H (pesados)

Láminas nucleares

Lámina A

Lámina B

Lámina C

Nestina

40-56,5

53-67

54

50

O L

t02

1 1 0

70

67

60

240

Células epiteliales

Células epiteliales

Fibroblastos; células de origenmesenquimal; cristalino

Células musculares, especialmentedel músculo liso

Células gliales y astrocitos

Sistema nervioso central y periférico

Todos los tipos celulares

Células madre nerviosas

Resistencia mecánica

Resistencia mecánica

Mantenimiento de la forma celular

Soporte estructural para lamaquinaria contráctil

Mantenimiento de la forma celular

Rigidez axonal. Determinanel tamaño del axón

Forman un andamiaje nuclear para

dar forma al núcleo

DesconocidaVI

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

Debido a la especificidad tisular de los IFs, se puedendistinguir las células animales de diferentes tejidos aten-diendo al tipo de IF presente, utilizando el microscopio deinmunofluorescencia. Esta determinación por el tipo de fila-mento intermedio se utiliza como herramienta diagnósticaen medicina. La determinación del tipo de IF es especial-mente útil en el diagnóstico del cáncer, ya que se sabe quelas células tumorales mantienen las proteínas de IF carac-terísticas del tejido en el que se han originado, indepen-dientemente de dónde se encuentre el tumor en el cuerpo.Habida cuenta de que el tratamiento apropiado depende

con frecuencia del tejido de origen,la determinación del IFes especialmente valiosa en los casos donde el diagnósticopor las técnicas de microscopía convencionales es difícil.

Los filamentos intermedios se forman a partirde subunidades f¡lamentosas

Todos los IFs son producto de una familia de genes rela-cionados yposeen rasgos comunes, aunque presentan dife-rencias significativas en el tamaño y en las propiedadesquímicas. A diferencia de la actina y la tubulina, que sonproteínas globulares, los IFs son proteínas filamentosas.Todas las proteínas de los IFs tienen un dominio central en

Filamentos intermedios 489

forma de bastón de 310-318 aminoácidos, notablementeconservado en tamaño, estructura secundaria ¡ en ciertosentido, en su secuencia. Como se muestra en la Figura15.24,eldominio central está formado por cuatro segmen-tos de hélices enrolladas, separados por segmentos enlaza-dores cortos. A ambos lados del dominio central helicoidalse encuentran los extremos N- y C-terminal, que difierenmucho en tamaño, secuencia y función entre las distintasproteínas de los IFs y que presumiblemente explican la di-versidad funcional de estas proteínas.

En la Figura 15.25 se muestra un posible modelo del en-samblaje de los IFs. La unidad estructural básica de los fi-lamentos intermedios la forman dos polipéptidos de IFentrelazados formando una espiral sobreenrollada). Losdominios centrales helicoidales de cada polipéptido estánalineados paralelamente, con las regiones N- y C-terminalsobresaliendo como dominios globulares en cada extremo.Dos de estos dímeros se alinean lateralmente y forman unprotofilamenfo tetramérico. Los protofilamentos interaccio-nan unos con otros y se asocian superponiéndose lateral ylongitudinalmente para formar una estructura filamentosa.Un filamento intermedio, cuando está plenamente ensam-blado, tiene un diámetro de ocho protofilamentos en cual-quier punto, con los protofilamentos probablemente sola-pados por sus extremos de forma escalonada.

Los filamentos ¡ntermed¡os confieren res¡stenciamecánica a los teiidós

Los filamentos intermedios se consideran importantes de-terminantes estructurales en muchas células y tejidos. Losfilamentos intermedios se localizan con frecuencia en lu-gares de la célula sometidos a estrés mecánico, por lo quese cree que desempeñan una función de resistencia a la

It ^i Segmentos hel icoidales

H^N"

tensión. Por ejemplo, en las células epiteliales,los tonofila-mentos compuestos de queratina, rodean unas placas co-nocidas como desmosomas, que son puntos de unión fuer-tes entre dos células vecinas (véase Figwa 17.18). Otraestructura algo diferente, el hemidesmosoma, establece co-nexiones entre la superficie basal de una célula epitelial y lamatriz extracelular (véaseFigwa 17.17). El sistema de de-mosomas, hemidesmosomas y tonofllamentos soporta lamayor parte de la tensión mecánica cuando el epitelio se vesometido a un estiramiento. La modificación genética delos filamentos de queratina de los queratinocitos en un ra-tón transgénico, tiene como consecuencia que las célulasepidérmicas sean frágiles y se rompan fácilmente. En el serhumano, existen mutaciones naturales en las queratinas,que provocan una enfermedad en la que se producen fre-cuentes ampollas en la piel, denominada epidormolisis bu-llosa simple (EBS). También se sospecha la existencia de de-fectos en los IFs en otras condiciones patológicas, como laesclerosis lateral amiotrófica (ALS),y en ciertos tipos de car-diomiopatías, que se originan por defectos en la organiza-ción del músculo cardíaco.

Aunque nuestro análisis de los IFs pueda dar la impre-sión de que son estructuras estáticas, esto no es cierto. Porejemplo, en las neuronas, los IFs son transportados y remo-delados de una manera dinámica. Otros IFs forman el an-damiaje estructural en la superficie interna de la membrananuclear denominado lámina nuclear (se tratará detallada-mente en el Capítulo 19). La lámina nuclear está compues-ta por tres IFs diferentes llamados lámina nuclear A, B y C.La fosforilación y el desensamblaje de estas láminas formanparte del proceso de desorganizacíón de la eruuelta nuclearal inicio de la mitosis. Después de la mitosis, las fosfatasasde las láminas eliminan los grupos fosfato, y permiten quela envuelta nuclear pueda agregarse de nuevo.

t l

D o m i n i o r ^ ^ _ , ^ , ñ a m i n i ¡uur rriñio central en forma de bastón --------------*i :" :Ntefminal | | u-termtnal

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Segmentos de unión o| | l l T i n n l l / n r r o r e i i n a c h á c i ¡ a c r ¡ n a ¡ r t r a c \

H"N* c-o- '

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o_O_ Tipo l l l (vimentina, desmina y proteía GFA)

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Tipo |V (proteína NF)

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H 3 N * C - O - " v v v ' q " " " q u " u v ' v q r v u /

Figura 15.24 Similitudes estructurales en las proteínas de los filamentos intemedios. Los seis tipos de proteínas de los filamentos intermediostienen un dominio central en forma de bastón formado por cuatro segmentos heücoidales que están interrumpidos por tres segmentosenlazadores. Se cree que el dominio central desempeña un papel importante en el ensamblaje del IF. Este dominio está altamente conservado entamaño, estructura secundaria y secuencia, si bien las homologías se restringen a las regiones helicoidales. En los tipos del I al IV los segmentoshelicoidales presentan 276 aminoácidos y los segmentos de unión no son helicoidales. En los del tipo V, los segmentos helicoidales contienen318 aminoácidos y sus segmentos de unión son también helicoidales. Los dominios N- y C-terminal que flanquean la parte central no sonhelicoidales y son mucho más variables tanto en tamaño como en secuencia. (La estructura del sexto tipo, nestina, no se muestra.)

490 Capitulo 15 El citoesqueleto

-{

B-12 nm

(a) Dímero (b) Tetrámero (c) Protofilamentos

", il,,ffi:::"

Figun 15.25 Modelo del ensamblaje de los filamentos intemediosin vitro. (a) El punto de partida para el ensamblaje es una parejade polipéptidos IF. Los dos polipéptidos son idénticos en todos losIFs, excepto en los filamentos de queratina, que sonobligatoriamente heterodímeros, con un polipéptido del tipo I yotro del tipo II. Los dos polipéptidos se enrollan uno sobre el otroformando una hélice enrollada de dos cadenas, con sus dominioscentrales conservados alineados paralelamente. (b) Dos dímeros sealinean lateralmente para formar un protofi.lamento tetramérico.(c) Los protofilamentos se ensamblan en fi"lamentos más hrgos através del alineamiento por sus extremos o por los laterales. (d) Seconsidera que el filamento intermedio está completamenteensamblado cuando tiene un grosor de ocho protofilamentos encualquier punto.

El citoesqueleto es una estluctura ¡ntegradamecán¡camente

En los apartados anteriores, hemos considerado los dife-rentes componentes del citoesqueleto como entidades se-paradas. Cuando observamos por primera vez las fotogra-ffas del citoesqueleto, parece una red enmarañada pocoorganizada. En realidad, la arquitecura celular depende delas propiedades únicas de los diferentes componentes delcitoesqueleto, actuando de una manera conjunta. Normal-mente se piensa que los microtúbulos resisten la distorsióncuando se comprime a una célula, mientras que los micro-filamentos funcionan como elementos contráctiles que ge-neran tensión. Los filamentos intermedios son elásticos ypueden resistir fuerzas de tensión.

La integración mecánica de los filamentos intermedios,los microfilamentos y los microtúbulos es posible gracias ala acción de proteínas de unión que los conectan entre sí.Recuerde que los desmosomas y los hemisdesmosomas es-

tán unidos a los filamentos intermedios a través de losmiembros de la familia de proteínas dela plaquina, como laplectina, desmoplaquina y el antígeno 1 pemfigoide bulloso(BPAGI; ttéaseCapitulo 17). Dichas uniones proporcionanla resistencia mecánica a los desmosomas y hemidesmoso-mas. Sin embargo, la función de las plaquinas como nexosmecánicos no se reduce únicamente a los desmosomas yhemidesmosomas. Por ejemplo, la plectina es una proteínade unión versátil que se encuentra en lugares de conexiónentre los filamentos intermedios y los microfilamentos olos microtúbulos (Figura L5.26). La plectina, al igual queotras plaquinas, posee sitios de unión para los filamentosintermedios, los microfilamentos y los microtúbulos. Através de la unión de estos tres polímeros principales, lasplaquinas participan en la formación de una red citoesque-lética mecánicamente integrada. Como resultado, las es-tructuras del citoesqueleto pueden adaptarse a las fuerzasde estiramiento de tal manera, que los elementos que so-portan la tensión, se alinean en la dirección del estrés. Laspropiedades de resistencia al estrés, son especialmente im-portantes en las células epiteliales, como las células que re-visten el intestino. Estas células están sometidas a constantetensión, ya que el músculo liso de la pared intestinal se con-trae, presionando sobre el contenido del intestino.

6,T;;Figura 15.26 Conexiones entre los filamentos intermedios y otroscomponentes del citoesqueleto, Los filamentos intermedios estánconectados tanto a los microtúbulos como a los filamentos deactina a través de una protelna llamada plectina. La plectina (enrojo) une los IFs (en verde) a los MTs (en naranja). La plectina estámarcada con partículas de oro (en amarillo). Las plectinas puedenunir también MFs de actina (no se muestra). Los IFs sirven aquícomo conectores fuertes alavezque elásticos, entre los diferentesfilamentos del citoesqueleto.

Filamentos intermedios 49r

El citoesqueleto es un elemento estructu-ral de las células eucariotas, que se puedeobservar muy bien mediante videomi-croscopía digital, microscopía electrónicay microscopía de inmunofluorescencia.Consiste en una red tridimensional am-plia de microtúbulos, microfilamentos yfilamentos intermedios, que determina laforma celular y que permite los movi-mientos celulares.

Los microtúbulos (MTs) son tuboshuecos cuyas paredes están formadas porheterodímeros de tubulina a y B polimeri-zadas linealmente, formando protofila-mentos. Los MTs son estructuras polares yque crecen preferentemente por uno desus extremos, conocido como extremomás. Los microtúbulos fueron identifica-dos por primera vez como constituyentesde estructuras del axonema de cilios y fla-gelos y dei huso mitótico de las células endivisión, y están reconocidos hoy en díacomo un elemento básico de la mayoría delas células eucariotas. Los microtúbulospueden sufrir ciclos de acortamiento ca-tastrófico o de crecimiento, un fenómenoque se conoce como inestabilidad dinámi-ca, En el interior celular, la dinámica y cre-cimiento de los MTs está dirigida por loscentros organizadores de microtúbulos

Problemas

(MTOCs). EI centrosoma es un MTOCimportante, que contiene sitios de nuclea-ción ricos en tubulina 7, necesaria paranuclear el crecimiento del MT. Los micro-túbulos se estabilizan a lo largo de su ex-tensión y en sus extremos más,por mediode proteínas asociadas a los microtúbulos.

Los microfilamentos (MFs) son polí-meros de actina de doble cadena que fue-ron descubiertos inicialmente por la fun-ción que desempeñan en las fibrillascontráctiles de las células muscularesr ac-tualmente se les reconoce como un com-ponente de casi todas las células eucario-tas. Los microfi lamentos son necesariosen muchos procesos celulares, como en lalocomoción celular y en el mantenimien-to de la forma de la célula. Al igual que losmicrotúbulos, los MFs son estructuraspolares, en las que los monómeros de ac-tina se incorporan preferentemente porun extremo y se eliminan por el otro. Elensamblaje de los MFs en Ia célula está re-gulado por las proteínas G monoméricasRho, Ras y Cdc42, por los derivados delfosfatidilinositol, conocidos como poli-fosfoinosítidos, y por las proteínas cas-quete. Otras proteínas estabilizadoras deactina regulan la organízacíón de los MFsen las células, desde los filamentos parale-

los de la actina de las microvellosidades, alas redes de actina ramificada.

Los filamentos intermedios constitu-yen el componente más estable y menossoluble del citoesqueleto. Parecen desem-peñar un papel estructural o de resisten-cia a la tensión. Los IFs son específicos decada tejido y pueden utilizarse para Iaidentificación del tipo celular. Dichaidentificación del tipo es útil en el diag-nóstico del cáncer, ya que se sabe que lascélulas cancerosas conservan las proteí-nas de los IFs del tejido del que provie-nen. Todas las proteínas de los IFs tienenun domino central altamente conservadoflanqueado por regiones terminales quedifieren en tamaño y en secuencia, 1o quepresumiblemente justifica ia diversidadfuncional de las proteínas de los IFs. IFs,MTs y MFs están interconectados en lacélula formando redes citoesqueléticasque pueden soportar la tensión y la com-presión, y que proporcionan resistenciamecánica y rigidez a las células.

Con estos conocimientos, estamos yapreparados para enfrentarnos con el si-guiente capítulo, donde exploraremoscon más detalle la función de los micro-túbulos y los microfilamentos, en la moti-lidad y contractilidad celular.

Los problemas de mayor dificultad están marcados con un ..

15.1 Filamentos y tribulos. Indique si las siguientesafirmaciones son verdaderas para los microtúbulos (MT),losmicrofilamentos (MF),los filamentos intermedios (IF) o paraninguno de ellos (N). Alguna de las afirmaciones puede tenermás de una respuesta.(a) Implicados en la contracción muscular.(b) Iimplicados en el movimiento de cilios y flagelos.(c) Más importante para el movimiento de los cromosomas

que para la citocinesis.Más importante para la citoquinesis que para elmovimiento de los cromosomas, en las células animales.

El que probablemente resistan al tratamiento de las célulascon detergentes no iónicos o con soluciones de elevadaf:uerzaióníca.Se encuentran en las bacterias.

Tienen diferente composición en las células musculares yen las células nerviosas.

Pueden detectarse con microscooía de inmunofluorescencia.

(i) Las funciones que desempeñan en el movimiento celularson bien conocidas.

(j) Se ensamblan a partir de protofilamentos.L5,2 Verdadero, falso o depende. Indique cuál de lassiguientes afirmaciones es verdadera (V), falsa (F), o depende(D), entendiéndose como depende una afirmación que puedeser verdadera o falsa dependiendo de las circunstancias.Explique por qué, en los casos que respondaV o F.(a) El extremo menos de Ios microtúbulos y de los

microfilamentos se llama así porque en é1, las subunidadesse pierden y no se añaden.

(b) La energía necesaria parala polimerización de la tubulina yde la actina la proporciona la hidrólisis de un nucleósidotrifosfato.

(c) Los microtúbulos, los microfilamentos y los filamentosintermedios coexisten, en una célula eucariota típica, en unequi-librio dinámico con un reservorio de subunidadesproteicas.

(d) El tratamiento con latrunculina A bloquearía losmovimientos intracelulares de Listeria.

(d)

(e)

(0(e)

(h )

492 Capítulo 15 El citoesqueleto

(e) Una célula de un alga no tiene ni tubulina ni actina

(0 Todas las subunidades proteicas de los filamentosintermedios están codificados por genes de la mismaiamilia génica.

(C) Todos los microtúbulos de las células animales tienen suextremo menos anclado al centrosoma.

(h) Mientras los monómeros de actina continúenincorporándose al extremo más de un microfilamento, éstecontinuará creciendo.

15,3 Estudios del citoesqueleto. A continuación se describenlos resultados de estudios recientes de las proteínas delcitoesqueleto. Exponga en cada caso, la conclusión que se puedesacar de los resultados.

(a) Las vesículas pigmentarias de las células epidérmicas de lospeces, se agregan o se dispersan en respuesta al tratamientocon ciertas sustancias químicas. Cuando se añadenocodrazol a las células cuyos gránulos de pigmentos hansido inducidos previamente aIa agregación, los gránulosno pueden dispersarse de nuevo.

(b) Cuando se trata con colchicina una célula animal, susmicrotúbulos se depolimerizan y prácticamentedesaparecen. Si posteriormente se retira Ia colchicinamediante lavados, los MTs aparecen de nuevo, comenzandoen el centrosoma y creciendo hacia fuera con una tasa(1 pmlmin) similar a la que polimeriza la tubulina in vitro.

(c) Cuando se introduce y se expresa un gen que codifica para laactina del músculo cardíaco en una célula en cultivo, quenormalmente sólo sintetiza la actina del músculoesquelético, la proteína producida por el gen <forastero> secombina fáciimente con las moléculas de actina indígenassin ningún efecto adverso sobre la forma o Ia función celular.

(d) Se ha observado que los extractos obtenidos de huevos derana en fase G2 del ciclo celular, contienen estructuras quepodrían inducir la polimerización de la tubulina enmicrotúbulos in vitro. EI examen mediante inmunotinciónde estas estructuras, revela que contienen pericentrina.

. L5.4 Estabilización y la concentración crítica. Suponga quese ha determinado la concentración crítica global de unamuestra de tubulina purificada. Después se añade unapreparación de centrosomas (centros organizadores demicrotúbulos), que nuclean los microtúbulos, de tal manera queel extremo menos queda unido al centrosoma y está estabilizadocontra la depolimerización. Cuando se determina de nuevo Iaconcentración crítica global, el resultado es diferente. Expliquepor qué cambia Ia concentración crítica global.

15.5 Polimerización de actina. Se puede seguir lapolimerización de la actina-G en microfilamentos, utilizandoactina marcada con pirenos y un aparato que mida Iafluorescencia de la actina polimerizada en un tubo de ensayo.EI aumento en la fluorescencia puede representarse frenteal tiempo, de una manera similar a los experimentos dedispersión de la luz para medir Ia polimerización de la tubulina(Figura 15.27).Examine el gráfico e identifique cuál de lascurvas corresponde a cada una de las siguientes situaciones. Encada caso, razone su respuesta.

(a) Adición sólo de actina unida a pirenos, en presencia de untampón.

(b) Adición de actina unida a pirenos, junto con proteínas delcomplejo Arp2l3

Tiempo

Figwa 15.27 Cinética de la polimerización de la actina medida porla incorporación de actina unida a pirenos, en varias condicionesexperimentales. (Véase Problema 15.5.)

(c) Adición de actina unida a pirenos, junto con proteínaspurificadas del complejo Arp2l3 y un fragmento proteicopurificado que corresponde a N-WASP activo (unaproteína de la familia WASP)

.15.6 Actina esponjosa. Supongamos que usted estáinteresado en los efectos precisos de la citocalasina D sobre losmicrofilamentos, a lo largo del tiempo. Basándose en lo queconoce acerca del mecanismo de acción de ias citocalasinas,dibuje diagramas de lo que les sucede a los microfilamentos enlas células tratadas con la droga. En particular, explique por quélos polímeros de actina ya existentes, se despolimerizan al final..15.7 Una nueva arruga. Los fibroblastos se pueden meter enláminas finas de silicona. En condiciones normales, losfibroblastos ejercen la suficiente tensión sobre la silicona, paraque se arrugue. Explique cómo se podría comparar Ia capacidadde los fibroblastos de arrugar la silicona, con la de las célulasnormales, bajo las siguientes condiciones.(a) Las células se inyectan con grandes cantidades de gelsolina

purificada.(b) Las células provienen de un ratón modificado por

ingeniería genética, que carece de filamentos intermediosde vimentina.

(c) Las células se tratan con taxol.(d) Las células se tratan con colchicina, la droga se elimina

mediante lavados, y las células se observan periódicamente.

15.8 Activa, guste o no. Se pueden construir por ingenieríagenética, formas constantemenete activas de las proteínas Gmonoméricas (<constitutivamente activas>), o que actúen como<dominantes negativas). El efecto de estas últimas proteínas Ges la desactivación permanente de la vía de señalizaciónasociada con esa proteína G pequeña.(a) Expiique qué Ie sucederá a un fibroblasto en reposo en

suero normal cuando se le introduce un dominantenegativo de Rho.

(b) Expiique qué le sucederá al mismo fibroblasto, si se Ie tratacon el factor de crecimiento derivado de plaquetas(PDGF).

(c) Explique qué le sucederá a un fibroblasto al que se le haintroducido Rho constitutivamente activo cuando se letrata con ácido lisofosfatídico (LPA).

. (goc

Oac)

ltr

Problemas 493

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494 Capitulo 15 El citoesqueleto