Comportamientos Intracelulares: Retículo Endoplásmico, Complejo de Gogi, Endosomas, Lisosomas y Peroxisomas (página 2)

El centrosoma está compuesto normalmente por dos centriolos rodeados por un material granuloso difuso conocido como material pericentriolar.

Los centriolos no son imprescindibles para la formación de MTOCs.

La tubulina ? (gamma). Se pueden ver los anillos de tubulina ? en la base de los MTs que emergen del centrosoma. Los complejos con forma de anillo de tubulina ? sirven como núcleo para el ensamblaje de nuevos MTs.

Antes de la profase, el centrosoma se replica dando lugar a dos centrosomas hijos. Estos se separan durante la profase temprana y se mueven a lados opuestos de la célula donde sirven como los polos del huso mitótico.

Córtex celular: La red de actina desarrollada por debajo de la membrana plasmática.

Ciertas drogas afectan al ensamblaje de los microtúbulos.

Drogas antimitóticas (colchicina o nocodazol –se usa en vez de colchicina porque los efectos pueden revertirse, vinblastina y la vincristina) porque desorganizan el huso mitótico de las células en división, bloqueando el progreso de la mitosis. La sensibilidad del huso mitótico a estas drogas es comprensible ya que las fibras del huso están compuestas por muchos microtúbulos.

La vinblastina y la vincristina tienen aplicación médica como drogas anticancerosas.

El taxol se usa también en el tratamiento de algunos tipos de cáncer, en especial en el de cáncer de mama.

Las MAPs motoras se denominan así porque usan ATP para dirigir el transporte de vesículas u orgánulos o para generar fuerzas de deslizamiento entre MTs. Entre ellas se encuentran la quinesina y la dineína.

Las MAPs no motoras parecen controlar la organización de los microtúbulos en el citoplasma.

El correcto funcionamiento del sistema nervioso depende de las conexiones que establecen las neuronas entre sí y con otros tipos celulares. Para ello las neuronas emiten prolongaciones llamadas neuritas.

Microfilamentos

Con un diámetro cercano a los 7 nm, los microfilamentos (MFs) son los filamentos más pequeños del citoesqueleto. Funcionan en las fibras contráctiles de las células musculares donde interaccionan con filamentos de miosina, más gruesos, para provocar la contracción característica del músculo. Los MFs no son exclusivos de las células eucariotas y participan en muchos otros fenómenos que incluyen varias funciones locomotoras y estructurales.

Los movimientos celulares en los que participan los microfilamentos son el movimiento ameboide, movimiento de las células sobre un sustrato al que están unidas y las corrientes citoplásmicas, un patrón de flujo citoplásmico regular de algunas células vegetales y animales.

Los MFs también producen los surcos de segmentación que dividen el citoplasma de las células animales durante la citocinesis.

Los MFs también están presentes en los lugares de unión de una célula con otra y con la matriz extracelular. Los MFs también son importantes en el desarrollo y mantenimiento de la forma celular.

Casi todas las células animales poseen una intrincada red de microfilamentos justo debajo de la membrana plasmática que se denomina córtex celular. El córtex aparta rigidez estructural en la superficie de la célula y facilita los cambios de forma y el movimiento celular.

La actina es la proteína con la que se construyen los microfilamentos.

La actina extremadamente abundante en todas las células eucariotas incluyendo las células de las plantas, las algas y los hongos. Se sintetiza como un único polipéptido de 375 aminoácidos, con un peso molecular aproximado de 42 kDa. Una vez sintetizada se pliega tomando una forma similar a una U, con una cavidad central que une ATP o ADP. Las moléculas individuales de actina se denominan actina-G (actina globular).

Bajo las condiciones apropiadas, las moléculas de actina-G polimerizan para formar microfilamentos, esta forma se conoce como actina-F (actina filamentosa). La actina tanto en forma G como F se une a muchas otras proteínas. Estas proteínas de unión a actina bien regulan y modifican la función de la actina.

En las células existen diferentes tipos de actinas y de proteínas relacionadas con la actina.

La actina es la más conservada de los tres tipos de proteínas del citoesqueleto.

Además de los diferentes tipos de actinas existe una colección de proteínas parecidas que se denominan proteínas relacionadas con la actina (Arps).

Arp2 y Arp3 participan en la nucleación de nuevos microfilamentos en las células en migración.

Los monómeros de actina-G polimerizan en microfilamentos de actina-F.

Los monómeros de actina-G pueden polimerizar reversiblemente en filamentos.

Todos los monómeros de actina están orientados la misma dirección dentro de un mismo microfilamento, por lo que el MF, posee una polaridad inherente con un extremo que difiere del otro tanto química como estructuralmente.

Subfragmento 1 de la miosina (S1): Fragmento proteolítico de la miosina. Los fragmentos S1 se unen o decoran a los MFs de atina siguiendo un patrón en forma de flecha con todas las moléculas de S1 apuntando en la misma dirección. Basándose en este patrón en forma de flecha, frecuentemente se utilizan los términos extremo puntiagudo (menos) y extremo barbado (más) para identificar los extremos.

La polaridad de los microfilamentos se refleja en la incorporación o pérdida de actina-G, más rápida en el extremo más y la incorporación o pérdida de actina más lenta en el extremo menos.

Los extremos en crecimiento de un MF tienden a tener ATP-actina.

Los MF pueden alongarse con ADP-actina.

Las células pueden regular dinámicamente la manera y el lugar donde se ensambla la actina.

Las células que se desplazan por un sustrato, tienen estructuras especializadas en su extremo de avance denominadas lamelipodios y filopodios que les permiten caminar sobre la superficie.

En aquellas células que están fuertemente adheridas al sustrato y que no se mueven bien existen unos haces de actina denominados fibras de estrés o de refuerzo. Las células que se mueven rápidamente no poseen estos haces de actina tan peculiares.

La actina de los lamelipodios está pero organizada que la de los filopodios.

Ciertas proteínas y drogas específicas afectan a la dinámica del polímero en los extremos de los microfilamentos.

Tanto las proteínas como los lípidos de membrana regulan la formación, estabilidad y la ruptura de los MFs.

En ausencia de otros factores el crecimiento de los microfilamentos depende de la concentración de actina-G unida a ATP.

En la célula no se dispone de una gran cantidad de actina-G libre para la formación de microfilamentos porque la mayoría está unida a la proteína timosina ß4.

Las drogas que provocan la despolimerización de los microfilamentos afectan a la capacidad de la célula para incorporar actina-G en los extremos más de los MFs.

Las citocalasinas bloquean la incorporación de nuevos monómeros a los MFs polimerizados existentes.

Latrunculina A actúa secuestrando los monómeros de actina impidiendo su incorporación en los extremos más de los MFs en crecimiento.

El crecimiento depende además de que los microfilamentos estén o no encasquetados. El encasquetamiento tiene lugar cuando una proteína casquete se une al extremo del filamento e impide la incorporación o pérdida adicional de subunidades, provocando así su estabilización. Una de estas proteínas que actúan como una capucha en los extremos más de los microfilamento se denomina CapZ. Cuando CapZ se une al extremo del filamento se bloquea la incorporación adicional de subunidades en el extremo más.

Los lamelipodios contienen filamentos de actina que constituyen una red en forma dendrítica o de árbol.

Los enfermos que no pueden producir WASP funcional, tiene un déficit en la capacidad de sus plaquetas de cambiar de forma y como consecuencia tiene problemas de coagulación sanguínea.

Las forminas son necesarias para ensamblar ciertas estructuras de F-actina como los haces compactos y el anillo contráctil de la división celular.

Las pequeñas proteínas G Rac, Rho y Cdc42 son importantes reguladores de la polimerización de atina dentro de las células. La estimulación de la vía de Rac tiene como resultado la extensión de lamelipodios y la inhibición de Rac impide esta respuesta normal al PDGF. La activación de la vía de Rho tiene como resultado la formación de fibras de refuerzo y la inactivación de Rho impide la aparición de fibras. La activación de Cdc42 produce la formación de filopodios.

La estructura local del citoesqueleto de actina depende del funcionamiento de proteínas de unión a actina y de cómo interaccionan éstas con los microfilamentos. Un buen ejemplo de la función de las proteínas de unión a actina es el del córtex celular. El córtex celular es una malla tridimensional de microfilamentos y proteínas asociadas, localizada justo debajo de la membrana plasmática de casi todas las células animales. El córtex sostiene la membrana plasmática confiere rigidez a la superficie celular y facilita los cambios de forma y el movimiento celular.

Gelsolina: Cuya función es romper los MFs de actina y encasquetar los extremos más recién expuestos impidiendo su polimerización posterior.

Los haces de filamentos de actina forman el núcleo de las microvellosidades.

Las microvellosidades (o microvilli) son un rasgo muy importante de las células de la mucosa intestinal. Una sola célula del intestino delgado tiene cientos de microvellosidades cada una de ellas de 1-2 &µm de longitud y 0.1 &µm de diámetro, lo que aumenta la superficie de la célula unas 20 veces.

El corazón de una microvellosidad intestinal está formado por un haz de microfilamentos.

Fimbrina y villina llamadas también proteínas formadoras de haces de actina.

En base de la microvellosidad el haz de MFs se extiende formando una red de filamentos conocida como la red terminal. Los filamentos de esta están compuestos principalmente de miosina y espectrina que conectan los microfilamentos entre sí con proteínas de la membrana plasmática y posiblemente también con los filamentos intermedios que se hallan bajo la red terminal. La red terminal confiere rigidez a las microvellosidades anclando sus haces de MFs de tal manera que se proyecten erguidos desde la superficie celular.

Los MFs participan íntimamente en el movimiento celular y en el estrangulamiento de la membrana celular durante la citocinesis.

Las proteínas de unión a actina de la familia FERM son un grupo de proteínas cuya función general parece ser la de unir los microfilamentos a las membranas. Si estas proteínas están mutadas muchos procesos celulares como la citocinesis, la secreción y la formación de microvellosidades se ven afectados.

Filamentos intermedios

Los filamentos intermedios (FIs) tienen un diámetro aproximado de 8-12nm, lo que les confiere un tamaño intermedio entre los microtúbulos y los microfilamentos o entre los filamentos finos (actina) y gruesos (miosina) en las células musculares donde se describieron por primera vez.

Los filamentos intermedios son el elemento más estable y menos solubles de los constituyentes del citoesqueleto.

Los Fis parecen no tener polaridad.

Las proteínas de los filamentos intermedios son específicas para cada tejido.

Los filamentos intermedios sólo se encuentran en organismos pluricelulares.

Podemos diferenciar seis clases de Fis: Las clases I y II comprenden a las queratinas, las proteínas que constituyen los tonofilamentos de las células epiteliales que tapizan las superficies del cuerpo y bordean sus cavidades. Las queratinas de clase I son queratinas ácidas mientas que las de clase II son queratinas básicas o neutras cada una de estas clases está formada por al menos 15 queratinas diferentes.

La clase III de Fis la componen la vimentina, la desmina y la proteína gliofibrilar ácida. La vimentina está presente en el tejido conjuntivo y en otras células derivadas de células no epiteliales. La desmina se encuentra en las células musculares y la proteína gliofibrilar ácida (GFA) es característica de las células gliales que rodean y aíslan a las células nerviosas.

La clase IV de Fis constituyen las proteínas de los neurofilamentos (NF) que se encuentran en los neurofilamentos de las células nerviosas.

La clase V son las láminas nucleares A, B y C que forman un andamio filamentoso bajo la superficie interna de la membrana nuclear de prácticamente todas las células eucariotas.

Las neurofilamentos de las células embrionarias del sistema nervioso están formados por nestina que constituye la clase VI.

Clase de filamentos intermedios:

La actina y la tubulina son proteínas globulares los Fis son proteínas filamentosas.

Los filamentos intermedios confieren resistencia mecánica a los tejidos.

Los filamentos intermedios se localizan con frecuencia en lugares de célula sometidos a estrés mecánico por lo que se cree que desempeñan una función de resistencia a la tensión.

En las células epiteliales los tonofilamentos compuestos de queratina rodean unas placas conocidas como desmosomas que son puntos de unión fuertes entre dos células vecinas.

El hemidesmosoma establece conexiones entre la superficie basal de una célula epitelial y la matriz extracelular.

En el ser humano no existen mutaciones naturales en las queratinas, que provocan una enfermedad en la que se producen frecuentes ampollas en la piel denominada epidermólisis bullosa simple.

La lámina nuclear está compuesta por tres Fis diferentes llamados lámina nuclear A, B y C.

Los microtúbulos resisten la distorsión cuando se comprime a una célula mientras que los microfilamentos funcionan como elementos contráctiles que generan tensión. Los filamentos intermedios son elásticos y pueden resistir fuerzas de tensión.

La integración mecánica de los filamentos intermedios, los microfilamentos y los microtúbulos es posible gracia a la acción de proteínas de unión que los conectan entre sí.

Los desmosomas y los hemidesmosomas están unidos a los filamentos intermedios a través de los miembros de la familia de proteínas de la plaquina.

La plectina es una proteína de unión versátil que se encuentra en lugares de conexión entre los filamentos intermedios y los microfilamentos o los microtúbulos.

Movimiento celular: motilidad y contractilidad

El citoesqueleto de las células eucariotas da forma a la célula y le proporciona un andamiaje intracelular que organiza ciertas estructuras en su interior. Este andamiaje tiene una función dinámica en la motilidad celular.

Motilidad celular: Esta comprendería el movimiento de una célula (o un organismo completo) a través de su ambiente.

La contractilidad: Termino utilizado frecuentemente para describir el acortamiento de las células musculares representa una forma especializada de motilidad.

SISTEMAS MOVILES

La motilidad tiene lugar en el nivel tisular, celular y subcelular.

En el ser humano, el músculo esquelético representa alrededor del 40% del peso corporal y consume una cantidad significativa de nuestro presupuesto energético total.

Corrientes citoplásmicas: El citoplasma está sujeto a un patrón rítmico de flujo.

Los microtúbulos y microfilamentos del citoesqueleto proporcionan el andamiaje básico para proteínas motoras especializadas o mecanoenzimas que interaccionan con el citoesqueleto para generar movimiento en el nivel molecular. Los efectos combinados de estos movimientos moleculares provocan el movimiento en el nivel celular.

Existen dos sistemas principales de movilidad en los eucariotas. En el primero se producen interacciones entre los microtúbulos y motores moleculares especializados. Los microtúbulos son abundantes en la célula y se usan en una gran variedad de movimientos intracelulares. Un ejemplo especifico del movimiento basado en los microtúbulos es el transporte axonal rápido uno de los procesos mediante el cual una célula nerviosa transporta materiales desde la zona central de la célula a las zonas periféricas. El segundo tipo de movilidad en los eucariotas está basado en las interacciones entre los microfilamentos de actina y los motores moleculares que pertenecen a la familia de la miosina. Un ejemplo conocido del movimiento basado en los microfilamentos es la contracción muscular.

MOVIMIENTO INTRACELULAR BASADO EN LOS MICROTUBULOS QUINESINA Y DINEINA

Los microtúbulos (MTs) constituyen un conjunto de pistas rígidas para el transporte de varios orgánulos membranosos y vesículas.

El centrosoma organiza y orienta los MTs debido a que el extremo menos de la mayoría de los microtúbulos se encuentra embebido en el centrosoma. El centrosoma se encuentra normalmente cerca del centro de la célula.

El trabajo mecánico que se necesita para el movimiento depende de las proteínas motoras asociadas en los microtúbulos (MAPs motoras) que se unen a los orgánulos y después caminan a lo largo del MT siendo el ATP quien proporciona la energía necesaria.

Se conocen dos familia principales de MAPs motoras: quinesinas y dineínas.

Transporte axonal rápido: Consiste en el movimiento de vesículas que contienen proteínas y otros orgánulos a lo largo de los MTs.

Axoplasma aislado: el citoplasma de los axones.

Los filamentos a lo largo de los cuales se desplazaban los orgánulos eran los microtúbulos.

La quinesina media el transporte desde el soma al terminal nervioso a través del axón (este transporte se denomina transporte axonal anterógrado). Cuando se llevaron a cabo experimentos similares añadiendo dineína purificada las partículas se desplazaron en dirección contraria hacia los extremos menos de los MTs (este transporte se conoce como transporte axonal retrógrado).

Las quinesinas se mueven a lo largo de los microtúbulos a través de la hidrólisis de ATP.

Las quinesinas se identificaron por primera vez en el axón gigante de calamar. Estas quinesinas clásicas constan de tres partes: La cabeza globular que se une a los microtúbulos y que está implicada en la hidrólisis de ATP, una región helicoidal y una cadena ligera que está implicada en la unión de la quinesina a otros orgánulos o proteínas.

Las dineínas pueden agruparse en dos clases principales: del axonema y citoplasmáticas.

La familia de las MAPs motoras de la dineína está formada por dos tipos principales: las dineínas citoplásmicas y las dineínas del axonema.

Las dineínas citoplásmicas: Poseen dos cadenas pesadas que pueden interaccionar con los microtúbulos, tres cadenas intermedias y cuatro cadenas ligeras. Las dineínas citoplásmicas se desplazan hacia el extremo menos de los MTs. Las dineínas citoplásmicas no pueden unirse de una manera eficaz a los orgánulos por sí mismas. Para ello necesitan asociarse a un complejo conocido como dinactina.

El complejo de Golgi consiste en una pila de membranas aplanadas localizadas en la región del centrosoma. La función del complejo de Golgi es recibir las proteínas fabricadas en el retículo endoplásmico (RE) y procesarlas y empaquetarlas para su distribución a las zonas celulares correspondientes. Encada una de las etapas de este proceso, las proteínas se transportan en vesículas. Las vesículas son transportadas sobre los microtúbulos gracias a MAPs motoras.

Los extremos menos están anclados en el centrosoma por lo que todas las vesículas fabricadas por el RE en varias partes de la célula, se desplazan hacia el centrosoma.

Si se induce la despolimerización de los MTs con la droga nocodazol se produce la dispersión del complejo de Golgi.

Las MAPs motoras y los microtúbulos posibilitan un tráfico bidireccional de vesículas desde y hacia el complejo de Golgi.

MOVIEMIENTOS BASADOS EN LOS MICROTUBULOS

Los cilios y los flagelos son apéndices móviles propios de las células eucariotas.

Los microtúbulos no sólo son cruciales para los movimientos intracelulares sino también para el movimiento de cilios y flagelos. Ambos apéndices tiene la misma base estructural y sólo se diferencian en su longitud, en el número por célula y en la manera en que baten.

Los cilios tiene una diámetro aproximado de 0.25 &µm y una longitud entre 2 y 10 &µm de largo y suelen presentarse en un número elevado en la superficie de las células ciliadas. Cada cilio está rodeado por una extensión de la membrana plasmática y es por lo tanto una estructura intracelular. Los organismos unicelulares como los protozoos utilizan los cilios tanto para la locomoción como para la recolección de partículas alimenticias.

En los organismos pluricelulares los cilios sirven principalmente para hacer pasar el medio alrededor de la célula más que para impulsar la célula por el medio.

Uno de los efectos nocivos del humo del tabaco es que inhibe el batido ciliar.

Los flagelos mueven a la célula a través de un medio fluido. Son mucho más largos -desde 1 &µm hasta 100 a 200 &µm– y suelen estar limitados a uno o unos pocos por célula. Los flagelos están rodeados por una extensión de la membrana plasmática. Los flagelos se mueven con un movimiento curvo propagado.

Los cilios y los flagelos están formados por un axonema unido a un corpúsculo basal.

Los cilios y los flagelos poseen una estructura común que consiste en un axonema o en cilindro principal de túbulos, con un diámetro aproximado de 0.25 &µm. El axonema está conectado a un corpúsculo basal y rodeado por una extensión de la membrana celular. Entre el axonema y el corpúsculo basal existe una zona de transición donde los microtúbulos cambian la disposición que tenían en el corpúsculo basal a la disposición característica del axonema.

El corpúsculo basa está constituido por nueve grupos de estructuras tubulares organizadas alrededor de su circunferencia. Cada grupo se denomina triplete porque está formado por tres túbulos con sus paredes compartidas –un microtúbulo completo y dos microtúbulos incompletos.

Una vez que el ensamblaje de los túbulos ha comenzado, el centriolo pasa a denominarse corpúsculo basal.

El axonema tiene una disposición característica conocida como -9+2- con nueve dobletes de túbulos externos y dos microtúbulos adicionales en el centro, conocidos habitualmente como par central.

Cada doblete del axonema está por tanto constituido por un MT completo denominado el túbulo A y un MT incompleto el túbulo B. El túbulo A tiene 13 protofilamentos mientras que el túbulo B solo 10 u 11. Los dos túbulos del par central son completos con 13 protofilamentos cada uno. Todas estas estructuras contienen tubulina y una segunda proteína denominada tectina. La tectina está relacionada con las proteínas de los filamentos intermedios y es n componente imprescindible del axonema.

El axonema posee otras estructuras como un conjunto de brazos exteriores que se proyectan hacia fuera desde cada uno de los túbulos A de los nueve dobletes externos. Cada brazo exterior se proyecta en sentido horario hacia el túbulo B del doblete adyacente. Estos brazos están formados por dineína, que es la encargada de deslizar los MTs unos sobre otros para doblar el axonema.

Existen dos brazos de dineína, un brazo interior y otro exterior, que se encuentran dispuestos a intervalos regulares a lo largo del MT. Los dobletes adyacentes están unidos a intervalos menos frecuentes por uniones interdoblete. Se cree que estas uniones limitan la distancia que un doblete puede desplazarse con respecto a otro cuando el axonema se curva.

Espinas radiales: Se proyectan hacia el interior desde cada uno de los nueve dobletes de MT y que acaban cerca de un conjunto de proyecciones que se extienden desde el exterior del par central de microtúbulos.

Aparte de la unión de las espinas radiales al par central, una proteína denominada nexina une los dobletes adyacentes entre sí.

El deslizamiento de los microtúbulos en el axonema provoca que los cilios y los flagelos se doblen.

Modelo de deslizamiento de microtúbulos de cilios y flagelos, este deslizamiento produce un incurvamiento localizado debido a que los dobletes del axonema están conectados radialmente al par central y circunferencialmente entre si y por lo tanto no pueden deslizarse libremente uno sobre otro.

Los brazos de dineína son los responsables del deslizamiento: La fuerza motriz para el deslizamiento de los MTs la proporciona la hidrólisis del ATP catalizada por la actividad ATPasa de los brazos de dineína.

Existen motores tanto de movimiento hacia el extremo más como hacia el extremo menos y que transportan componentes hacia y desde los extremos de los flagelos. Este proceso conocido como transporte intraflagelar. Una quinesina parece transportar el material hacia el extremo del flagelo y una dineína lleva el material de vuelta a la base del flagelo.

MOVIMIENTOS CELULARES DEPENDIENTES DE ACTINA: LAS MIOSINAS

El principal sistema de filamentos de la célula el citoesqueleto de actina es también capaz de desplazar molécula y otros componentes celulares.

Las mecanoenzimas funcionan como motores dependientes de ATP que ejercen tensión sobre los microfilamentos de actina en la célula. Las mecanoenzimas pertenecen a una familia conocida como miosinas. Se conocen al menos 18 clases de miosinas. Todas las miosinas tienen una cadena polipeptídica denominada cadena pesada, con una cabeza globular en un extremo unida a una cola de longitud variable.

Cadenas ligeras: Desempeñan frecuentemente un papel en la regulación de la actividad ATPasa de la miosina.

La miosina I y la miosina V parecen unirse a membranas, lo que sugiere que pueden intervenir el movimiento de la membrana plasmática o en el trasporte de orgánulos de membrana dentro de la célula.

Melanocitos: Células que producen pigmento. Queratinocitos células del pelo que toman el pigmento.

Parece ser necesaria una miosina V para el correcto posicionamiento del retículo endoplásmico liso en las células nerviosas.

Las miosinas de tipo II: Está formada por dos cadenas pesadas, cada una con una cabeza globular de miosina, una región bisagra. Estas miosinas se encuentran en las células del músculo liso, del músculo cardíaco y del esquelético al igual que en células no musculares. Las miosinas de tipo II tiene la característica de que pueden juntarse para formar filamentos largos como los filamentos gruesos de las células musculares. La función primordial de las miosinas de tipo II en todas los tipos celulares es trasformar la energía del ATP en fuerza mecánica que provoque el deslizamiento de los filamentos de actina sobre las moléculas de miosina, produciéndose así la contracción de la célula.

La distancia media de una miosina II puede deslizarse sobre un filamento de actina es de 12-15 nm. Al igual que la quinesina, la miosina II es un motor eficaz.

Es útil comparar los dos motores proteicos citoesqueléticos: la quinesina clásica y la miosina II. Los dos tiene dos cabezas que usan para caminar a lo largo del filamento proteico y ambos se valen de la hidrólisis del ATP para cambiar su forma. Diferencias: Las quinesinas convencionales trabaja solas o en pequeños grupos para trasportar vesícula a largas distancias, una única quinesina puede moverse cientos de nanómetros a lo largo de un microtúbulo. Una única molécula de miosina II no puede desplazarse sobre el filamento. A cambio las moléculas de miosina II pueden trabajar formando grupos grandes. En el caso de los filamentos de miosina del músculo, los grupos pueden contener billones de motores trabajando conjuntamente.

MOVIEMIENTO BASADO EN LOS FILAMENTOS: EL MUSCULO

La concentración muscular es el ejemplo de trabajo mecánico mediado por filamentos intracelulares más conocidos.

Las células del músculo esquelético están formadas por filamentos finos y gruesos.

Los músculos esqueléticos son los responsables del movimiento voluntario. Un músculo está formado por haces de fibras musculares paralelas que se unen mediante tendones al hueso que el músculo debe mover.

Miofibrillas: Las miofibrillas tienen un diámetro de 1-2 &µm. Cada miofibrilla está subdividida en unidades que se repiten y que se denominan sarcómeros. El sarcómero es la unidad contráctil elemental de la célula muscula. Cada sarcómero posee haces de filamentos gruesos y de filamentos finos.

Los filamentos gruesos están formados por miosina, mientras que los filamentos finos están formados básicamente por actina.

Los filamentos finos están organizados alrededor de los filamentos gruesos siguiendo un patrón hexagonal.

El patrón de bandas o estrías es característico del músculo esquelético y del cardíaco y es por esta razón por la que se les clasifica como músculos estriados.

Las bandas oscuras se denominan bandas A y las bandas claras bandas I. I viene de isótropa y A de anisótropa.

La región más clara en la mitad de cada banda A se denomina zona H (de la palabra alemana hell que significa -claro).

Recorriendo el centro de la zona H se encuentra la línea M, que contiene miomesina, una proteína que mantiene unidos entre sí a los filamentos de miosina.

En la mitad de cada banda I se observa una línea densa, el disco Z (de la palara alemana zwischen que significa -entre-). La distancia entre un disco Z y el siguiente determina la longitud de un sarcómero. Un sarcómero mide 2.5 – 3 &µm en el estado relajado, pero esta longitud se hace más pequeña a medida que el músculo se contrae.

Los sarcómero están formados por grupos ordenados de actina, miosina y proteínas accesorias.

El patrón estriado del músculo esquelético y el acortamiento de los sarcómeros durante de la contracción se puede explicar atendiendo a los filamentos gruesos y finos que conforman las miofibrillas.

Filamentos gruesos: Los filamentos gruesos de las miofibrillas tiene un diámetro de 15 nm y una longitud aproximada de 1.6 &µm. Se sitúan paralelos unos a otros en la mitad del sarcómero. Cada filamento grueso está formado por multitud de moléculas de miosina. Las moléculas de miosina son largas y finas y presentan un peso molecular aproximado de 510 kDa.

Los pares de cabezas se distancian entres si 14.3 nm a lo largo del filamento grueso.

Filamentos finos: Los filamentos finos tiene un diámetro de 7 nm y una longitud aproximada de 1 &µm y son los únicos filamentos que se encuentran en las bandas I de la miofibrilla. Cada banda I contiene dos series de filamentos finos, una a cada lado del disco Z, que se extienden hacia la banda A del centro del sarcómero hasta introducirse en ella. La longitud de las bandas I es casi 2 &µm en un músculo distendido. El filamento fino está constituido por actina. Los filamentos finos son cadenas lineales de actina F entretejidas con las proteínas tropomiosina y troponina.

La tropomiosina es una molécula larga con forma de bastón que encaja en el hueco de la hélice de actina. Cada molécula de tropomiosina se extiende aproximadamente 38.5 nm.

La troponina es en realidad un complejo formado por tres cadenas polipeptídicas llamadas TnT, TnC y TnI. La TnT se une a la tropomiosina. La TnC liga iones de calcio y la TnI se une a la actina, la TnI inhibe la contracción muscular. El espacio entre troponinas consecutivas a lo largo del filamento fino se de 38.5 nm.

Organización de los filamentos musculares: La a-actina mantiene los filamentos de atina organizados en haces paralelos y junto con la proteína casquete CapZ, mantiene el anclaje de los extremos barbados (más) de los filamentos de actina al disco Z.

En los filamentos dinos se encuentra la tropomodulina que ayuda a mantener la longitud y la estabilidad de los filamentos dinos uniéndose a sus extremos apuntados (menos).

La miomesina se localiza en los filamentos gruesos de la zona H y une las moléculas de miosina formando los haces.

La titina sujeta los filamentos gruesos a los discos Z. La titina es muy flexible.

La nebulina estabiliza la organización de los filamentos finos.

Las bandas A de las miofibrillas no varían su longitud durante la contracción.

Las bandas I se acortan progresivamente y desaparecen casi por completo en el estado de contracción máxima.

Para explicar estas observaciones se propuso el modelo de deslizamiento de filamentos. Este modelo fue propuesto por: Andrew Hanson en 1954. Según este modelo, la contracción muscular se produce por el deslizamiento de los filamentos finos sobre los filamentos gruesos, sin que exista ningún cambio en la longitud de ambos filamentos. El resultado es un acortamiento de los sarcómeros y de las miofibrillas y por lo tanto una contracción de la célula muscular y del tejido en su totalidad.

Funciones de las proteínas:

La cantidad de fuerza que un músculo puede generar durante l contracción depende del número de cabezas de miosina del filamento grueso que pueden contactar con el filamento fino.

Cuando el sarcómero está estirado, existe relativamente poca superposición entre los filamentos gruesos y los finos por lo que la fuerza generada es pequeña.

A medida que el sarcómero se acorta la zona superposición se incrementa y la fuerza de contracción es por consiguiente mayor.

Los puentes mantiene juntos los filamentos y el ATP impulsa su movimiento.

Puentes: Se forman mediante la unión entre la actina F del filamento fino y las cabezas de miosina del filamento grueso.

La contracción es por tanto el resultado neto de la formación y ruptura repetida de muchos de estos puentes, en los que en cada ciclo el filamento fino de un fibrilla se desplaza una distancia corta.

APT y el ciclo de contracción: La fuerza impulsora de la formación de puentes es la hidrólisis del ATP que está catalizada por una ATPasa que se activa por actina y se encuentra en la cabeza de la miosina.

Si no se dispone de suficiente ATP la ruptura de los puentes no tiene lugar y el músculo se queda bloqueado en un estado rígido conocido como rigor. El rigor mortis característico de la muerte, se produce por el agotamiento de ATP y la acumulación progresiva de puentes.

Cada filamento grueso tiene alrededor de 350 cabezas de miosina y cada una de ellas se une y desune aproximadamente cinco veces por segundo durante una contracción rápida.

La miosina II siempre avanza hacia el extremos más del filamento fino.

El calcio regula la contracción muscular.

La función del calcio en la contracción: La regulación de la contracción del músculo depende de los iones de calcio (Ca+2) libres y de la capacidad del músculo de aumentar y disminuir rápidamente la contracción de calcio en el citosol (denominado sarcoplasma en las células musculares) alrededor de las miofibrillas.

Los sitios de unión a la miosina en el filamento de actina están normalmente bloqueados por la tropomiosina. Para que la miosina se una a la actina y comience un ciclo de formación de puentes de cruzamiento, la tropomiosina se debe retirar.

Cuando la concentración de calcio en el sarcoplasma baja (<10-4 nM), la tropomiosina bloquea los sitios de unión en el filamento de actina e impide eficazmente su interacción con la miosina. Como consecuencia la formación de puentes se inhibe y el músculo se relaja o permanece relajado.

Un aumento en la concentración de calcio en el sarcoplasma estimula lo contracción del músculo esquelético provocando los siguientes eventos:

1. El calcio se une a la troponina e induce un cambio conformacional del complejo

2. Este cambio en la troponina provoca un cambio en la tropomiosina con la que está asociada

3. Los sitios de unión sobre la actina quedan libres para interaccionar con la miosina

4. Se forman los puentes de cruzamiento poniendo en marcha la serie de eventos

Regulación de la concentración de calcio en las células del músculo esquelético.

La contracción muscular está regulada por la concentración de iones calcio en el sarcómero.

Motoneuronas (Células nerviosas): Que controlan un pequeño músculo. Las Motoneuronas activan a las células musculares apropiadas que se contraen y relajan todo ello en unos 100 mseg.

Procesos en la unión neuromuscular: La señal que hace que se contraiga una célula muscular es un impulso eléctrico denominado potencial de acción. La neurona transmite el potencial de acción a la célula muscular a través de los axones.

El sitio en el que la célula nerviosa inerva o hace contacto con la célula muscular se llama unión neuromuscular.

Transmisión de un impulso al interior del músculo: Túbulos T: Penetran en el interior de la célula muscular. Los túbulos T transportan el potencial de acción al interior de la célula muscular y son en parte responsables del hecho de que las células musculares respondan tan rápidamente al impulso nervioso.

Retículo sarcoplásmico (RS): Sistema intracelular de membranas con forma de sacos o tubos aplanados. El RS recorre toda la miofibrilla y está listo para liberar los iones de calcio directamente sobre esta, provocando la contracción. Asimismo es capaz de retirar el calcio provocando la relajación. Esta proximidad del RS a las miofibrillas facilita una respuesta rápida de las células musculares a las señales nerviosas.

Función del RS en la liberación y recaptura de calcio: El RS puede dividirse funcionalmente en dos compartimientos: el elemento medio y la cisterna terminal. La cisterna terminal del RS presenta una elevada concentración de bombas de calcio que bombean calcio continuamente hacia la luz del RS. La capacidad del RS de bombear calcio es crucial para la relajación muscular, pero es también necesaria para la contracción. El bombeo de calcio hace que la contracción del ion en la luz del RS sea alta.

Las cisternas terminales se encuentran justo pegadas a un túbulo T formando una estructura denominada tríada. Son tres círculos, el círculo central es la membrana del túbulo T.

La cercanía entre el túbulo T, las cisternas terminales del RS y la maquinara contráctil, explica el hecho de que las células musculares respondan al impulso nervioso tan rápidamente.

Para que el músculo se relaje, la concentración del calcio debe reducirse hasta los niveles basales. Esto se consigue a través del bombeo de calcio al interior del RS.

ATPasa de calcio: Es capaz de bombear calcio desde el sarcoplasma al interior del RS.

El bombeo de retorno del calcio desde el sarcoplasma al interior de las cisternas del RS disminuye rápidamente la concentración del calcio sarcoplásmico hasta el punto en el que al troponina libera el calcio.

La ausencia de puentes de cruzamiento permite que los filamentosos finos se deslicen entre los filamentos gruesos.

El acoplamiento eléctrico entre las células musculares cardíacas permite su contracción coordinada.

El musculo cardiaco (del corazón) es el responsable del latido del corazón y del bombeo de la sangre por el sistema circulatorio del cuerpo. El musculo cardiaco tiene una organización de filamentos de actina y de miosina que presenta una apariencia estriada. La energía necesaria para el latido del corazón en condiciones basales, no la proporciona la glucosa de la sangre, sino los ácidos grasos libres que son transportados por la albúmina sérica, una proteína sanguínea, desde el tejido adiposo (almacén de grasa) hasta el corazón. Las células cardiacas no son multinucleadas.

Las células están unidas unas a otras por sus extremos mediante unas estructuras denominadas discos intercalares.

Estos discos tienen uniones comunicantes (gap) que acoplan eléctricamente a las células vecinas.

El ritmo cardiaco está controlado por una región -marcapasos- situada en la parte superior del corazón (aurícula derecha). La onda de despolarización se inicia en el marcapasos y se propaga después al resto del corazón para producir el latido cardiaco.

El músculo liso se asemeja más a las células no musculares que al músculo esquelético.

El musculo liso es el encargado de la contracción involuntaria como la del estómago, el intestino, el útero y las de los vasos sanguíneos. Dichas contracciones son lentas y tardan 5 segundos en alcanzar su tensión máxima. El musculo liso no se contrae rápidamente pero es capaz de mantener la tensión durante periodos de tipo prolongados como se requiere en los órganos y tejidos mencionados anteriormente.

Estructura del musculo liso: Las células musculares lisas son largas y finas con extremos puntiagudos.

Regulación de la contracción en las células musculares lisas: Tanto en las células del musculo esquelético como en las células del musculo liso, el estímulo que desencadena la contracción es el aumento de la concentración sarcoplásmica de iones de calcio.

Cuando la concentración sarcoplásmica de calcio se eleva en las células no musculares y en las del músculo liso se ponen en marcha una serie de fenómenos que suponen la activación de la quinasa de cadenas ligeras de miosina (MLCK). La MLCK activada, fosforila un tipo de cadena ligera de miosina conocida como cadena ligera reguladora.

La fosforilación de la cadena ligera de la miosina afecta a la miosina de dos maneras: la primera algunas moléculas de miosina están hechas un ovillo (enredada y de figura redonda) de tal manera que no forman filamentos. En segundo lugar la fosforilación de la cadena ligera activa a la miosina, posibilitando su interacción con los filamentos de actina y por lo tanto llevar a cabo el ciclo de formación de puentes de cruzamiento.

Como consecuencia de la llegada de un impulso nervioso o de una señal hormonal a un musculo liso, se produce una entrada de calcio extracelular que hace que la concentración de calcio intracelular aumente y se produzca la contracción. El efecto de la concentración de calcio sobre la contracción está mediado por la unión del calcio a la calmodulina. El complejo calcio- calmodulina puede unirse a la quinasa de la cadena ligera de la miosina, activándola. Esto tiene como resultado la fosforilación de las cadenas ligeras de la miosina y que esta pueda interaccionar con la actina provocando la contracción.

Pseudosustrato: Es una secuencia de aminoácidos similar a la del sustrato normal de la enzima.

Autoinhibición: Es la propia enzima quien se inhibe a si misma.

Fosfatasa de cadenas ligeras de miosina: Elimina el grupo fosfato de la cadena ligera de la miosina. El musculo entonces se relaja.

En el musculo liso, el calcio proviene del exterior celular y su efecto está mediado a través de la calmodulina.

MOVIMIENTO BASADO EN ACTINA, EN CELULAS NO MUSCULARES

El aspecto mejor conocido de la actina y la miosina es su papel como principales componentes de los filamentos finos y gruesos de las células musculares.

La migración celular por lamelipodios implica ciclos de extensión, unión, cambio de lugar y desunión.

Los microfilamentos de actina (MFs) son necesarios para el movimiento de la mayoría de las células animales no musculares.

Protrusiones: Un tipo de protrusión es una fina lámina de citoplasma denominada lamelipodioEstructura puntiaguda fina conocida como filopodio.

Integrinas: Proteínas de unión, en el exterior de la célula se unen a proteínas de la matriz extracelular. En el interior las integrinas se conectan a los filamentos de actina a través de proteínas de enlace.

La contracción esta mediada por la interacción entre las miosinas y la actina.

La miosina de actina II se localizan en la parte trasera de la célula.

El movimiento ameboide se basa en ciclos de gelificación y solificación del citoesqueleto de actina.

Movimiento ameboide: Viene acompañado de la formación de protrusiones del citoplasma denominadas pseudópodos. Las células que muestran este tipo de movimiento presentan una capa externa de citoplasma gelatinoso y espeso denominado ectoplasma y una capa interna de un citoplasma más fluido que se conoce como endoplasma.

Los componentes celulares de algunas células se mueven gracias a corrientes citoplasmáticas.

Las corrientes citoplasmáticas: Un movimiento del citosol dependiente de actomiosina, se observa en varios organismos que no manifiestan movimiento ameboide.

El fenómeno por el que una célula se mueve hacia una concentración mayor o menor de una molécula difusible se conoce como quimiotaxis.

Autor:

Pablo Turmero