Proteínas contráctiles La miosina es la proteína más abundante del músculo esquelético, representa el 60-70% de las proteínas totales y es el mayor constituyente de los filamentos gruesos. La miosina es una ATPasa, hidroliza el ATP para formar ADP y Pi, reacción que proporciona la energía para la contracción muscular.
La miosina está compuesta de dos idénticas cadenas pesadas cada una de 230 Kd, y 4 cadenas livianas de 20 Kd cada una. La molécula tiene una región globular de doble cabeza unida a una larga cadena helicoidal de doble hebra. Cada cabeza se une a dos diferentes cadenas ligeras. Todas las miosinas tienen la secuencia:
Gli – Glu – Ser – Ala – Gli – LIS – Tre Que es similar a la secuencia encontrada en el sitio activo de otras ATPasas. La lisina se une al alfa fosfato del ATP.
La estructura alfa helicoidal ininterrumpida de la cola de la miosina es favorecida por la ausencia de prolina en intervalos de más de 1000 residuos y por la abundancia de leucina, alanina y glutamato.
La porción globular de la miosina tiene actividad ATPásica y se combina con la actina. Dos de las cadenas ligeras son idénticas (una en cada cabeza) y pueden ser removidas sin pérdida de la actividad ATPásica. Las otras dos cadenas ligeras no son idénticas y se ven requeridas para la actividad ATPásica y para la unión de la miosina a la actina.
La miosina puede escindirse con la tripsina en dos fragmentos llamados meromiosina ligera y meromiosina pesada.
La meromiosina ligera forma filamentos, carece de actividad ATPásica y no se combina con la actina; es una cadena de doble hebra alfa helicoidal de 850 Aº de longitud. La meromiosina pesada cataliza la hidrólisis del ATP, se une a la actina, pero no forma filamentos y genera la fuerza para la contracción muscular; consta de una barra corta unida a dos dominios globulares que son las cabezas de la miosina. La meromiosina pesada puede escindirse por la papaína en dos subfragmento en forma de bastón llamado S2. Cada fragmento S1 tiene un sitio con actividad ATPásica y un sitio de unión a la actina.
La actina es el mayor constituyente de los filamentos delgados. En soluciones de baja fuerza iónica, la actina es un monómero llamada actina G debido a su forma globular. A pH fisiológico la actina G se polimeriza y toma la forma fibrosa F que se parece a los filamentos delgados. LA actina F es una hélice de doble filamento de monómeros de actina de 90 Aº de diámetro. La estructura se repite a intervalos de 360Aº a lo largo del eje de la hélice.
Cuando una solución de miosina se agrega a una solución de actina se forma el complejo actomiosina con gran incremento de la viscosidad de la solución. Este incremento se revierte con la adición de ATP. El ATP disocia la actomiosina en actina y miosina. Se puede preparar hebras de actomiosina, las cuales, si se sumergen en una solución que contiene ATP, K+ y Mg2+, se contraen. Esto no ocurre si las hebras son hechas sólo de miosina. Estos experimentos fueron hechos por Albert Zsent Gyorgy y sugerían que la fuerza para la contracción muscular provenía de la interacción miosina, actina, ATP.
La tropomiosina es una molécula en forma de bastón asociada a los filamentos de actina. Consta de dos cadenas polipeptídicas similares en alfa hélice enrolladas una alrededor de la otra en un ensamblaje tipo cabeza cola y unida no covalentemente a las cadenas de F actina.
La troponina es una molécula esférica unida a los filamentos de actina. Está constituida por tres subunidades
a) la troponina C, una proteína que se une al calcio para producir cambios conformacionales.
b) b) troponina I, una proteína inhibitoria de la interacción actina – miosina y de la actividad ATPásica.
c) roponina, T, una proteína que une la roponina C a la roponina I y estas dos al complejo actina – roponina na. La probable posición relativa de la roponina na, roponina y actina, en el filamento delgado del músculo. La roponina na yace en la hendidura que forma la hélice. Hay una roponina na y una roponina por cada 7 pares de actina G.
La alfa actinina es la proteína que une los filamentos de actina a la línea Z.
El componente gamma, asociado a la roponina, es una enzima, la creatino quinasa.
La proteína C interviene en el ensamblaje de las moléculas de miosina en los filamentos gruesos.
La beta actinina, asociada a la actina F, interviene en el ensamblaje de los filamentos delgados.
La M proteína se encuentra en las líneas M.
2.- Fuerza para la contracción muscular
La energía para la contracción muscular proviene de la hidrólisis del ATP. La miosina tiene actividad ATPásica. El ATP unido a la miosina es rápidamente hidrolizado, pero el ADP y Pi permanecen unidos a la miosina y se disocian muy lentamente. La actina se une al complejo miosina – ADP -Pi y acelera la liberación de los productos. Ocurrido esto, la actomiosina se une al ATP, lo que produce disociación d la actina y miosina, y el complejo que produce ATP – miosina resultante está listo para otro ciclo catalítico. Las reacciones requieren Mg2+.
La fuerza para la contracción es generada por la formación y disociación cíclica de complejos entre la actina y las cabezas S1 de la miosina. Durante una simple contracción S1 de la miosina. Durante una simple contracción ocurren ciclos repetidos de unión, tracción y separación. No se sabe cómo es articulado el ciclo. No hay un modelo definitivo para la conversión de la energía química en energía mecánica.
3.- Mecanismo de la actividad atpásica de la miosina
Ha sido propuesto un mecanismo probable para la generación de fuerza para la contracción muscular. En el músculo en reposo, las cabezas S1 de los filamentos gruesos están separadas de los filamento delgados (I); el ADP y Pi, productos de la hidrólisis del ATP, están ligados a la miosina. Cuando el músculo es estimulado, la cabeza S1 se une a la actina en los filamentos delgados (II), Pi se separa del complejo miosina -ADP-Pi y S1 cambia de estructura y orientación en relación con la actina, lo que genera el impacto de fuerza de la contracción. El filamento delgado sufre una tracción de 75 Aº (III); el ADP se disocia y la unión subsecuente del ATP revierte el cambio de conformación de S1 la que se separa rápidamente de la actina (IV). Finalmente, el ATP es hidrolizado por la cabeza libre de miosina y se repite el proceso.
Las moléculas de miosina tienen dos tipos de uniones que permiten que las cabezas S1 se unan y se separen de la actina y cambien su orientación cuando están unidas. Hay un tipo de unión entre las cabezas S1 y el bastón S2 y otro tipo entre S2 y la unidad ligera de meromiosina. Las uniones son zonas flexibles vulnerables a la acción proteolítica de las enzimas. El papel de S2 es transmitir la tensión de S1 unido al filamento delgado, al dominio de la meromiosina ligera que conforma el filamento grueso. La unión de S1 y S2 permite la interacción de S1 con la actina con una orientación que difiere según que el ADP esté o no unido. La otra unión entre S2 y la meromiosina ligera (MML) permite variaciones en las posiciones de S1 con respecto al filamento grueso. Esto habilita una interacción precisa con la actina.
La unión del ATP al sitio catlítico de S1 produce la separación de la actina a otro sitio que está por lo menos a 60 Aº de distancia. S1 se une fuertemente a ATP o a la actina, pero no a ambos; prefiere el ATP, el cual es hidrolizado formando ADP – Pi – miosina que libera Pi con producción de cambios conformacionales e incremento de la afinidad de la miosina por la actina. Como el ADP no se disocia inmediatamente, la actina y miosina interaccionan fuertmente generando fuerza entre los dos sets de filamentos. La caída de energía libr (7 Kcal/mole) en esta etapa y los cambios conformacionales originan el impulso de fuerza. La liberación subsecuente del ADP permite la unión al ATP que induce la liberación de actina de S1. De esta manera, la energía libre del ATP se usa para disociar actina de miosina y para liberar Pi a fin de que la miosina pueda unirse fuertemente a la actina generando fuerza.
Se han preparado perlas cubiertas con miosina. Estas perlas se mueven unidireccionalmente a lo largo de cables de actina en presencia de ATP, el cual es hidrolizado. Alternativamente, los filamentos de actina pueden moverse sobre superficies de vidrio cubieras con miosina si el ATP está presente. La meromiosina pesada se mueve con la misma velocidad que la miosina intacta, lo cual indica que la cola de 850 Aº de la miosina no interviene en la generación de la fuerza contráctil. Efectivamente, los filamentos de actina se desplazan sobre películas cubiertas con S1. De manera que ninguna porción de la cola alfa helicoidal es esencial para el movimiento. La fuerza para la contracción muscular se genera dentro de la cabeza S1.
4.- Papel de la troponina y la tropomiosina
Ya hemos visto que la troponina y la tropomiosina son componentes de los filamentos delgados, los que están constituidos predominantemente de actina.
El regulador fisiológico de la contracción muscular es el calcio. En los músculos esqueléticos en reposo, el calcio es secuestrado en el retículo sarcoplasmático por un transporte activo, mantenido por el ATP, que disminuye la concentración de calcio citoplasmático. Un impulso nervioso incrementa el calcio citosólico y produce la contracción muscular. El efecto del calcio en la interacción actina miosina es mediado por la tropomiosina y el complejo troponina. La troponina C se une a los iones de Ca2+. La troponina I se une a la actina y la troponina T se une a la tropomiosina. Cada complejo de troponina regula las interacciones de 7 unidades de actina.
La troponina C es el componente sensor del Ca2+. Tiene dominios de alta y baja afinidad por el calcio. En el músculo en reposo, los sitios de alta afinidad son ocupados por el Ca2+ mientras que los de baja afinidad están vacíos. Cuando el calcio es liberado del retículo sarcoplásmico, éste ocupa los sitios de baja afinidad produciéndose un cambio de conformación que es transmitido a los otros componentes del complejo troponina y luego a la tropomiosina. Parece que la troponina T, que es elongada, controla la posición de la tropomiosina en el filamento delgado entre la actina y la cabeza S1 de la miosina. Un pequeño cambio en la posición de la tropomiosina puede alterar marcadamente la unión de actina a S1 o la capacidad de este complejo para sufrir cambios estructurales. La tropomiosina se mueve delante de las cabezas S1 de la miosina cuando el músculo esquelético es activado por impulsos nerviosos. Las observaciones de la motilidad in vitro, proporcionan evidencias adicionales sobre el papel de la troponina y tropomiosina en la regulación de la contracción muscular. El movimiento de perlas cubiertas con miosina sobre cables de actina es insensible al Ca2+ cuando están presente sólo esas dos proteínas. Si se adiciona troponina y tropomiosina, las perlas responden al calcio. El movimiento es bloqueado si el Ca2+ está ausente y se restaura con su adición. Un sistema con miosina, actina, troponina y tropomiosina presenta un movimiento regulado por el Ca2+.
La miosina del músculo estriado de los vertebrados contiene tres clases de cadenas ligeras (LC1, LC2 y LC3). La fosforilación de la cadena LC2 por una quinasa estimulada por el Ca2+ duplica la actividad ATPásica de la miosina estimulada por la actina. Se ignora la importancia fisiológica de este cambio. El músculo liso no es regulado por la troponina tropomiosina sino por el grado de fosforilación de LC2 produce contracción y su defosforilación relajación. La contracción del músculo liso es inducido por el incremento del calcio citosólico. La actividad del músculo liso es modulado por la epinefrina que actua como relajante. La epinefrina actúa a través del cAMP fosforilando una quinasa de cadena ligera. Esto baja la afinidad por el Ca2+ y disminuye la proporción de miosina fosforilada produciéndose la relajación muscular.
5.- La fuente de energía para la contracción muscular
La energía para la contracción muscular proviene de la hidrólisis del ATP. En el músculo en reposo hay suficiente ATP sólo para mantener la contracción por una fracción de segundo. Los músculos de los mamíferos contienen una reserva de fosfato de alta energía en forma de fosfocreatina. La fosfocreatina se forma por la acción de la cretino quinasa que cataliza la reacción reversible:
La energía libre de hidrólisis de la fosfocreatina es de -10.3 Kcal/mol para el ATP. De modo que cuando se forma el ATP de fosfocreatina, el cambio de energía libre es de -3 Kcal/mol.
En el músculo en reposo hay alrededor de 4 mM de ATP, o,01 mM de ADP, 25 mM de fosfocreatina y 13 mM de creatina.
La fosfocreatina mantiene altas concentraciones de ATP durante la actividad muscular. Va reemplazando el ATP que son consume y es la mayor fuente de fosfatos de alta energía durante los primeros cuatro segundos de un ejercicio intenso.
Durante la actividad muscular, el nivel de ATP se mantiene mientras haya fosfocreatina disponible y disminuye cuando ésta se agota. El nivel de ADP y Pi incremente rápidamente en la contracción muscular y el AMP incrementa por acción de la adenilato quinasa que cataliza la reacción reversible.
2ADP ( ATP + AMP Al reducirse la carga energética en los músculos en actividad, se estimulan los procedsos metabólicos que generan ATP: la glucólisis y el ciclo del ácido tricarboxílico. Estos procesos son estimulados por el ADP, un modulador alostérico positivo. La glucólisis es también estimulada por el AMP, modulador positivo de la fosfofructoquinasa.
La fuente primaria de energía para la refosforilación del ADP y de la fosforcreatina no es idéntica para todos los músculos. Aun cuando todos los músculos de los vertebrados ostentan actividad glucolítica y respiratoria, la contribución relativa de la glucólisis y la respiración a la formación de ATP varía considerablemente. Las fibras musculares son de dos tipos principales: las fibras rojas o lentas y las fibras blancas o rápidas. Los músculos rojos tienen un alto contenido de mioglobina y citocromos. En estos músculos, la respiración es la fuente principal de energía para la fosforilación del ADP vía fosforilación oxidativa. Estos músculos tienen mitocondrias en abundancia, tal es el caso del músculo cardíaco y los músculos que intervienen en el vuelo de las aves. Los músculos blancos contienen poca Oxidación y pocas mitocondrias. En ellos la glucólisis es la Oxidación fuente de energía para la refosforilación del ATP. Algunos músculos contienen los dos tipos de fibras. En general, los músculos rojos utilizan ácidos grasos como su mayor fuente de energía vía Oxidación a acetil-CoA y CO2 en el ciclo de Krebs. Los músculos blancos utilizan glucosa como mayor fuente energética.
Algunos invertebrados utilizan arginina fosfato para almacenar en el músculo grupos fosforilos de alta energía. La arginina fosfato, al igual que la creatina fosfato, tiene un grupo fosfoguanido. La transferencia de grupos fosforilos de arginina fosfato al ADP es catalizada por la arginina fosfoquinasa.
6.- las proetínas contráctiles en otras células
La ameba está provista de mecanismos de locomoción. Se ha aislado de la Acanthamoeba castellani una proteína muy parecida a la actina del músculo esquelético del conejo y capaz de combinarse con la miosina del músculo de este animal para formar un complejo híbrido de actomiosina. Aún más, la composición de aminoácidos de la actina de la Acanthamoeba es muy similar a la de la actina del músculo de conejo indicando que ambas actinas, tan diferentes, tienen un antecesor común y han experimentado muy pocos cambios evolutivos. La Acanthamoeba también contiene una proteína parecida a la miosina con actividad ATPásica y capacidad de unión ala actina, pero esta miosina no forma filamentos gruesos. Un extremo del filamento de actina de la A. castellani se fija a la superficie interna de la membrana celular, mientras que la ATPasa, que se une a la actina, se extiende hacia el citoplasma. Su interacción posiblemente origina una corriente en el citoplasma que se traduce en un movimiento ameboide.
Las plaquetas sanguíneas presentan formación de seudópodos y cambian de forma debido a la presencia de actina y miosina que son muy similares a las proteínas musculares.
Del cerebro se han aislado complejos de actomiosina que parecen estar asociados a las vesículas sinápticas que segregan neurotransmisores durante la transmisión sináptica del impulso nervioso.
La actina constituye el 10% de las proetínas de las células eucarióticas. La miosina es una proteína menos conservada que la actina en el proceso evolutivo. Las células no musculares contienen 10 a 100 veces menos miosina que actina.
Recientemente se han introducido estudios genéticos para determinar el papel de la actina y la miosina en las células no musculares. Uno de los procedimientos es el de la disrrupción del gene para producir interferencia de un gen particular y estudiar sus consecuencias.
7.- La fuente de energía para la contracción muscular
La energía para la contracción muscular proviene de la hidrólisis del ATP. En el músculo en reposo hay suficiente ATP sólo para mantener la contracción por una fracción de segundo. Los músculos de los mamíferos contienen una reserva de fosfato de alta energía en forma de fosfocreatina. La fosfocreatina se forma por la acción de la cretino quinasa que cataliza la reacción reversible:
La energía libre de hidrólisis de la fosfocreatina es de -10.3 Kcal/mol comparado con -7.3cal/mol para el ATP. De modo que cuando se forma el ATP de fosfocreatina, el cambio de energía libre es de -3 Kcal/mol.
En el músculo en reposo hay alrededor de 4 mM de ATP, 0.01 mM de ADP, 25Mm de fosfocreatina y 13mM de creatina.
La fosfocreatina mantiene altas concentraciones de ATP durante la actividad muscular. Va reemplazando el ATP que se consume y es la mayor fuente de fosfatos de alta energía durante los primeros cuatro segundos de un ejercicio intenso.
Durante la actividad muscular, el nivel de ATP se mantiene mientras haya fosfocreatina disponible y disminuye cuando ésta se agota. El nivel de ADP y Pi incrementa rápidamente en la contracción muscular y el AMP incrementa por acción de la adenilato quinasa que cataliza la reacción reversible.
2ADP ( ATP + AMP Al reducirse la carga energética en los músculos en actividad, se estimulan los procesos metabólicos que generar ATP: la glucólisis y el ciclo del ácido tricarboxílico. Estos procesos son estimulados por el ADP, un modulador alostérico positivo. La glucólisis es también estimulada por el AMP, modulador positivo de la fosfofructoquinasa.
La fuente primaria de energía para la refosforilación del ADP y de la fosfocreatina no es idéntica para todos los músculos. Aun cuando todos los músculos de los vertebrados ostentan actividad glucolítica y respiratoria, la contribución relativa de la glucólisis y la respiratoria, la contribución relativa de la glucólisis y la respiraci´n a la formació de ATP varia considerablemente. Las fibras musculares son de dos tipos principales: las fibras rojas o lentas y las fibras blancas o rápidas. Los músculos rojos tienen un alto contenido de mioglobina y citocromos. En estos músculos, la respiración es la fuente principal de energía para la fosforilación del ADP vía fosforilación oxidativa. Estos músculos tienen mitocondrias en abundancia, tal es el caso del músculo cardíaco y los músculos que intervienen en el vuelo de las aves. Los músculos blancos contienen poca mioglobina y pocas mitocondrias. En ellos la glucólisis es la principal fuente de energía para la refosforilación del ATP. Algunos músculos contienen los dos tipos de fibras. En general, los músculos rojos utilizan ácidos grasos como su mayor fuente de energía vía oxidación a acetil – CoA y CO2 en el ciclo de Krebs. Los músculos blancos utilizan glucosa como mayor fuente energética.
Algunos invertebrados utilizan arginina fosfato para almacenar en el músculo grupos fosforilos de alta energía. La arginina fosfato, al igual que la creatina fosfato, tiene un grupo fosfoguanido. La transferencia de grupos fosforilos de la argina fosfato al ADP es catalizada por la arginina fosfoquinasa.
8.- Las proteínas contráctiles en otras células
La ameba está provista de mecanismos de locomoción. Se ha aislado de la Acanthamoeba castellani una proteína muy parecida a la actina del músculo esquelético del conejo y capaz de combinarse con la miosina del músculo de este animal para formar un complejo híbrido de actomiosina. Aún más, la composición de aminoácidos de la actina d ela Acanthamoeba es muy similar a la de la actina del músculo de conejo indicando que ambas actinas, tan diferentes, tienen un antecesor común y han experimentado muy pocos cambios evolutivos. La Acanthamoeba también contiene una proteína parecida a la miosina con actividad ATPásica y capacidad de unión a la actina, pero esta miosina no forma filamentos gruesos. Un extremo del filamento de actina de la A. castellani se fija a la superficie interna d ela membrana celular, mientras que la ATPasa, que se une a la actina, se extiende hacia el citoplasma. Su interacción posiblemente origina una corriente en el citoplasma que se traduce en un movimiento ameboide.
Las plaquetas sanguíneas presentan formación de seudópodos y cambian de forma debido a la presencia de actina y miosina que son muy similares a las proteínas musculares.
Del cerebro se han aislado complejos de actomiosina que parecen estar asociados a las vesículas sinápticas que segregan neurotransmisores durante la transmisión sináptica del impulso nervioso.
La actina constituye el 10% de las proteínas de las células eucarióticas. La miosina es una proteína menos conservada que la actina en el proceso evolutivo. Las células no musculares contienen 10 a 100 veces menos miosina que actina.
Recientemente se han introducido estudios genéticos para determinar el papel de la actina y la miosina en las células no musculares. Uno de los procedimientos es el de la disrrupción del gene para producir interferencia de un gen particular y estudiar sus consecuencias.
Las células eucarióticas tienen un armazón interno llamado citoesqueleto que les da distinas formas. El citoesqueleto permite a las células transportar vesículas, cambiar de forma y migrar. Esta estructura dinámica está constituida por microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulis. Los microfilamentos son hechos de actina y los filamentos intermedios y microtúbulis de otras proteínas.
En las células no musculares, los microfilamentos forman estructuras transitorias en constante formación y disolución. Crecen por adiciones sucesivas de monómeros de actina al extemo terminal. La polimerazión ocurre por un proceso cooperativo. La actina está unida al ATP o al ADP y cataliza la hidrólisis del ATP. La ATP – actina tiene mayor tendencia a plimerizarse que la ADP – actina. Una proporción significativa de la actina no se polimeriza debido a la presencia de proteínas de control que se unen a la actina. La citochalasina es un alcaloide extraído del hongo Helminthosporium dematoiderum que interfiere con el ensamblaje de los filamentos de actina. En células tratadas con citochalasina desaparecen los microfilamentos y, en consecuencia, se inhiben muchos procesos celulares tales como la fagocitosis, pinocitosis, citoquinesis, exocitosis, la retracción del coágulo por las plaquetas, el crecimiento de los axones ganglionares, la división del huevo fertilizado de erizo de mar, etc., etc.
La paloidina, un tóxico extraído de la Amanita phalloides, se une a las unidades de actina de los microfilamentos impidiendo su polimeración. En consecuencia, se bloquean los movimientos celulares que requieren la renovación de los microfilamentos en forma semejante a lo que ocurre con la citochalasina.
Las células animales también contienen filamentos intermedios. Las proteínas de estos filamentos presentan alfa hélices de tres hebras de unos 300 residuos de longitud. Entre estos filamentos intermedios están las queratinas que contribuyen a la estabilidad mecánica de las cepas epiteliales y constituyen la proteína más abundante de la piel y los pelos. Las neuronas contienen neurofilamentos, los músculos desmín filamentos. En algunas células existen los llamados vimentín filamentos. Los lamín filamentos rodean el núcleo.
Los microtúbulis son filamentos tubulares que participan en el movimiento de los cromosomas. Constituyen elementos de apoyo para dar forma a las células. Se encuentran en los axones de las fibras nerviosas, los cilios, los flagelos, la cola de los espermatozoides y los fibroblastos que son células del tejido conectivo que forman colágeno por acción mecánica de los microtúbulis.
Los microtúbulis se forman por agregación de moléculas de tubulina, una proteína globular que tiene dos subunidades (alfa y beta). El túbuli consiste en hélices alternadas de subunidades alfa y beta de tubulina. El número de subunidades en la circunferencia es generalmente 13, variando de 10 a 14.
Los cilios y flagelos son organelos parecidos al cabello que emergen de la superficie celular. Las células libres como los protozoarios o el espermatozoide son impulsados por cilios o flagelos. Los cilios y flagelos se componen de un manojo de fibras llamado axonema rodeado de una membrana que es la continuación de la membrana plasmática. Las fibras del axonema son microtúbulis. Un axonema contiene nueve pares de fibras exteriores y dos fibras centrales, diseño que es denominado a menudo disposición 9 + 2. Los detalles de la estructura del axonema se puede apreciar en la proyección expresada. Cada uno de los 9 dobletes externos simulan un número 8. El integrante más pequeño del par es la subfibra.
A que está unida al casquete que cubre las fibras centrales mediante barras radiales. de cada subfibra A emergen dos brazos que apuntan en la misma dirección. Estos brazos que apuntan en la misma dirección. Estos brazos están hechos con dineína que es una proteína con actividad ATPásica y que se puede solubilizar tratando los cilios con detergentes. La dineína es una proteína de 1500 Kd que tiene tres cabezas y un tallo. La actividad ATPásica está localizada en las cabezas en forma similar que en la miosina. La unión del ATP a la dineína produce la separación de los brazos de la subfibra adyacente. La hidrólisis del ATP ligado produce ADP-Pi-dineína que se une de nuevo a la subfibra adyacente y se produce la liberación de Pi, tal como ocurre en el músculo cuando S1 se une a la actina. El impulso de fuerza posiblemente ocurre en esta etapa. Dicho de otro modo, los brazos de dineína de la subfibra A de un doblete migran hacia la subfibra B de un doblete adyacente cuando el ATP es hidrolizado. En el cilio intacto, las barras radiales se oponen a este desplazamiento, lo que se traduce en dobladuras locales. De allí que la diferencia entre los músculos y los cilios está en que los sarcómeros se acortan mientras que los exonemas se doblan.
El movimiento coordinado es trascendental para la vida. Este capítulo considera tres sistemas de motilidad en los eucariotas, impulsados por el ATP. En los eucariotas superiores, la contracción musculoar está mediada por el deslizamiento paralelo de los filamentos de miosina y actina interdigitados. De hecho, la mayoría de las células eucariotas, desde las levaduras hasta las del hombre, son capaces de realizar movimientos gracias a la interacción entre la miosina y la actina. La agitación de los cilios y flagelos depende de las interrelaciones entre dos proteínas diferentes: dineína y tubulina. Determinados microtúbulos, construidos con tubulina, forman el huso mitótico, que organiza el desplazamiento de los cromosomas durante la división celular. También sirven como guías o raíles para el desplazamiento dentro de las células de las vesículas y orgánulos, así comopara el trasporte de las vesículas de secrecion a lo largo d elos axones de las neuronas. La quinesina es una de las diferentes proteínas que median en el movimiento de las vesículas a lo largo de los microtúbulos. La unión del ATP a la miosina, dineína y quinesina provoca transiciones conformacionales en estas proteínas motrices. Estos cambios estructurales se revierten cuando el ATP unido se hidroliza y se libera ADP y Pi, de forma que la proteína motriz avanza a lo largo del raíl de actina o de tubulina.
Las bacterias utilizan otras clase de motores y distintas fuentes de energía para moverse. Se impulsan mediante la rotación de los motores de los flagelos, localizados en la membrana citoplasmática. Estos motores están impulsados por la fuerza promotriz, no por el ATP ¿Cómo es posible que estos ciclos conformacionales provocados por el ATP o los protones en estas máquinas moleculares puedan traducirse en un movimiento coordinado? El uso integrado de una amplia gama de técnicas instrumentales, que abarcan campos como la química de proteínas, la biología estructural o la genética molecular, está revelando los misterios del movimiento direccionalizado.
EL MUSCULO ESTA FORMADO POR FILAMENTOS PROTEICO GRUESOS Y DELGADOS QUE INTERACCIONAN ENTRE SI Empezamos con la base estructural de la contracción del músculo estriado en vertebrados, el proceso generador de fuerza que mejor entendemos. Los músculos de contracción voluntaria de los vertebrados tienen, cuando se examinan al microscopio óptico, un aspecto estriado. Constan de células multinucleadas rodeadas por una membrana plasmática excitable eléctricamente. Una célula muscular contiene muchas miofibrillas paralelas, cada una de ellas con un diámetro de 1 um, que están inmersas en el citosol. Una micrografía electrónica de la sección longitudinal de una miofibrilla exhibe una enorme cantidad de detalles estructurales. La unidad funcional, denominada sarcómero, se repite cada 2,3 um (23 000 A) a lo largo del eje de la fibrilla. La banda A oscura y la banda I clara alternan con regularidad. La región central de la banda A denominada zona H, es menos densa que el resto de la banda. La banda I está cortada por una línea estrecha muy densa, Z.
Las secciones transversales de una miofibrilla descubren la distribución molecular subyacente del sarcómero, mostrando que existen dos clases de filamentos proteicos que interaccionan entre si. Los filamentos gruesos tienen un diámetro de unos 15 nm (150 A), mientras que los filamentos delgados tienen un diámetro 9 nm (90 A). los filamentos gruesos contienen principalmente miosina. Los filamentos delgados contienen actina, tropomiosina y el complejo de la troponina. Cada filamento delgado tiene como vecinos tres filamentos gruesos y cada filamento grueso está rodeado a su vez por seis filamentos delgados. Los filamentos delgados y gruesos interaccionan mediante puentes cruzados, constituidos por regiones cruzados sobresalen, a intervalos regulares, de los filamentos gruesos y ocupan un hueco de unos 13 nm existente entre la superficie de los filamentos gruesos y delgados.
LOS FILAMENTOS GRUESOS Y DELGADOS SE DESLIZAN UNO RESPECTO AL OTRO A MEDIDA QUE EL MÚSCULO SE CONTRAE El músculo, al contraerse, se acorta hasta un tercio de su longitud original ¿Qué es lo que causa este acortamiento? En la década de los años 50 Andrew Huxley y Ralph Niedergerke por una parte, y Hugh Huxley y Jean Hancon por otra propusieron independientemente un modelo de filamentos deslizantes apoyándose en estudios de rayos X, microscopía óptica y microscopía electrónica. Las características esenciales de este preciso e imaginativo modelo son:
1. La longitud de los filamentos gruesos y delgados no cambia durante la contracción muscular.
2. En lugar de ello, la longitud del sarcómero decrece porque los dos tipos de filamentos se superponen más: Los filamentos gruesos y delgados se deslizan uno sobre otro durante la contracción.
3. La fuerza de contracción se genera mediante un proceso que mueve activamente un tipo de filamento sobre los filamentos vecinos del otro tipo.
El modelo de los filamentos deslizantes se apoya en las medidas de la longitud de las bandas A e I y la de la zona H en los músculos estirados, contraídos y en reposo. La longitud de la banda A es constante, lo que significa que los filamentos gruesos no cambian de tamaño. La distancia entre la línea Z y el borde adyacente de la zona H también es constante, lo que indica que los filamentos delgados tampoco cambian de tamaño. Por el contrario, el tamaño de la zona H y el de la banda I disminuyen durante la contracción, porque los filamentos delgados y gruesos se superponen más.
LA MIOSINA FORMA LOS FILAMENTOS GRUESOS, HIDROLIZA AL ATP Y SE UNE A LA ACTINA DE FORMA REVERSIBLE La miosina tiene tres actividades biológicas importantes. Primero, en disoluciones de fuerza iónica y pH fisiológicos, las moléculas de miosina se ensamblan espontáneamente en filamentos. De hecho, el filamento grueso consta principalmente de moléculas de miosina. Segundo, la miosina esun enzima. Vladimir Engelhardt y Militsa Lyubimova descubrieron en 1939 que la miosina era una ATPasa.
ATP + H2O ( ADP + Pi + H+ Esta reacción global, que tiene lugar mediante una serie de pasos discretos proporciona la energía libre necesaria para la contracción muscular. Tercero, la miosina se une a la forma polimerizada de la actina (F-actina), el componente principal del filamento delgado. De hecho, esta interacción es indispensable para generar la fuerza que hace desplazar a los filamentos gruesos y delgados uno sobre otro. Podemos considerar a la miosina como un mecanoenzima, ya que cataliza la conversión d ela energía contenida en los enlaces químicos en energía mecánica.
Cuando se añade una disolución de actina a una disolución de miosina se forma un complejo llamado actomiosina. La formación de este complejo va acompañada por un gran aumento en la viscosidad d ela disolución. En los años 40, Abert Szent – Gyorgyi demostró que este aumento en la viscosidad se invertía con la adición de ATP. Esta observación reveló que el ATP disocia a la actomiosina en actina y miosina. Szent – gyorgyi también preparó hebras de actomiosina en las cuales las moléculas se orientaban en el seno de una corriente fluida. Se obtuvo un resultado sorpendente cuando las hebras se sumergieron en una disolución que contenía ATP, K+ y Mg2+. Las hebras de actomiosina se contrajeron, mientras que las hebras formadas solamente por miosina no lo hicieron. Estos experimentos incisivos sugirieron que la fuerza de la contracción muscular se produce por la interacción de miosina, actina y ATP.
La actividad ATPasa de la miosina es potenciada extraordinariamente por la acción de la actina -F. Por cierto, Albert Szent – Gyorgyi llamó actina a esta proteína por su capacidad de activar la hidrólisis del ATP realizada por la miosina. La actina aumenta el número de recambio de la miosina en unas 200 veces, de 0,05 s-1 a 10 s-1. El ATP unido a la miosina se hidroliza con rapidez, pero los productos ADP y Pi tardan en abnadonarla. La actina aumenta el número de recambio de la miosina mediante su unión al complejo miosina – ADP-Pi y acelerando la liberación de los productos. En ese momento la actomiosina se une al ATP provocando la disociación de la actina y de la miosina. El complejo resultante ATP – miosina está dispuesto para otro ciclo de catálisis. Estas reacciones, como las de todas las ATPa- sas conocidas, requieren Mg2+.
LA MIOSINA ESTÁ FORMADA POR DOS CABEZAS GLOBULARES UNIDAS A UNA COLA EN FORMA DE – HÉLICES SUPERENROLLADAS La miosina es una proteína grande (520 kd) formada por 6 cadenas polipeptídicas: cada dos cadenas pesadas idénticas (220 kd cada una) y dos parejas de cadenas ligeras (de unos 20 kd cada una). Las micrografías electrónicas muestran que la miosina consta de una región globular en forma de doble cabeza, unida a una varilla extraordinariamente larga. La varilla está formada por un (-helicoide de dos hebras enrolladas entre sí y que corresponden a las cadenas pesadas. La cadena pesada de cada cabeza está unida a dos cadenas ligeras distintas. Estas tienen función moduladora y por motivos históricos reciben el nombre de cadena ligera esencial (ELC) y cadena ligera reguladora (RLC).
El estudio de los fragmentos de miosina producidos mediante proteolisis parcial ha permitido dilucidar la función de esta molécula proteica tan grande. La fragmentación proteolítica es un método que suele ofrecer resultados satisfactorios, como quedó demostrado por la ruptura de los anticuerpos en los fragmentos Fab y Fc. De hecho, la ruptura de la miosina en fragmentos activos se realizó antes. La miosina puede ser dividida por la tripsina en dos fragmentos parcialmente funcionales, denominados meromiosina ligera (LMM) y meromiosina pesada (HMM). La LMM, al igual que la miosina, forma filamento pero carece de actividad ATPasa y no se une a la actina. La meromiosina pesada, por el contrario, cataliza la hidrólisis de ATP y se une a la actina, pero no forma filamentos. La HMM todavía se puede cortar más en dos subfragmentos globulares (llamados S1) y un subfragmento en forma de bastoncillo (llamado S2). S1 contiene un centro activo de ATPasa, un centro de unión a la actina y dos centros de unión a las cadenas ligeras. De hecho, los subfragmentos S1 son las unidades generadoras de fuerza de la miosina.
Recientemente, Ivan Rayment y sus colaboradores han determinado la estructura tridimensional de S1 con una resolución de 2,8 A. S1 tien una longitud de 165 A, una anchura de 65ª y un grososr de 40 A. La cadena pesada de S1 contiene un segmento N-terminal de 25 kd, un segmento central de 50 kd y un segmento C-terminal de 20 kd. El centro activo de la ATPasa está formado por los segmentos de 25 kd y 50 kd, mientras que el centro de unión a la actina está formado por los segmentos de 50 kd y 20 kd. Casi todas las miosinas conocidas contienen la misma secuencia catalítica:
Gly – Glu – Ser – Gly – Ala – Gly – Lys – Thr que es semejante a las secuencias encontradas en el centro activo de otras ATPasas. Las cadenas ligeras rodean al segmento de 20 kd, que forma un (-helicoide de 85 A de longitud que prácticamente atraviesa S1 de lado a lado.
Las dos cabezas S1 se unen mediante una bisagra a la varilla de la miosina, que está formada por dos hebras helicoidales enrolladas mutuamente. La existencia de esta varilla tan larga (1700 A ó 170 nm) se ve favorecida por la ausencia de prolina en un tramo de más de mil residuos y por la abundancia de leucina, alanina y glutamato. Las dos hebras están orientadas en la misma dirección. Sus ejes están separados unos 10 A, lo que posibilita que las cadenas laterales de las dos hebras interaccionen íntimamente para reforzar la estructura helicoidal. La regularidad de la secuencia de aminoácidos de la varilla favorece la formación de (-helicoides enrollados. La varilla está formada por unidades repetitivas de 7 residuos de aminoácidos (abcdefg), de los cuales a y d son normalmente hidrofóbicos. Los residuos a y d forman un patrón en zig – zag de salientes y entrantes que encajan con los de la otra hebra, de modo que se forma un núcleo hidrofóbico fuertemente ajustado. Por el contrario, los residuos b, cy f, localizados en la periferia del helicoide enrollado, tienden a estar cargados eléctricamente.
Estas estructuras se denominan, de forma gráfica, filamentos decorados. El eje longitudinal de S1 se inclina unos 45 grados con respecto al eje del helicoide de F actina. Las flechas de un filamento decorado apuntan siempre en la misma dirección en toda su longitud. Así pues, todas las unidades de actina de un filamento delgado tienen la misma direccionalidad.
LA POLARIDAD DE LOS FILAMENTOS GRUESOS Y DELGADO SE INVIERTE EN LA MITAD DEL SARCÓMERO Un filamento grueso obtenido a partir del músculo tiene un diámetro de 16 nm (160 A) y una longitud de 1,5 um (15 000 A). de estos filamentos sobresalen puentes cruzados en una disposición helicoidal regular, a intervalos de 14,3 nm a lo largo del eje del filamento, debido a la regularidad de la secuencia de aminoácidos de la varilla de miosina. En la zona media del filamento grueso hay una región de unos 150 nm desprovista de puentes cruzados proyectantes. Las moléculas de miosina situadas a un lado d ela zona vacía apuntan en una dirección, mientras que las del otro lado apuntan en la dirección opuesta. Así pues, un filamento grueso es bipolar, mientras que un filamento delgado es unipolar.
En el músculo desprovisto de ATP los puentes cruzados decoran los filamentos delgados, de modo que las puntas de flecha de todos los filamentos señalan la dirección contraria de la línea Z. Así pues, todos los filamentos señalan la dirección contraria de la línea Z. Así pues, todos los filamentos delgados, situados a un lado de la línea Z, tienen la misma orientación, mientras que los del lado opuesto poseen polaridad inversa. La polaridad estructural de los filamentos, tanto delgados como gruesos, es crucial para un desplazamiento coherente. La fuerza de deslizamiento desarrollada por la interacción de unidades individuales de actina y miosina se suma, porque las unidades que interaccionan poseen la misma orientación relativa. Además, la dirección absoluta d elas moléculas de actina y miosina se invierte a mitad de camino entre las líneas Z. En consecuencia, los dos filamentos delgados que se unen a los puentes cruzados de un filamento grueso son empujados el uno hacia el otro, de modo que la distancia entre las lineas Z disminuya.
LA ACTINA SE POLIMERIZA FORMANDO FILAMENTOS DELGADOS La actina, una proteína universal de los eucariotas, es el constituyente principal de los filamentos delgados. En disoluciones de baja fuerza iónica, la actina es un monómero de 42 kd, llamado actina – G a causa de su forma globular. A medida que se aumenta la fuerza iónica hasta el nivel fisiológico, la actina -g se polimeriza en una forma fibrosa llamada actina-F, que se parece mucho a los filamentos delgados del músculo intacto. La actina, al igual que la miosina, es una ATPasa. Sin embargo, la hidrólisis del ATP debida a la actina no provoca la contracción muscular. El ciclo ATP-ADP de la actina particpa más bien en la formación y destrucción de los filamentos.
Wolfgang Kabsch y Kenneth Holmes han resuelto las estructuras de la actina -G y de la actina-F. la actina -g es una proteína bilobular. El ATP (o el ADP) se une a una hendidura localizada entre los dos dominios del monómero. En la actina-F, cada monómero se orienta respecto al siguiente mediante un giro de 166 grados y un desplazamiento de 27,5 A, lo que le confiere el aspeco de una doble hebra. De hecho, en las micrografías electrónicas los filamentos delgados se parecen a dos collares de perlas enrollados entre sí. En el filamento, cada monómero está en contacto con otros cuatro, lo que explica el alto grado de cooperatividad de la polimerización. Cuando los monómeros de actina alcanzan la concentración crítica comienza el ensamblaje de los filamentos; siendo este valor 20 veces menor para la ATP-actina que para la ADP-actina.
Si se añade S1 (o miosina) a los filamentos de actina-F (filamentos delgados) en ausencia de ATP, aparece una estructura peculiar a base de puntas de flecha.
Estas estructuras se denominan, de forma gráfica, filamentos decorados. El eje longitudinal de S1 se inclina unos 45 grados con respecto al eje del helicoide de F- actina. Las flechas de un filamento decorado apuntan siempre en la misma dirección en toda su longitud. Así pues, todas las unidades de actina de un filamento delgado tienen la misma direccionalidad.
LA POLARIDAD DE LOS FILAMENTOS GRUESOS Y DELGADOS SE INVIERTE EN LA MITAD DEL SARCÓMERO Un filamento grueso obtenido a partir del músculo tiene un diámetro de 16 nm (160 A) y una longitud de 1,5 um (15 000 A). de estos filamentos sobresalen puentes cruzados en una disposición helicoidal regular, a intervalos de 14,3 nm a lo largo del eje del filamento, debido a la regularidad de la secuencia de aminoácidos de la varilla de miosina. En la zona media del filamento grueso hay una región de unos 150 nm desprovista de puentes cruzados proyectantes. Las moléculas de miosina situadas a un lado de la zona vacía apuntan en una dirección, mientras que las del otro lado apuntan en la dirección opuesta. Así pues, un filamento grueso es bipolar, mientras que un filamento delgado es unipolar.
En el músculo desprovisto de ATP los puentes cruzados decoran los filamentos delgados, de modo que las puntas de flecha de todos los filamentos señalan la dirección contraria de la línea Z. Así pues, todos los filamentos delgados, situados a un lado de la línea Z, tienen la misma orientación, mientras que los del lado opuesto poseen polaridad inversa. La polaridad estructural de los filamentos, tanto delgados como gruesos, es crucial para un desplazamiento coherente. La fuerza de deslizamiento desarrollada por la interacción de unidades individuales de actina y miosina se suma, porque las unidads que i9nteraccionan poseen la misma orientación relativa. Además, la dirección absoluta de las moléculas de actina y miosina se invierte a mitad de camino entre las líneas Z. En consecuencia, los dos filamentos delgados que se unen a los puentes cruzados de un filamento grueso son empujados el uno hacia el otro, de modo que la distancia entre las líneas Z disminuya.
EL IMPULSO QUE ORIGINA LA CONTRACCIÓN SE DEBE A CAMBIOS CONFORMACIONALES EN LA CABEZA S1 DE LA MIOSINA ¿Cómo puede la formación y la disociación de complejos entre la actina y S1 provocar el deslizamiento de los filamentos delgados y gruesos? La figuras muestra un posible mecanismo generador de fuerza, reconstruido a partir de muchos experimentos, tanto bioquímicos como biofísicos y estructurales. El ciclo ATP-ADP de la miosina podría generar movimiento direccionado del siguiente modo:
1. Las cabezas S1 del músculo en reposo no interaccionan con las unidades de actina debido al impedimento estérico de la tropomiosina, una proteína reguladora. En este estado, los productos de la hidrólisis del ATP (ADP y Pi) siguen unidos a la miosina.
2. Cuando se estimula el músculo, la tropomiosina cambia de posición. En este momento, las cabezas S1 pueden separarse del filamento grueso y unirse a las unidades de actina del filamento delgado (B).
3. La unión del complejo miosina -ADP-Pi a la actina provoca la liberación de Pi. La posterior liberación del ADP genera un cambio conformacional importante en S1 (C). El cambio de orientación de S1 con respecto a la actina constituye el impulso o golpe de potencia de la contracción muscular: el filamento delgado se mueve una distancia de unos 100 A. La disociación del ADP d ela miosina tiene lugar en la fase final del golpe de potencia.
4. A continuación, la unión del ATP a la miosina provoca la rápida disociación de la actina. La cabeza S1 vuelve a estar separada del filamento delgado (D).
5. Por último, el ATP unido se hidroliza por la acción de la cabeza libre de la miosina, con lo que ya está en disposición para volver a interaccionar con el filamento delgado (E).
La parte esencial del proceso es un cambio cíclico tanto en la forma de la cabeza S1 de la miosina como en su afinidad por la actina. La unión del ATP al centro catalítico próximo al centro de S1 provoca la separación de S1 de la actina en un lugar más alejado. S1 está diseñado de modo para poder unirse fuertemente al ATP o a la actina, pero no a ambos a la vez. Puestos a elegir, S1 prefiere claramente el ATP a la actina. Una vez unido el ATP, la hendidura del centro activo se cierra en torno a ese ATP. El cierre de la hendidura y la posterior hidrólisis del ATP provocan desplazamientos de los dominios que cambian la curvatura de S1. La liberación del fosfato y, asociada a la unión de S1 sufre otro cambio. El resultado de cada ciclo ATP-ADP es un desplazamiento de unos 100 A (10 nm) del filamento delgado respecto al filamento grueso.
Hay que destacar el hecho de que la miosina no hidroliza ATP a una velocidad apreciable si no interacciona con la actina. De este modo se evita que el ATP se hidrolice de forma inútil. Recordemos que las bombas impulsadas por el ATP. Como por ejemplo la Na+-K+ ATPasa, tampoco hidrolizan al ATP cuando no realizan trabajo útil. Otro aspecto destacable es que la afinidad de la actina hacia la miosina depende de la naturaleza del nucleótido unido. La actina interacciona fuertemente con la miosina cuando la miosina se encuentra unida al ADP o cuando su centro de unión a nucleótidos etá vacío. Por el contrario, la actina se une débilmente al complejo miosina – ATP. El control de las interacciones proteína – proteína por medio de nucleótidos unidos es un tema recurrente en bioquímica. En un capítulo anterior, vimos como la unión del GTP a la transducina, una proteína amplificadora en el mecanismo de la visión, provoca su disociación de la rodopsina fotoexcitada.
La molécula de miosina posee dos clases de bisagras que permiten a la cabeza S1 unirse y liberarse reversiblemente de la actina y cambiar su orientación cuando está unida. Una clase de bisagra está situada entre la cabeza S1 y la varilla S2, y la otra clase está entre la varilla S2 y la unidad LMM de la miosina. Estas bisagras son regiones flexibles de la cadena polipeptídica, vulnerables a la escisión por acción de enzimas proteolíticos. Realmente, la ruptura enzimática de la miosina en los fragmentos LMM, S2 y S1 es una prueba del hecho de que la miosina está estructurada en zonas o dominios conectados por bisagras. La bisagra situada entre S1 y S2 posibilita a S1 interaccionar con la actina, de una manera cuando está unida al ADP, y de otra diferente cuando lo libera. La otra bisagra, situada entre S2 y LMM, permite una considerable variación en la posición de S1 con respecto al filamento grueso, lo que permite a S1 interaccionar con precisión con la actina.
ESFERAS RECUBIERTAS CON MIOSINA DE DESPLAZAN UNIDIRECCIONALMENTE A LO LARGO DE CABLES DE ACTINA ORIENTADOS Uno de los objetivos de la investigación bioquímica es reconstruir las funciones biológicas in vitro utilizando componentes purificados. La reconstitución pone a prueba nuestro conocimiento de los procesos biológicos. Además, los sistemas reconstituidos son muy apropiados para realizar estudios mecanísticos gracias a su relativa simplicidad. Ya hemos estudiado previamente sistemas reconstituidos que llevan a cabo procesos tales como el bombeo de iones impulsado por el ATP y el transporte de protones impulsado por la luz. Un sistema de ensayo para la observación directa del movimiento inducido por las interacciones entre la miosina y la actina ha sido diseñado por Michael Sheetz y James Supudich. Estos utilizaron Nitella, un alga gigante que contiene cables de actina fijados a la cara citoplasmática de una sfilas de cloroplastos. Un aspecto fundamental de estos cables, que son mediadores de la corriente citoplasmática, es que tienen filamentos de actina orientados en la misma dirección. El hallazgo llamativo fue que unas esferas recubiertas con miosina se desplazaban unidireccionalmente a lo largo de estos cables de actina, en presencia de ATP, en la misma dirección en que se movía la corriente citoplasmática del citosol. Las esferas recubiertas con miosina del músculo esquelético se desplazaban a la velocidad de 5 um/s, que es aproximadamente la velocidad de contracción de los sarcómeros intactos in vivo. Se ha calculado que 25 cabezas de miosina en cada esfera provocaban este desplazamiento. En esencia, las moléculas de miosina "se pasean" sobre los cables de actina. Alternativamente, los filamentos de actina pueden desplazarse sobre una superficie de cristal que tenga moléculas de miosina adheridas, siempre que el ATP esté presente.
La velocidad del desplazamiento depende del tipo de miosina utilizado en el ensayo, no del tipo de actina. La miosina del músculo liso se desplaza a 0,4 um/s y la miosina de Dictyostelium a 1 um/s, considerablemente más despacio que la miosina del músculo esquelético, que también es el sistema más rápido in vivo. Por consiguiente, la velocidad depende de la naturaleza del motor (miosina), no del carril (actina). Además, la meromiosina pesada se desplaza práctiamente a la misma velocidad que la miosina intacta, indicando este hecho que el segmento distal de 85 nm de la cola de la miosina no participa en la generación de la fuerza contráctil. De hecho, los filamentos de actina se deslizan también sobre películas recubiertas con cabezas S1. Así pues, ninguna porción de la cola (-helicoidal de la miosina es esencial para su movimiento. La fuerza de la contracción muscular se genera dentro de las cabezas S1.
Este sistema que exhibe movilidad in vitro ofrece la posibilidad de observar directamente las distintas etapas del comportamiento de una única molécula de miosina. Para poder diferenciar cada una de estas etapas de movimiento browniano al azar, el sistema necesita una mejora adicional. Las esferas pueden inmovilizarse en disolución mediante el uso de rayos láser intensamente enfocados a modo de trampas ópticas. Un filamento de actina con una esfera en cada extremo puede colocarse cerca de una molécula de miosina que emerge de una superficie. De esta forma se puede detectar el movimiento del filamento. El desplazamiento medio de cada etapa es de unos 11nm, lo que apoya firmemente el modelo de los puentes cruzados oscilantes para la contracción muscular. Además el valor medio de la fuerza que ejerce una única molécula de miosina es de unos 4 piconewtons (pN). La dependencia de la duración del proceso y de la fuerza de la concentración de ATP sugiere que en cada ciclo de los puentes cruzados se hidroliza un ATP.
LA TROPONINA Y LA TROPOMIOSINA INTERVIENEN EN LA REGULACIÓN DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR POR EL ION CALCIO ¿Cómo se regula la contracción muscular? En el músculo en reposo, el complejo ADP – Pi – miosina está en disposición de unirse a la actina, pero la formación de contactos productivos está restringida ¿Cuál es la naturaleza de este impedimento y cómo se evita? Setsuro Ebashi observó que el control sobre la actina y la miosina lo ejercen la tropomiosina y el complejo de troponina cuando el nivel de calcio en el citosol es bajo. Su efecto inhibidor desaparece cuando el nivel de calcio aumenta de forma transitoria. En el músculo en reposo (relajado), el Ca2+ queda secuestrado en el retículo sarcoplásmico (SR), un extenso compartimiento intracelular, mediante un sistema de transporte activo. Las bombas impulsadas por el ATP de la membrana del SR disminuyen la concentración de Ca2+ en el citosol por debajo de 1uM. Un impulso nervioso provoca la liberación del Ca2+ de los sacos del retículo sarcoplásmico, por lo que la concentración citosólica alcanza el valor de 10 uM y se produce la contracción muscular.
La tropomiosina y el complejo de troponina están localizados en el filamento delgado y constituyen aproximadamente un tercio de su masa. La tropomiosina es un bastoncillo (-helicoidal de dos hebras. Esta proteína de 70 kd, de forma muy alargada, está orientada casi paralelamente al eje longitudinal del filamento delgado. La troponina es un complejo de tres cadenas polipeptídicas: TnC (de 18 kd), TnI (de 24 kd) y TnT (de 37 kd). La TnC se une a los iones calcio, la TnI se une a la actina y la TnT a la tropomiosina. El complejo de la troponina queda localizado en los filamentos delgados a intervalos de 385 A, período establecido por la longitud de la tropomiosina. Cada complejo de troponina regula, a través de la tropomiosina, la actividad de unos siete monómeros de actina. Cuando la concentración de calcio en el citosol es baja inhibe la contracción muscular, pero cuando es alta no lo hace.
La troponina C, el componente del complejo que es sensible al calcio, consta de dos dominios homólogos. Los dominios globulares amino terminal y carboxilo terminal están conectados por una larga (-hélice de ocho vueltas. Cada dominio contiene dos centros de unión para el Ca2+. Los dos del dominio carboxilo – terminal tienen una elevada afinidad para este ion (K = 0,1 uM), mientras que los centros del dominio amino – terminal presentan una afinidad baja (K = 10 uM). TnC es un miembro de una superfamilia de proteínas que se unen al calcio: la superfamilia mano EF, estudiada en un capítulo anterior. La estructura de la TnC es muy parecida a la de la calmodulina, una proteína omnipresente sensible al calcio.
En el músculo en reposo los centros de alta afinidad de TnC están ocupados por Ca2+, pero los de baja afinidad están vacíos. El Ca2+ ocupa los centros de baja afinidad al ser liberado del retículo sarcoplásmico, con lo que la conformación del dominio amino – terminal cambia y se vuelve semejante a la del dominio carboxilo-terminal. Este cambio conformacional en la TnC se transmite a los otros componenetes del complejo de la troponina y después a la tropomiosina. Parece como si la TnT, que tiene una forma muy alargada, controlase la posición de la tropomiosina sobre el filamento delgado, cerca de la interfase entre la actina y las cabezas S1 de la miosina. Cuando la concentración de calcio es baja, la tropomiosina bloquea estéricamente la unión de S1 a la actina.
La importancia de las proteínas troponina y tropomiosina en la regulación de la contracción queda demostrada de forma muy gráfica en los experimentos de motilidad in vitro. El desplazamiento de esferas recubiertas de miosina sobre cables de actina es insensible al Ca2+ cuando están presente sólo estas dos proteínas. La adición de troponina y tropomiosina hace que las esferas respondan al Ca2+. Cuando falta el Ca2+, el desplazamiento queda bloqueado y puede restablecerse al añadir niveles micromolares de este ion. Así pues, un sistema reconstituido conteniendo solamente cuatro proteínas miosina, actina, troponina y tropomiosina mani fiesta un movimiento regulado por el calcio. Resulta pues evidente que el Ca2+ controla la contracción muscular por un mecanismo alostérico en el que flujo de información transcurre así:
Ca2+ ( troponina ( tropomiosina ( actina ( actina ( miosina LA ACTINA Y LA MIOSINA TIENEN FUNCIONES CONTRACTILES EN PRACTICAMENTE TODAS LAS CELULAS EUCARIOTICAS Se sabe desde hace tiempo que muchas células no musculares pueden desplazarse y cambiar de forma. La migración de las células en el desarrollo de los embriones, el desplazamiento de los macrófagos hacia los tejidos lesionados y la retracción del coágulo por acción de las plaquetas son ejemplos ilustrativos de la universalidad del movimiento celular ¿Cuál es el fundamento molecular del movimiento celular? Una de las primeras pistas se obtuvo a partir de estudios realizados en Physarum plycephalum, un moho del limo de tipo plasmodial que contiene una masa fluida de citoplasma. Extractos obtenidos a partir de estas células primitivas tenían propiedades análogas a las de la actomiosina del músculo estriado. La adición de ATP provocaba una rápida disminución de la viscosidad, seguida de un lento aumento de la misma a medida que se hidrolizaba el ATP. Además, este moho del limo contenía gran cantidad de actina, que era muy semejante a la actina muscular. Esta actina forma filamentos delgados que interaccionan con la miosina. Olo más que extraordinario es que la actina del moho del limo reacciona con las cabezas S1 del músculo esquelético de vertebrados para formar filamentos decorados, como los que forman la actina y la miosina de los vertebrados. De hecho, la actina del moho sólo se diferencia de la actina y la miosina de los vetebrados. De hecho, la actina del moho sólo se diferneica de la actina del músculo de conejo en 17 de los 375 residuos de aminoácidos. Así pues, la actina del musculo de conejo en 17 de los 375 residuos de aminoácidos. Así pues, la actina es una antigua proteína de los eucariotas, tenazmente conservada.
De manera análoga, se ha aislado miosina de este moho y de otras muchas células eurcarióticas. Las miosinas presentan una diversidad mucho mayor que la actina. En células no musculares, se han encontrado dos clases de miosinas. Las moléculas de miosina I tienen una sola cabeza, mientras que las moléculas de miosina II tienen, al igual que la miosina del músculo, dos cabezas. La cabeza de la miosina I contiene un centro de unión para el ATP y otro para la actina, al igual que la miosina II. Sus secuencias de aminoácidos presentan una homología del 40%. La miosina I contiene al menos una cadena ligera, mientras que cada cabeza de la miosina II se asocia a dos cadenas ligeras. La miosina I carece de la larga ( – hélice enrollada de la miosina II, por lo que no puede formar filamentos bipolares. Por el contrario, la miosina I posee un dominio carboxilo – terminal que se une a lípidos y que posibilita su asociación con las membranas. La miosina I puede transportar orgánulos rodeados de membrana a lo largo de carriles de actina. En células no musculares, los (-helicoides enrollados de las moléculas de miosina II determinan el tipo de mercancía que va a ser trasnportado por la máquina. El ensamblaje y las propiedades funcionales de las misonas de células no musculares se controla mediante la fosforilación de los residuos de serina y treonina de sus colas.
LAS OSCILACIONES DE CILIOS Y FLAGELOS SE PRODUCEN POR EL DESLIZAMIENTO DE LOS MICROTUBULOS INDUCIDO POR DINEINA Las células eucarióticas tiene un andamiaje interno llamado citoesqueleto que les confiere su forma característica. El citoesqueleto también es responsable de que las células puedan transportar vesículas, cambiar de horma, o migrar de un sitio a otro. Esta estructura dinámica consta de 3 tipos de asociaciones filamentosas: los microfilamentos, los filamentos intermedios y los microtúbulos. Como ya hemos comentado, los microfilamentos (de unos 7 nm de diámetro) están formados por actina. Los filamentos intermedios (cuyo diámetro oscila entre 7 y 11 nm) se encuentran en las células epiteliales de los animales, y están compuestos por un núcleo de (- helicoides de doble o triple hebra superenrollados seguidos a cada lado por secuencias diversas. Las queratinas del pelo son un ejemplo respresentativo de proteínas de los filamentos intermedios.
Los microtúbulos, el tercero de los componentes del citoesqueleto, son estructuras cilíndricas huecas, formadas por dos clases de subunidades proteicas semejantes de 50 kd, la ( y la B-tubulina. Su diámetro externo de unos 30 nm los diferencia claramente de los microfilamentos y los filamentos intermedios. La parede rígida de los microtúbulos está formada por una organización helicoidal de subunidades alternantes de ( y (-tubulina. Un microtúbulo puede considerarse contituido por trece protofilamentos que corren paralelos a su eje longitudinal.
Los microtúbulos son los componentes principales de los cilios y flagelos de los eucariotas. Estos orgánulos sobresalen de la superficie de muchas células y tienen el aspecto de un pelo o cabello. Los cilios actúan como remos que desplazan una corriente de líquido paralelamente a la supeficie celular etacionaria. Así, por ejemplo, las oscilaciones coordinadas de los ciliso situados en las células que recubren el aparato respiratorio sirven para expulsar las partículas extrañas. Las células libres, tales como espermatozoides y protozoos, están propulsadas o bien por cilios o bien por flagelos. Los estudios de microscopía electrónica han revelado que los cilios y flagelos de prácticamente todos los eucariotas tienen el mismo diseño fundamental: un haz de fibras, llamado axonema, rodeado por una membrana que es continuación de la membrana plasmática. De hecho, las fibras del axonema son microtúbulos: un grupo periférico de nueve pares de microtúbulos rodean a dos microtúbulos simples. Este diseño es muy frecuente, y se denomina ordenación (9+2). Los flagelos se distinguen de los cilios en que son mucho más largos.
Un diagrama esquemático de la estructura de un axonema. Cada uno de los nueve dobletes externos tienen la forma de un ocho, con unas dimensiones de 37 nm x 25 nm. La menor de las fibras del par, la subfibra A. está unida a la envoltura central del cilio mediante espículas radiales. Los dobletes del microtúbulo son mantenidos juntos pro eslabones de nexina. De cada subfibra A surgen dos brazos. En un cilio determinado, todos los brazos apuntan en la misma dirección. Tratando los cilios con detergente y después con una disolución salina concentrada, se elimina la membrana plasmática que los rodea y se solubiliza una ATPasa llamada dineína. Las fibras externas retienen su ordenación cilíndrica nonagonal, pero carecen de brazos. Estos pueden restablecerse por adición de dineína, en condiciones iónicas adecuadas. Así pues, los brazos de las subfibras A están formados por la dineína con actividad ATPasa. En ausencia de ATP los brazos de dineína se unen fuertemente a la subfibra B.
La dineína es una proteína muy grande que contiene una dos o tres cabezas dependiendo de su origen, y múltiples polipéptidos asociados. Una dineína de 1000 a 2000 kd tiene una masa parecida a la de un ribosoma completo. La región de la cabeza, como en el caso de la miosina, actúa como un puente cruzado. La secuencia de aminoácidos de la dineína no se parece a la de la miosina. Aunque su ciclo ATPasa es similar. La unión de ATP a la dineína libera a ésta de la subfibra B. la hidrólisis del ATP unido origina el complejo dineína ADP-P, que se une de nuevo a la subfibra B. La asociación de la dineína con la subfibra B induce la liberación de Pi tal como ocurría en el músculo cuando S1 se enlazaba con la actina. El golpe de potencia tiene lugar probablemente en esta etapa.
¿Cómo puede el ciclo ATPasa de la dineína hacer oscilar los cilios y flagelos? Peter Satir y Ian Gibbons demostraron que los dobletes externos del axonema se deslizan uno respecto al otro para producir la flexión. La fuerza entre los dobletes adyacentes es generada por los puentes cruzados de dineína. Los brazos de dineína de la subfibra A de un doblete se mueven a lo largo de la subfibra b del doblete adyacente a medida que el ATP se hidroliza, del mismo modo que se desplazaban los puentes cruzados de la miosina sobre el filamento de actina del músculo esquelético. En un cilio intacto, las espículas radiales se resisten a este deslizamiento, lo que provoca a su vez una felxión localizada. La nexina, una proteína muy elástica, mantiene juntos a los dobletes adyacentes durante el proceso de deslizamiento. Una diferencia importante entre el músculo y los cilios es que en el músculo la miosina forma filamentos bipolares que enlazan transversalmente los filamentos de actina antiparalelos, mientras que en los cilios la dineína dirige el deslizamiento de los microtúbulos adyacentes paralelos. En consecuencia, el sarcómero se acoert apero el axonema se dobla.
En un grupo de pacientes con enfermedades pulmonares crónicas se han encontrado cilios defectuosos. Bjorn Afzelius demostró que los cilios del aparato respiratorio de estos enfermos caracían de movimiento. Los varones con ese defecto genético eran además estériles porque sus espermatozoides no podían desplazarse. Esta enfermedad, denominada síndrome de los cilios inmóviles puede originarse a partir de distintas lesiones moleculares. La más frecuente es la carencia de los brazos de dineína externos e internos. Otros defectos que producen la misma enfermedad son la carencia de espículas radiales, de eslabones de nexina o de los microtúbulos centrales. Un hallazgo inesperado fue que muchos pacientes con cilios inmóviles presentaban una inversión izquierda – derecha completa de sus órganos internos (situs inversus), lo que sugiere que la organización de los microtúbulos juega un papel crítico en el establecimiento de la asimetría izquierda derecha en las primeras fases de la embriogénesis.
LA RÁPIDA ASOCIACION Y DISOCIACION DE LOS MICROTUBULOS DIRIGIDA POR E GTP ES ESENCIAL PARA LA MORFOGENESIS Los microtúbulos son también importantes en la determinación de la forma de las céluls y en la separación de los cromosomas hijos durante la mitosis. Los microtúbulos de las células están formados por agregación de moléculas de ( y (-tubulina sobre filamentos preexistentes o centros de nucleación. La polimerización de novo es muy lenta porque requiere la confluencia simultánea de múltiples subunidades.
Para constituir una hélice de trece protofilamentos. En cambio, los microtúbulos de las células arrancan de los centrosomas y de los potos del huso mitótico. Estos centros de iniciación del crecimiento del microtúbulo se llaman centros organizadores de microtúbulos (MTOC). El extremo negativo del microtúbulo es el que se une al MTOC, mientras que el extremo positivo está libre.
De hecho, la mayor parte de los microtúbulos sufren una rápida asociación y disociación. Las tubulinas fluorescentes inyectadas en las células se incorporan al huso mitótico en unos 15 segundos y a los otros microtúbulos en varios minutos. El secreto del rápido recambio de los microtúbulos es la hidrólisis de GTP unido a la tubulina. La concentración crítica para la formación de los microtúbulos es mucho menor para la GTP – tubulina que para la GDP – tubulina. La GTP – tubulina se adhiere al extremo positivo d elos microtúbulos. Unos segundos después se hidroliza el nucleótido unido. El complejo GDP tubulina integrado en el microtúbulo permanece allí, pero si está situado en el extremo libre se disocia del filamento. Por consiguiente, cuando la velocidad de adición de GTP – tubulina en el extremo positivo es más rápida que la velocidad de hidrólisis del GTP enlazado, el microtúbulo crece en longitud. Mare Kirschner y Tim Mitchison encontraron que en una población de filamentos algunos microtúbulos se alargaban, al tiempo que otros se acortaban. Esta propiedad, denominada inestabilidad dinámica, es fruto de las fluctuaciones al azar que dependen de que el extremo positivo contenga GTP tubulina o GDP – tubulina.
La inestabilidad dinámica de los microtúbulos resulta útil en el desarrollo celular. La formación del huso mitótico es un ejemplo muy instructivo de ello. Los microtúbulos conectan cada uno de los polos del huso mitótico a los cinetócoros, los centros de unión localizados en los centrómeros de los cromosomas hijos. Los centros de nucleación situados en los dos polos no envían de forma direccional los microtúbulos hacia los cinetócoros, sino que de los polos emanan centenares de microtúbulos hacia los cinetócoros, sino que de los polos emanan centenares de microtúbulos orientados al azar. Los microtúbulos que logran alcanzar a los cinetócoros se estabilizan, mientras que los demás se desintegran, porque tienen sus extremos positivos protegidos. Así pues, la inestabilidad dinámica produce una gran colección de estructuras semejantes y sólo se estabilizan las que estan comprometidas en interacciones constructivas. Vemos aquí, al igual que en las actuaciones del sistema inmune, la importancia de la selección a la hora de elegir un patrón basado en variaciones al azar.
La colchicina, un alcaloide del azafrán de otoño, inhibe los procesos celulares que dependen del funcionamiento de los microtúbulos porque bloque su polimerización. Así, por ejemplo, las células en división se detienen en la metafase por acción d ela colchicina, porque los microtúbulos son esenciales para el desplazamiento de los cromosomas. La colchina también inhibe el movimiento de las moleculas a lo largo de los microtúbulos; por eso muchos procesos de secreción son bloquedos por este compuesto. La colchicina es un potente agente antiinflamatorio que se ha utilizado durante siglos para tratar los ataques agudos de gota. El taxol, que se extrae de la corteza del tejo del Pacífico, provoca el efecto contrario: estabiliza los microtúbulos de tubulina y estimula la polimerización. El taxol es un fármaco anticacerígeno, ya que impide la proliferación de las células que se dividen rápidamente porque interfiere con el huso mitótico.
LA QUINESINA DESPLAZA LAS VESÍCULAS Y ORGÁNULOS UNIDIRECCIONALMENTE A LO LARGO DE LOS MICROTÚBULOS Los microtúbulos también participan en el movimiento de las vesículas y orgánulos, presentes en prácticamente todas las células eucarióticas. El desarrollo de la microscopía de contraste, mejorada con vídeo, ha permitido visualizar el movimiento in vivo de vesículas de 30 nm. El transporte de las vesículas es muy llamativo en las neuronas, en las que tiene lugar con gran rapidez y a considerable distancia. Las vesículas se desplazan desde el cuerpo celular hacia la terminal nerviosa a velocidades que alcanzan desde el cuerpo celular hacia la terminal nerviosa a velocidades que alcanzan los 5 um/s, lo que les permite recorrer la distancia de un metro en un día. Se ha constatado que las vesículas también se mueven rápidamente en el axoplasma alejado (el citoplasma de los axones nerviosos). Los raíles de estos movimientos son microtúbulos sencillos.
El desarrollo de un sistema reconstituido in vitro capaz de transportar vesículas ha llevado al descubrimiento de una nueva máquina molecular dirigida por ATP. Las vesículas y orgánulos son transportados por la quinesina, una gran proteína hidrosoluble formada por dos subunidades de 110 kd y otras de dos de 70 kd. La quinesina es una proteína muy alargada de unos 110 nm de longitud. El dominio globuolar amino terminal de cada cadena pesada contiene un centro de unión al ATP y otro de unión a los microtúbulos. Este dominio motor está unido a un tallo formado por (-hélices enrolladas. La región carboxilo terminal, junto con las cadenas ligeras, se une a receptores específicos de la membrana de las vesículas o de los orgánulos. De esta forma, un extremo de la quinesina se une al microtúbulo y el otro "engancha" la mercancía que va a ser trasnportada. Observaciones de los desplazamientos de orgánulos asimétricos, así como de las mitocondrias, indican que éstos, por medio de las moléculas de quinesina, son izados y empujados a lo largo de los microtúbulos en lugar de rodar sobre ellos.
Los orgánulos y vesículas que contienen quinesina se desplazan desde el extremo negativo del microtúbulo (el que está asociado a centros organizadores de microtúbulos, como el centrosoma) hacia el extremo positivo. Por tanto, la quinesisna provoca desplazamientos desde el centro de la célula hacia la periferia (transporte anterógrado). Las esferas recubiertas de quinesina se mueven en la misma dirección que las vesículas. La actividad ATPasa de la quinesina se estimula 50 veces cuando se le añaden microtúbulos, exactamente igual que se potenciaban las actividades ATPasa de la miosina por acción de los microfilamentos. La hidrólisis de ATP por la quinesina está estrechamente asociada a su unión con un microtúbulo y a la generación de fuerza. La quinesina se diferencia de la miosina y de la dineína en que el ATP promueve su unión a la proteína asociada en lugar de su separación. El ATP es hidrolizado por la quinesina mientras ésta unida al microtúbulo; la hidrólisis le permite a la quinesina disociarse y así poder avanzar otro paso en su recorrido sobre el microtúbulo. Por tanto, un motor puede tener mayor o menor afinidad por su proteína asociada cuando se hidroliza el ATP unido. En cualquier caso, la clave de la transducción de energía es el enorme cambio de afinidaad mutua entre esta pareja de proteínas durante el ciclo ATP-ADP.
Otro tipo de motor trasnporta su mercancía desde la periferia de la célula hacia el centro (transporte retrógrado). La dineína citoplasmática, una proteina motrirelacionada con la dineína del axonema de cilios y flagelos, es el transportador retrógrado. La polaridad de los microtúbulos funciona como una brújula de navegación para el transporte de partículas en el citoplasma. La dirección del movimiento viene determinada por el motor, no por el carri.
UN UNICO MOTOR DE QUINESINA ES CAPAZ DE DESPLAZAR UNA VESICULA A LO LARGO DEL MICROTUBULO ¿Cuántos moléculas de quinesina hacen falta para transportar una vesícula o un orgánulo? La respuesta a esta cuestión tan importante surge del análisis del movimiento de esferas revestidas de quinesina a lo largo de microtúbulos, y, a la inversa, del movimiento de microtúbulos sobre superficies de vidrio recubiertas de quinesina. Como ya hemos mencionado, se puede utilizar un rayo láser intensamente enfocado a modo de micromanipulador (pinzas ópticas) para colocar partículas en una posición determinada. Se colocaron esferas recubiertas por un pequeño número de moléculas de quinesina sobre un microtúbulo y se registraron sus movimientos. Se pudieron observar resultados diversos: (1) algunas esferas no se unieron a los microtúbulos: (2) algunas se unieron, recorrieron cierta distancia y, antes de llegar al extremo del microtúbulo, se disociaron: y (3) el resto recorrió toda la longitud del microtúbulo. Al analizar la relación entre estos resultados y el valor medio del número de moléculas de quinesina unidos a cada esfera, se demostró que una única molécula de quinesina puede desplazar una esfera a lo largo del microtúbulo. Análogamente, una única molécula de quinesina adsorbida en una superficie de vidrio puede mover un microtúbulo. Sin embargo, una partícula que contiene una única molécula de quinesina se aparta del carril cuando ha recorrido una distancia de 1 o 2 um, debido a que en cada ciclo ATPasa la quinesina se disocia de forma transitoria de la tubulina. Una esfera que contenga dos moléculas de quinesina permanecerá sobre el carril más tiempo, ya que será menos probable que las dos quinesinas estén disociadaas a la vez, y por consiguiente, la esfera recorrerá una distancia mayor. Por tanto, basta un número pequeño de moléculas de quinesina para transportar una vesícula largas distancia a lo largo de un microtúbulo. Mediante experimentos de trampa óptica se ha demostrado recientemente que la molécula de quinesina avanza 8 nm (80 A) en cada paso, una distancia en consonancia con las dimensiones de esta proteína motriz.
El movimiento de filamentos recubiertos de actina sobre superficies de vidrio revestidas de miosina y el movimiento de microtúbulos sobre un revestimiento de quinesina difieren en un aspecto importante. Los filamentos de actina se desplazan con mayor rapidez sobre superficies con elevada densidad de miosina que sobre superficies con una baja densidad de miosina. Por el contrario, la velocidad a la que se desplazan los microtúbulos es independiente d ela densidad de la quinesina. Esta diferencia se debe a que una molécula de miosina está la mayor parte del tiempo disociada de la actina, mientras que la quinesina está casi todo el tiempo firmemente unida al microtúbulo. Las propiedades cinéticas de la miosina han tenido que adaptarse al movimiento rápido, y este proceso se ve favorecido si los periodos de permanencia en contacto con la actina son breves. Por el contrario, la quinesina está diseñada para permanecer sobre el carril el mayor tiempo posible, de forma que aquellas vesículas que contenga un número pequeño de moléculas motrices puedan trasnportarse ininterrumpidamente, aunque a menor velocidad: éste es el precio que hay que pagar.
LAS BACTERIAS PUEDEN NADAR GRACIAS A LA ROTACIÓN DE SUS FLAGELOS En un capítulo anterior, vimos que las bacterias se acercan a los atrayentes, y huyen de los repelentes. Pueden nadar gracias a la rotación de sus flagelos. Una bacteria de Escherichia coli o Salmonella typhimurium tiene unos seis flagelos que sobresalen en cualquier punto de su superficie celular. Estos delgados filamentos helicoidales tienen 15 nm de diámetro y una longitud de 10 um, y están constituidos por subunidades de flagelina, de 53 kd. Cuando los flagelos giran en sentido antihorario, se horma un haz coherente que transmite la fuerza propulsora. El resultado es un avance suave y prácticamente en línea recta. Por el contrario, cuando los flagelos rotan en sentido horario, el haz se dispersa porque los filamentos helicoidales no se enroscan entre sí. Esta bacteria va dando tumbos hasta que inicia la rotación en sentido antihorario y empieza a nadar en una dirección concreta. Cuando una bacteria avanza en una dirección equivocada, el ir dando tumbos le permite reorientar su movimiento.
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