Citoesqueleto y Motilidad Celular: Microtúbulos, Centrosomas, Cilios y Flagelos

Organelas Fibrilares: El Citoesqueleto

Componentes del Citoesqueleto

• Microtúbulos:
  • Determinan la posición de las organelas citoplasmáticas y dirigen el transporte dentro de la célula.
  • Son estructuras rígidas y fuertes.
• Filamentos intermedios:
  • Determinan la forma de la superficie celular.
  • Son difíciles de doblar, pero fáciles de romper.
• Microfilamentos:
  • Determinan la forma de la superficie celular y son necesarios para el movimiento celular.
  • Son difíciles de doblar, pero fáciles de romper.

Estructura de los Microtúbulos

• Están conformados por subunidades de tubulina globulares diferentes unidas por enlaces no covalentes:
  • α-tubulina
  • β-tubulina
• La α-tubulina expone el extremo menos.
• La β-tubulina expone el extremo más.
• α-tubulina, está ligada a GTP que nunca es hidrolizado o intercambiado.
• β-tubulina, puede unirse a GTP o GDP, reversiblemente.
• Las interacciones que mantienen unido al dímero αβ de tubulina son bastante fuertes, rara vez se disocian.
• Cada protofilamento del microtúbulo está ensamblado por subunidades que siguen la misma dirección.
• Los protofilamentos están alineados en paralelo.
• 13 protofilamentos se asocian lado a lado mediante interacciones laterales formando un cilindro.

Funciones de los Microtúbulos

Los microtúbulos son responsables de diversos movimientos celulares:

• Transporte intracelular de proteínas.
• Posicionamiento de vesículas de membrana.
• Localización de organelas: mitocondrias, lisosomas, retículo endoplasmático, etc.
• Separación de cromosomas en la mitosis.
• Movimiento de cilios y flagelos.

Centros Organizadores de Microtúbulos (COMTs)

• Lugar citoplasmático donde ocurre la nucleación de los microtúbulos y donde están anclados los extremos menos de los microtúbulos.
• Tiene dos funciones principales:
  1. Organización de los flagelos y los cilios eucariotas.
  2. Organización de la mitosis/meiosis mediante el huso mitótico/meiótico que separa los cromosomas durante la división celular.

En las células animales, los microtúbulos del citoesqueleto son típicamente nucleados por el centrosoma, una estructura compleja que contiene dos centriolos en forma de barril rodeados de material pericentriolar amorfo de alta densidad electrónica.

Centrosomas y su Organización

• Hay un centrosoma por célula cuando esta se encuentra en la fase G1 o G0 del ciclo celular, y se suele localizar cerca del núcleo.
• El centrosoma se compone de dos compartimientos: uno central formado por un par de centriolos dispuestos de forma ortogonal y otro periférico formado por material proteico denominado material pericentriolar.
• Los microtúbulos no están distribuidos al azar en la célula.
• Se estructuran en forma radiada a partir del centrosoma.
• El centrosoma tiene dos centriolos orientados perpendicularmente uno respecto al otro.
• Se encuentra localizado cerca al núcleo.
• Dirige:
  • El ensamblaje y orientación de los microtúbulos.
  • La dirección del tráfico vesicular.
  • La orientación de las organelas.

Tubulina γ (gamma)

• Componente universal de los centros organizadores de microtúbulos.
• Tiene un rol importante en la nucleación para la polimerización de microtúbulos.
• La tubulina γ es parte del material pericentriolar que orienta a los microtúbulos.
• La tubulina gamma y sus proteínas asociadas están localizadas alrededor del centrosoma.
• Son fundamentales para:
  • La iniciación o nucleación durante el ensamblaje de microtúbulos.
  • La organización de los microtúbulos.

Complejo en Anillo de la Tubulina Gamma

• Es un material pericentriolar muy grande.
• Tiene forma de anillo y contiene al menos 6 proteínas además de la tubulina gamma.
• La tubulina gamma dirige el ensamblaje de microtúbulos al formar un núcleo de polimerización de las subunidades de tubulina.

Drogas Inhibidoras de la Polimerización de Tubulina

• Colchicina y colcemida: inhiben el ensamblaje de moléculas de tubulina para formar los microtúbulos provocando la despolimerización.
• Vinblastina y vincristina: inducen la formación de agregados de tubulina.
• Taxol: estabiliza los microtúbulos.

Nucleación de los Microtúbulos

• La nucleación se inicia en el extremo menos.
• Se crea un microtúbulo con 13 protofilamentos.

Centrosoma

• Se encuentra en todas las células eucariotas, excepto en plantas superiores.
• Participa en:
  1. Organización de microtúbulos.
  2. Coordinación de movimientos de cilios y flagelos.

Estructura del Centrosoma

• El centrosoma está formado por dos centriolos.
• Cada centriolo está estructurado por microtúbulos triples dispuestos perpendicularmente.
• El centrosoma tiene dos centriolos orientados perpendicularmente entre ellos, y está rodeado de material pericentriolar.
• La mayoría de microtúbulos presentan una orientación constante respecto al centro organizador de microtúbulos (MTOC).
• Los extremos menos se orientan hacia el centro organizador de microtúbulos.
• Los microtúbulos participan en la separación de los cromosomas durante la mitosis formando las fibras del huso acromático.

Proteínas Motoras Asociadas a Microtúbulos

• Kinesinas: Dirigen las estructuras hacia el extremo “más”.
• Dineínas: Dirigen las estructuras hacia el extremo “menos”.
• Las proteínas mal plegadas pueden formar agresomas en el centro organizador de microtúbulos.
• Ocurre si no son destruidas en el Proteosoma 26S después de sufrir ubiquitinación.

Cilios y Flagelos

Presentan la misma estructura básica.

Cilios

• Son muchos.
• Son cortos.
• Siempre presentan la misma estructura.
• Se encuentran solo en eucariotas.

Flagelos

• Son pocos.
• Más gruesos y más largos.
• Varían en su estructura.
• Presentes en eucariotas como en procariotas, con estructura diferente.
• Los cilios, flagelos, cuerpos basales y centriolos tienen microtúbulos dobles o triples.
• Túbulo A: un microtúbulo completo de 13 protofilamentos.
• Uno o dos túbulos adicionales (B y C): microtúbulos incompletos compuestos por 10 protofilamentos.

Existen células que tienen movilidad en un medio líquido:

• Todas las células eucariotas tienen una estructura semejante.
• Tienen un haz central de microtúbulos: el axonema.

Estructura de Cilios y Flagelos

• Los cilios y los flagelos eucarióticos tienen una estructura muy similar:
  • Diámetro: 0.25 µm.
  • Axonema: constituido por microtúbulos y sus proteínas asociadas.
  • Longitud variable: algunas micras a más de 2 milímetros.
• Muchas bacterias también tienen flagelos de estructura diferente carentes de microtúbulos.
• El axonema es la estructura interna axial de los cilios y flagelos de las células eucariotas.
• Es una estructura microtubular con una disposición de 9 pares de microtúbulos periféricos y 1 par central (9+2).
• Se compone de un haz de fibras recubierto por una membrana y recibe el nombre de axonema.
• El axonema consta de: un anillo de 9 microtúbulos dobles que rodean a un par de microtúbulos centrales simples.
• El axonema se mantiene unido por tres conjuntos de conexiones cruzadas proteicas:
  1. Puentes periódicos que conectan el par de microtúbulos centrales (a manera de peldaños), rodeados por una vaina interna.
  2. La proteína nexina, que es sumamente elástica, conecta microtúbulos dobles externos adyacentes.
  3. Conexiones radiales que parten de los microtúbulos simples centrales a cada túbulo A de los microtúbulos dobles externos.
• Los microtúbulos dobles se continúan en toda la longitud del cilio o flagelo.
• Existe una hilera interna y otra externa de brazos de dineína adosados al túbulo A de cada microtúbulo doble.
• Los brazos de dineína se extienden hasta el túbulo B del microtúbulo doble adyacente.

Dineína

• Se han identificado 8 a 9 cabezas pesadas diferentes capaces de hidrolizar ATP.
• Las cadenas ligeras e intermedias median la unión de la dineína al túbulo A regulando la actividad de la dineína.

Cuerpos Basales

• En el sitio de fijación a la célula, el axonema se conecta con el cuerpo basal.
• El cuerpo basal es una estructura cilíndrica de 0.4 µm de largo por 0.2 µm de ancho.
• Contiene 9 microtúbulos triples al igual que los centriolos.
• Los túbulos A y B de los cuerpos basales se continúan dentro de la vaina del axonema.
• El túbulo C termina dentro de la zona de transición entre el cuerpo basal y la vaina.

Movimiento Flagelar

• En el espermatozoide:
  • Se originan ondas sucesivas de curvatura en la base que se propagan hacia la punta.
  • Estas ondas presionan contra el líquido e impulsan a la célula hacia adelante.
  • Los golpes se producen con una frecuencia de 5 a 10 por segundo.