Seminario: Movimiento celular
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MOVIMIENTO CELULAR......................................................................................................................1 PROTEÍNAS MOTORAS.........................................................................................................................2 ORIGEN FILOGENÉTICO Y CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS PROTEÍNAS MOTORAS .......................2 ORIGEN FILOGENÉTICO .................................................................................................................................2 CARACTERÍSTICAS GENERALES .....................................................................................................................2 MIOSINAS .....................................................................................................................................................2 QINESINAS....................................................................................................................................................3 DINEÍNAS ......................................................................................................................................................4 MOVILIDAD INTRACELULAR.............................................................................................................4 MOVIMIENTOS GUIADOS POR MICROTÚBULOS ...........................................................................................4 TRANSPORTE AXÓNICO .................................................................................................................................5 MOVIMIENTO PRODUCIDO POR LA POLIMERIZACIÓN DE MICROTÚBULOS ...............................................6 CITOCINESIS ..................................................................................................................................................6 MOVIMIENTOS GUIADOS POR MICROFILAMENTOS ....................................................................................6 MELANOSOMAS.............................................................................................................................................6 DESPLAZAMIENTO DE COMPARTIMIENTOS ....................................................................................................6 MOVIMIENTOS CITOPLASMÁTICOS PRODUCIDOS POR POLIMERIZACIÓN DE LA ACTINA..........................7 MOVILIDAD CELULAR .................................................. ............................................................................................................. ........................................................... ............7 ............ 7 EXTENSIÓN DE PROTUBERANCIAS SUPERFICIALES .....................................................................................7 CAMBIOS DE FORMA DEBIDOS A CONTRACCIÓN CELULAR ........................................................................8 CITOCINESIS ..................................................................................................................................................8 CONTRACCIÓN MUSCULAR ..........................................................................................................................8 MÚSCULO ESQUELÉTICO ...............................................................................................................................8 Organización ................................................................................................................................................8 Proteínas asociadas a microfilamentos.........................................................................................................9 Contracción muscular.................................................................................................................................10 MÚSCULO LISO............................................................................................................................................10 Organización del músculo liso ...................................................................................................................10 Contracción del músculo liso .....................................................................................................................10 LOCOMOCIÓN POR PSEUDÓPODOS O LAMELIPODIOS ...............................................................................11 MOVIMIENTO CILIAR Y FLAGELAR ...........................................................................................................11 TIPOS DE MOVIMIENTO CILIAR ....................................................................................................................12
MOVIMIENTO CELULAR EL movimiento celular es un fenómeno altamente dinámico esencial en una gran variedad de procesos. El movimiento de las células se debe principalmente a la existencia de una red de filamentos denominada citoesqueleto. Los componentes del citoesqueleto por sí mismos, poseen porca capacidad de generar movimiento. Sin embargo, su estructura polar desde un punto de vista estructural les permite marcar la vía de movimiento para otros tipos de proteínas, las proteínas motoras, responsables en la mayor parte de la generación de movimiento por la célula. Se pueden distinguir dos tipo de movimientos: Intracelulares o transmisión citoplasmática: aquellos que implican el desplazamiento de orgánulos, vesículas, macromoléculas y otros componentes celulares en el interior celular. Algunos de ellos se deben a la acción de proteínas motoras, mientras que otros se deben al efecto de la polimerización y despolimerización de componentes del citoesqueleto. Movimientos celulares: se consideran los cambios de forma celular o al menos de parte de la célula, los cuales generan movimientos de contracción, desplazamiento o movimiento del material extracelular que rodea a la célula.
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PROTEÍNAS MOTORAS Origen filogenético y características generales de las proteínas motoras. Las proteínas motoras son una clase de proteínas que actúan como motores moleculares mediante la hidrólisis de ATP. Estas proteínas motoras se asocian a diferentes filamentos polares que forman parte del citoesqueleto. Se distinguen tres familias: Miosinas asociadas a microfilamentos Quinesinas asociadas a microtúbulos Dineínas asociadas a microtúbulos. ∗ ∗ ∗
Origen filogenético Debido a ciertas características reminiscentes con algunas que poseen las DNA y RNA polimerasas, se piensa que la mayoría de ellas, en concreto las miosinas y las quinesinas, derivan de un ancestro común, una proteína primordial, una NTPasa, que mediante un proceso evolutivo ha podido generar las dos familias de proteínas motoras. Las dineínas, podrían haber evolucionado de forma independiente a partir de una ATPasa de la que derivaron las dineínas y otras ATPasas no motoras.
Características generales Las proteínas motoras se unen a filamentos polarizados del citoesqueleto y usan la energía derivada de repetidos ciclos de la hidrólisis de ATP para moverse a lo largo de ellos. Las distintas proteínas motoras difieren en el tipo de filamento al que se unen, la dirección en la que se mueven, y la carga que llevan. Muchas proteínas motoras arrastran orgánulos rodeados de membranas tales como mitocondrias, Golgi o vesículas secretoras, a sus localizaciones apropiadas. Otras proteínas motoras causan el desplazamiento de los filamentos generando una fuerza que causa la contracción muscular, el movimiento ciliar o la división celular. El dominio motor de la miosina es sustancialmente más largo que el de las quinesinas. Las dos clases de proteínas motoras se asocian a filamentos diferentes y tienen diferentes propiedades cinéticas. Sin embargo, la estructura tridimensional de ambas ha dejado ver que tienen en común el lugar de unión del ATP, el elemento central generador de fuerza, así como la maquinaria necesaria para convertir la hidrólisis del ATP en un cambio conformacional. Todas las proteínas motoras, independientemente de su origen evolutivo, poseen características similares en cuanto a estructura y movimiento: Estructura o Dominio motor capaz de unirse de forma lábil al filamento de citoesqueleto y que posee actividad ATPasa. Normalmente, esta actividad provoca cambios de conformación que provocan un movimiento de flexión de la molécula provocando el desplazamiento. o Cola capaz de unirse a otra estructura denominada carga, soporte, ... Movimiento o Deslizamiento del filamento que ocurre cuando la cola de la proteína motora se une a una estructura fija. o Deslizamiento de la proteína motora y su carga que ocurre cuando la carga no está sujeta a ninguna estructura fija. o Movimiento tipo resorte que ocurre cuando ni la estructura a la que se une la proteína motora ni el filamento se encuentran anclados. o Ausencia de desplazamiento que ocurre cuando tanto la estructura a la que se une la proteína motora como el filamentos se encuentran fijos, transmitiéndose fuerza y estiramiento sin desplazamiento visible.
Miosinas Las miosinas son proteínas motoras que forman una gran familia, conocidas especialmente por la participación de uno de sus miembros en la contracción muscular, la miosina II. Esta familia está formada por unas 20 clases de miosinas formadas normalmente por dímeros. Normalmente, las miosinas están formadas por 2 cadenas pesada idénticas y dos cadenas ligeras por cada una de las pesadas. Cada cadena pesada tiene estructura de hélice alfa que termina en
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una cabeza globular. Las cadenas alfa de las cadenas pesadas se enrollan una sobre otra formando una varilla de la que salen dos cabezas. A cada una de las cabezas de la cadena pesada se unen dos cadenas ligeras lo que constituye el dominio motor de la miosina. Dos cadenas ligeras se unen estrechamente a un dominio de cabeza, mientras que las colas enrolladas se unen a las colas de otras moléculas de miosina. Estas interacciones cola‐cola dan como resultado la formación de gruesos filamentos bipolares que poseen cientos de cabezas de miosina, orientadas en direcciones opuestas en los dos extremos del filamento grueso. La miosina II puede encontrarse en la corteza celular, en las fibras de estrés, en el anillo contráctil de la citocinesis y en el músculo estriado. En el músculo estriado, la miosina II se polimeriza en grandes haces, que constituyen los miofilamentos gruesos. Inicialmente se creía que la miosina se encontraba presente tan solo en músculo pero se han encontrado miosinas también en células no musculares como por ejemplo la miosina I y la V. Por lo general, todas las miosinas están compuestas por el dominio motor, y se diferencian principalmente por los dominios de cola. Un mismo tipo celular puede tener varios tipos de miosina cada uno de los cuales lleva a cabo funciones diferentes. Las miosinas tienen en común una cabeza motriz conservada, mientras que el resto de la molécula forma un tallo que es variable. Estos tallo suelen tener un lugar de unión a la membrana o a un lugar de unión secundario a actina. Por lo tanto, dependiendo de su tallo, una molécula de miosina permitirá unir un filamento a la membrana o desplazar una vesícula a lo largo de un filamento de actina o incluso alinear dos filamentos de actina y permitir el deslizamiento de uno sobre otro. Todas las miosinas excepto una se mueven hacia el extremo positivo de los filamentos de actina, aunque lo hacen a diferentes velocidades. Las funciones excatas de la mayoría de las miosinas son desconocidas. La miosina II se asocia a la actividad contráctil de células musculares y células no musculares. Se requiere para la citocinesis y para la translocación del cuerpo celular durante la migración. La miosina I contiene un segundo lugar de unión a la actina o un lugar de unión a la membrana en su cola, y se relaciona generalmente con la organización intracelular y protusiones en la superficie celular ricas en actina. La miosina V está implicada en el transporte vesicular y de orgánulos. En ausencia de nucleótido unido, la cabeza de la miosina se une a la actina en un estado rígido. Tras la unión del ATP, se abre una hendidura en el lugar de unión a la actina debilitándose la interacción con la misma. Tras la liberación de la actina, la miosina hidroliza el ATP, causando un cambio conformacional en la cabeza de forma que se mueve a una nueva posición, más cercana al extremo positivo de la actina, donde se vuelve a unir al filamento. En el momento en el que el fosfato se disocia del bolsillo que contiene al ATP, la cabeza de la miosina sufre un segundo cambio conformacional que restaura la conformación rígida de la miosina. Debido a que la miosina se une a la actina, el cambio conformacional ejerce una fuerza que causa que la miosina mueva el filamento de actina.
Qinesinas La quinesina es una proteína motora que se mueve a lo largo de microtúbulos. La quinesina es estructuralmente parecida a la miosina II en cuanto que tiene dos cadenas pesadas y dos cadenas ligeras por cada dominio motor, dos dominios globulares motores (cabeza) y una cola enrollada larga responsable de la dimerización. Al igual que la miosina, la quinesina es una superfamilia, de la cual el dominio motor es el único elemento común. La mayoría de ellas se traslada hacia el extremo positivo del microtúbulo, aunque existe una familia particular de quinesinas que se mueven hacia el extremo menos. Algunas cadenas pesadas de quinesinas carecen de la cola y parecen funcionar como monómeros, de forma parecida a la miosina I. Otras son homodímeros y otras heterodímeros. La mayoría de las quinesinas poseen un lugar de unión en la cola para orgánelos rodeados de membrana o para otros microtúbulos. Aquellos tipos de quinesina que trasladan vesículas u orgánulos se encuentran en una forma inactiva. Al unirse por su lugar específico en la cola se activa y se desdobla. La quinesina se une de formas diferentes a su carga. Puede existir una interacción entre la carga y las cadenas ligeras de la quinesina a través de un receptor de transmembrana, o entre la carga y las cadenas pesadas mediante proteínas de unión. Un tercer tipo de unión, consiste en la interacción entre carga y cadenas ligeras de la quinesina a través de un receptor de membrana mediada por un complejo de unión. Y por último a través de fosfolípidos.
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Dineínas Las dineínas son una familia de proteínas motoras cuya dirección de movimiento sobre los microtúbulos es hacia el extremo menos. Se componen de dos a tres cadenas pesadas (que incluyen el dominio motor) y un número variable de cadenas ligeras asociadas. La familia de la dineína tiene dos ramas principales. Aquella compuesta por las dineínas citoplasmáticas que son típicamente homodímeros con grandes dominios motores como cabezas. Éstas se encuentran probablemente en todas las células eucarióticas, y son especialmente importantes en el tráfico vesicular, así como para la localización del aparato de Golgi cerca del centro de la célula. La segunda rama corresponde a las dineínas del axonema que incluye heterodímeros y heterotrímeros con dos o tres dominios motores. Estas dineínas están especializadas en el movimiento de cilios y flagelos. Existe una tercera rama menor que comparte gran similitud con las citoplásmicas pero parece estás implicada en el batir de los cilios. Las cadenas pesadas poseen un cabeza globular con capacidad ATPasa. Además posee un dominio fibrilar que se proyecta fuera de la cabeza y posee una región capaz de unirse a los microtúbulos. Las cadenas intermedias y ligeras se asocian a un extremo de las cadenas pesadas que poseen estructura fibrilar. La unión de las dineínas generalmente está mediada por una proteína denominada dinactina o por una proteína integral de membrana denominada rodopsina.
MOVILIDAD INTRACELULAR Se pueden considerar cuatro mecanismos diferentes de generación de movimiento intracelular: Movimientos guiados por microtúbulos: los orgánulos y moléculas celulares se desplazan deslizándose sobre microtúbulos. El movimiento se genera debido a la actividad de las proteínas motrices, quinesina y dineína. Movimientos producidos por la polimerización de micotúbulos: la polimerización y despolimerización de microtúbulos empuja o arrastra a los orgánulos adheridos a su extremo sin que haya intervención directa de las proteínas motoras. Movimientos guiados por microfilamentos: este tipo de movimiento es muy poco frecuente en las células animales y humanas, y muy frecuente en plantas. En él los orgánulos y moléculas celulares se desplazan desizándose sobre los microfilamentos. Movimientos producidos por polimerización de microfilamentos: en este caso la polimerización y despolimerización de la actina empuja o arrastra a los orgánulos adheridos a su extremo.
Movimientos guiados por microtúbulos En el interior de las células, las vesículas membranosas se desplazan a lo largo de rutas bien definidas en el citosol y entregadas a direcciones particulares. La mera difusión no explica la tasa de movimiento, direccionalidad y destinos de tales procesos de transporte. El movimiento guiado por microtúbulos se produce gracias a la acción de las proteínas motoras asociadas a los microtúbulos, es decir, las quinesinas y las dineínas. Una de las funciones principales de las células en interfase es el transporte y posicinamiento de orgánulos rodeados de membrana. La quinesina fue originalmente identificada como la proteína responsable del transporte axónico, el movimiento de la mitocondria y de vesículas. Por lo general, la disposición de los microtúbulos en interfase es con si extremo negativo orientado hacia el centro de la célula en el centrosoma y el extremo positivo hacia la periferia celular. Así, los movimientos de los compartimientos hacia el centro celular requieren la acción de proteínas motoras dirigidas hacia el extremo menos (dineína), mientras que los movimientos hacia la periferia requiere de proteínas motoras dirigidas hacia el extremo más. Los movimientos guiados por las dineínas son más rápidos, y para llevar a cabo su función necesitan la colaboración de otras proteínas, las dinactinas. En la unión ntre el orgánulo a la dineínas y el microtúbulo intervienen as dinactinas, que se unen espectrina y anquirina mediante una secuencia relacionada con la actina, la Arp1. Los movimientos guiados por quinesinas son más lentos. Entre los materiales que se pueden trasladar mediante este mecanismo se encuentran:
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Vesículas de secreción y de transporte Endosomas Cisternas del RE Mitocondrias Cromosomas durante la mitosis MRNA en ovocitos y probablemente en otras células En muchas células se ha comprobado que la distribución de los orgánulos se hace siguiendo la distribución de los microtúbulos celulares. Para la dineína, la unión a las membranas se encuentra mediada por un gran complejo molecular. La dineína ciroplasmática es en sí misma un complejo proteico y require la asociación con un segundo complejo proteico llamado dinactina que transloca los compartimentos con efectividad. El complejo de dinactina incluye un filamento tipo actina formado por la proteína relacionada con la actina (Arp1). Se ha propuesto que la membrana del aparato de Golgi está cubierto con las proteínas anquirina y espectrina, que se asociarían con la Arp1 en el complejo de dinactina. La identificación de las proteínas dirigidas hacia el extremo negativo o positivo explica no solo como se realiza el movimiento de vesículas sino también somo se controla dicho movimiento. La dirección del movimiento también depende de la orientación de los microtúbulos, fijados al centro organizados. Algunas cargas pueden alternar su dirección de movimiento a lo largo de un único microtúbulo. En este caso, las proteínas motoras retrógradas y anterógradas deben asociarse al microtúbulos. Sin embargo, en un momento dado, solo una proteína motora es activa o está unida al microtúbulo.
Transporte axónico Las neuronas usan la movilidad basada en actina para migrar a localizaciones específicas. Una vez allí, emiten una serie de procesos que reciben (dendritas) o transmiten (axones) señales eléctricas. Ambos tipos de procesos están repletos de microtúbulos, los cuales son críticos para su estructura y su función. En los axones, los microtúbulos se orientan en la misma dirección, con su extremo menos apuntando a al cuerpo celular y el extremo más apuntando hacia el terminal del axón. Los microtúbulos no recorren todo el camino desde el cuerpo hasta el final del axón pero se encuentran una multitud de ellos superpuestos en toda su longitud.. Este set de microtúbulos perfectamente alineados actúan como autopista para el transporte de proteínas y vesículas que contienen proteínas necesarias en la zona terminal del axón, donde se deben construir y mantener las sinapsis. Estas proteínas se forman sólo en el cuerpo celular y en las dendritas. Mitocondrias, proteínas en vesículas de transporte y precursores de vesículas sinápticas realizan el viaje en el sentido anterógrado. Estas son transportadas por la quinesinas. Muchos miembros de la familia de las quinesinas están implicadas en el transporte axónico, llevando subgrupos específicos de compartimentos rodeados de membranas a lo largo de los microtúbulos. Al mismo tiempo, los componentes viejos de los axones se llevan de vuelta hacia el cuerpo celular para su degradación y reciclamiento (retrógrado) a lo largo de los mismos microtúbulos mediante la dineína. El axón también depende de la contribución de los microfilamentos y los filamentos intermedios. Los filamentos de actina se alinean en la corteza del axón justo debajo de la membrana plasmática, y proteínas como la miosina V son abundantes en estas zonas, quizás para ayudar en el transporte de materiales. Un caso especial de movimiento guiado por microtúbulos que ha sido muy estudiado es el transporte axónico. En el transporte axónico se pueden producir: Transporte de orgánulos: existen dos mecanismos que transportan a diferente velocidad o Transporte anterógrado (lento) o Transporte retrógrado (rápido) Transporte lento de proteínas del citoesqueleto: mediante este mecanismo se desplazan por el axón las proteínas el citoesqueleto necesarias para construir filamentos en el extremo del axón. Este transporte lento está constituido por dos componentes: o Transporte de moléculas como la tubulina, espectrina y proteínas de los filamentos intermedios. o Transporte de vesículas de clatrina y actina.
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Movimiento producido por la polimerización de microtúbulos La polimerización del microtúbulo “empuja” al orgánulo que está unido al extremo positivo del microtúbulo. La despolimerización causa el movimiento en el extremo contrario. Mediante este mecanismo se mueven los cromosomas durante la mitosis, fundamentalmente en la separación de cromátidas durante la anafase. El RE también puede desplazarse mediante este mecanismo.
Citocinesis El huso mitótico en células animales no sólo separa los cromosomas hijos, sino que también específica la localización del anillo contráctil, y por lo tanto el plano de división. El anillo contráctil se forma en el plano de la placa metafásica, en ángulo recto con el eje del huso mitótico, asegurando que ocurre la división entre dos grupos separados de cromosomas. La parte del huso que especifica el plano de división varia dependiendo del tipo celular, en algunas células son los microtúbulos astrales, en otras es la superposición de microtúbulos antiparalelos en el huso central. En ciertas células, los microtúbulos del áster, no los cromosomas u otras partes del huso, mandan una señal a la periferia celular para especificar donde se debe ensamblar el anillo contráctil. En otras células, el huso central, más que los microtúbulos astrales, es responsable de está especificación. En cualquier caso, los microtúbulos proveen de vías a las proteínas motoras para la entrega de reguladores del anillo contráctil. La mayoría de las células se dividen simétricamente. El anillo contráctil se forma alrededor del ecuador de la célula madre, de forma que las células hijas son del mismo tamaño y tienen propiedades similares. Esta simetría resulta de el emplazamiento del huso mitótico, el cual en la mayoría de los casos es central en el citoplasma. El proceso de centralización depende tanto de los microtúbulos astrales como de proteínas motoras que empujan o estiran en los micrtúbulos astrales para centrar el huso.
Movimientos guiados por microfilamentos Melanosomas Los movimientos de orgánulos por microfilamentos son raros en las células animales y humanas. Una excepción son los melanosomas, cuyo movimiento parece guiado mayoritariamente sobre los microfilamentos. En humanos los melanosomas, gránulos de pigmento rodeados de membrana, se sintetizan en células denominadas melanocitos. Estos melanosomas se mueven hacia los extremos de procesos dendríticos en los melaocitos desde donde son enviados a los queratinocitos adyacentes. La miosina V se asocia con estos melanosomas, y puede media su movimiento asociado a actina. La célula puede regular la actividad de las proteínas motoras permitiendo el cambio de posición de los compartimientos rodeados de membranas o el movimiento de la células completa. Un ejemplo es el de melanocitos de peces. Estas células son las responsable del cambio de coloración en la piel de muchos peces. Contienen gránulos de pigmentos agregados o dispersos. Esta dispersión es producida por un movimiento a lo largo de una extensa red de microtúbulos. El extremo menos de estos microtúbulos son nucleados por el centrosoma y se localizan en el centro de la célula, con sus extremos positivos distribuidos alrededor de la periferia celular.
Desplazamiento de compartimientos Existen evidencias que sugieren que el transporte de vesículas o compartimentos es más complicado. Por ejemplo, durante la endocitosis, las vesículas de la membrana son internalizadas, mientras que durante la secreción las vesículas se mueven desde el RE al Golgi y hacia el exterior. En ambos procesos, una vesícula debe atravesar regiones pobres en microtúbulos y ricas en microfilamentos. Se ha observado, que las vesículas viajan a través de los microtúbulos. Sin embargo, en la periferia, el movimiento continúa. Esta regios es rica en microfilamentos y se ha demostrado que una vesícula puede moverse en microfilamentos. Además, se ha comprobado que el reclutamiento de actina, entre otros, se utiliza para estimular la internalización mediada por caveola. Una función importante asociada a los microfilamentos consiste no en mover, sino en retener, fijar ciertos orgánulos o macromoléculas en una región específica de las célula. Mediante este
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mecanismo se retienen orgánulos, proteínas y mRNA, que quedan confinados en ciertas zonas del citoplasma.
Movimientos citoplasmáticos producidos por polimerización de la actina Este movimiento se produce por la polimerización de la actina que empuja los materiales situados en su extremo positivo. Mediante la manipulación de la polimerización y la despolimerización, la célula puede crear fuerzas que producen varios tipos de movimiento. Un ejemplo lo constituye la estimulación de la polimerización de la actina por la profilina que genera fuerza para el movimiento de patógenos intracelulares y para la locomoción celular.
No se conoce ningún caso de orgánulos que utilicen este mecanismo. Parece ser, que durante la endocitosis, durante la entrada del endosoma, se puede utilizar este mecanismo, aunque no está claramente comprobado. Sí se conocen patógenos intracelulares que se desplazan así. Un ejemplo es la forma en la que la bacteria Listeria monocitogenes infecta otras células. Las bacterias Shigella y Ricketssia utilizan proteínas WASP que activan el complejo Arp2/3 para generar nuevos filamentos. Muchas infecciones se extiende cuando los virus o bacterias son liberados de las células infectadas al lisarse. Sin embargo, algunos escapan de la células en el extremo de microfilamentos en polimerización. Por ejemplo, la bacteria Listeria monocytogenes, una bacteria que puede ser transmitida al feto por la mujer embarazada, y el virus vaccinia. Cuando tales organismos infectan células de mamífero, se mueven en el citosol seguidos de filamentos de actina cortos, creyéndose que es ésta la que produce la fuerza necesaria para el movimiento. Los monómeros de actina se incorporan en la red tipo cola al final de la bacteria más cercana, con una pérdida simultánea de actina en la cola. La actina se polimeriza en filamentos en la base de la bacteria lo que sugiere que a medida que se ensambla la red, empuja a la bacteria hacia delante. La interacción de la profilina con una proteína de la membrana de la bacteria promueve la polimerización de la actina cerca de la bacteria. La fagocitosis depende de la reorganización de la actina cortical inducida por el agrupamiento de receptores fagocíticos en el lugar de adhesión de la partícula a ser fagocitadas, junto con un remodelaje de la membrana con el fin de formar los pseudópodos alrededor de la partícula.
MOVILIDAD CELULAR La actividad del citoesqueleto también está ligada a fenómenos de movilidad celular. Entre ellos se incluyen: La formación de protuberancias superficiales, es decir, la producción de regiones de citoplasma que sobresalen o emergen de la superficie celular. Cambios de forma celular debidos a procesos de contracción, en los que intervienen haces contráctiles de microfilamentos. Locomoción celular por pseudópodos o lamelipodios. Movimientos de cilios y flagelos.
Extensión de protuberancias superficiales Existen diversas células que, en ciertas condiciones, emiten protuberancias de su superficie. En este proceso intervienen los microfilamentos de actina. Algunos ejemplos son: Filamento acrosómico. El acrosoma es un orgánulo situado en la cabeza del espermatozoide que interviene en el proceso de fecundación. En algunas especies animales, durante la fecundación, se produce la emisión de una protuberancia llamada filamento acrosómico. Este filamento acrosómico se produce por la polimerización de una reserva de actina asociada a profilina que se encuentra situada entre el núcleo y el acrosoma. La proliferación de microfilamentos “empuja” la membrana plasmática y provoca el crecimiento del filamento acrosómico. Filopodios: Son protuberancias celulares con forma de hilo, también denominados micropúas, presentes en macrófagos, fibroblastos y células epiteliales. Lamelipodios: Son protuberancias laminares presentes sobretodo en células epiteliales y fibroblastos. Pseudópodos: Son protuberancias tridimensionales que aparecen en células de vida libres como los neutrófilos y macrófagos.
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Cambios de forma debidos a contracción celular Los cambios de forma debidos a la contracción se deben a la actividad de haces contráctiles de microfilamentos. Según se vió en el tema de microfilamentos los haces formados por ellos pueden ser contráctiles o no contráctiles. Los haces contráctiles son haces paralelos de microfilamentos con orientaciones opuestas, que se enlazan por moléculas de alfa‐actinina (entre otras). También se asocian con miosina II para generar el desplazamiento de unos microfilamentos sobre otros. Algunos ejemplos son: Contracción muscular Citocinesis: división del citoplasma que se produce al terminar la división nuclear, la cual se realiza mediante una anillo ecuatorial contráctil que constriñe las células hasta separarse por completo. Pliegues epiteliales: durante la morofogénesis (adquisición de la forma de una estructura corporal) y la organogénesis (formación de los órganos) es frecuente que una lámina epitelial se repliegue para producir una estructura tridimensional. o Formación de glándulas que se producen por repliegue de una lámina epitelial o Formación del tubo neural durante las primeras fases del desarrollo embrionario.
Citocinesis En las células animales y en muchos eucariotas unicelulares, la estructura esencial en el proceso de la citocinesis es el anillo contráctil: un ensamblaje dinámico formado por filamentos de actina, filamentos de miosina II y muchas proteínas estructurales y reguladoras. Durante la anafase, el anillo se ensambla justo por debajo de la membrana plasmática. El anillo se contrae poco a poco. Cuando la contracción del anillo se ha completado, inserción de membrana sella el hueco entre las células hijas.
A medida que los microtúbulos astrales se alargan en anafase se vuelven menos dinámicos y el anillo contráctil empieza a ensamblarse bajo la membrana plasmática. Mucha de la preparación para la citocinesis, sin embargo, tiene lugar en etapas tempranas de la mitosis, antes de que empiece la división del citoplasma. En células en interfase, los filamentos de actina y miosina se ensamblan en una red cortical y, en algunas células, también en largos agregados citoplásmicos denominados fibras de estrés. Cuando las células entran en mitosis, estas formaciones de actina y miosina se desensamblan; la mayor parte de actina se reorganiza y los filamentos de miosina II se liberan. Cuando las cromátidas hermanas se separan en anafase, la actina y la miosina empiezan a acumularse en el anillo contráctil que se está ensamblando, el cual cuenta con proteínas adicionales que dan soporte estructural o colaboran en el ensamblaje del anillo. El ensamblaje del anillo contráctil es consecuencia, al menos en parte, de la formación local de nuevos filamentos de actina. Después de la anafase, los conjuntos solapados de filamentos de actina y miosina II se contraen generando la fuerza que divide el citoplasma en dos El problema fundamental de la citocinesis es cómo asegurar que la división se produzca en el momento y en el lugar adecuados. El momento y la situación correcta de la citocinesis en las células animales se consigue mediante mecanismos que dependen de los microtúbulos del huso mitótico. Durante la anafase el huso mitótico genera señales que estimulan la formación del surco de segmentación, en una posición media entre los dos polos del huso, asegurando que la división se produzca entre los dos conjuntos de cromosomas separados. Existen situaciones en células tumorales en las que la formación de un huso mitótico tripolar origina las anormalidades cromosómicas tan habituales en estas células.
Contracción muscular Músculo esquelético Organización
Los vertebrados tienen tres tipos de células contráctiles especializadas, que forman respectivamente el músculo liso, esquelético y cardiaco. La fibra muscular esquelética es una célula alargada, multinucleada, especializada en contracciones rápidas y potentes.
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El citoplasma de la célula muscular está ocupado por estructuras alargadas que son las estructuras contráctiles, llamadas miofibrillas. Las miofibrillas son cilíndricas y están formadas por la tepetición de unas estructuras contráctiles denominadas sarcómeras. La contracción de las sarcómeras de las células que forman el músculo producen la contracción muscular. La sarcómera es una estructura que muestra una organización especial de microfilamentos de actina, filamentos de miosina II y otras proteínas. Como las fibras musculares son alargadas y existen numerosas sarcómeras dispuestas unas a continuación de otras, siguiendo el eje longitudinal de las mifibrillas, el resultado es una sucesión de sarcómeras contra´ctiles a lo largo de la célula. La contracción de las sarcómeras provoca la contracción de las miofibrillas, y ésta la contracción de la fibra muscular. En ambos extremos de cada sarcómera se pueden observar los llamados discos Z. A ellos se anclan los extremos positivos de los microfilamentos de actina, que dirigen sus extremos negativos hacia el centro de la sarcómera. Los microfilamentos de actina de la fibra muscular se denominan miofilamentos finos. En el centro de la sarcómera se encuentran los filamentos bipolares de miosina II, con las cabezas de miosina proyectándose hacia los microfilamentos de actina, con los que se solapan. Los filamentos de miosina de la célula muscular se llaman miofilamentos gruesos. Las sarcómeras se unen unas a otras en longitud formando las llamadas miofibrillas. Debido al solapamiento entre miofilaentos finos y gruesos, al observar una sarcómera se observan bandas de diferente densidad. Los límites de la sarcómera están marcados por los discos o bandas Z. El centro de la sarcómera muestra una banda oscura denominada banda A. A ambos lados, se encuentran bandas claras, bandas I, que contactan con las bandas claras de las sarcómeras vecinas. En el centro de la sarcómera se aprecia una línea, llamada línea M. Proteínas asociadas a microfilamentos
Los miofilamentos finos están formados por actina a la que se asocian diversas proteínas. Entre ellas están la tropomiosina, la troponina, la tropomodulina, la titina y la nebulina, entre otras. En el músculo esquelético la contracción se regula por cuatro proteína accesorias en los filamentos finos: tropomiosina y troponinas C, I, y T. La concentración de calcio citosólico influencia la posición de estas proteínas en los filamentos finos, controlando las interacciones entre la miosina y la actina. Las moléculas de tropomiosina forman una cadena continua a lo largo del filamento de actina. Esta molécula tiene sitios de unión a monómeros de actina. La troponina se asocia a la tropomiosina. Se cree que controlada por la concentración de calcio y la troponina, la tropomiosina puede ocupar una posición OFF y otra ON en el filamento fino. En ausencia de calcio (OFF), la miosina puede unirse a un filamento fino pero el complejo tropomiosina‐ troponina previene que la miosina “camine” a lo largo del filamento fino. La unión del calcio a uno de los complejos de la troponina, el C, ocasiona un movimiento de la tropomiosina hacia el centro del filamento de actina (ON), lo que expone los lugares de unión de la actina a la miosina. Los miofilamentos finos se anclan en el disco Z, formado por una red proteica. Entre las proteínas presentes en el disco Z se encuentran la alfa‐actinina, y la proteína CapZ. La CapZ es una proteína de caperuza que bloquea el extremo positivo de la microfilamento. La tropomodulina es una proteína asociada al extremo negativo de la actina impidiendo su despolimerización. En músculos se encuentra un tercer grupo de filamentos formados por la proteína fibrilar TITINA (o CONECTINA) que conecta los extremos de los filamentos gruesos a las líneas Z y se extiende hasta el final de la zona H. Esta proteína parece que funciona como una banda elástica que mantiene los filamentos de miosina centrados en la sarcómera cuando el músculo se contrae o se relaja. Otra proteína denominada NEBULINA forma largos filamentos no elásticos consistentes en dominios repetidos de unión a la actina, y se extiende desde una cara a la otra de las líneas Z a lo largo de los filamentos finos. Cada filamentos de nebulina es tan largo como sus filamentos de actina adyacentes. Esto indica que la nebulina puede actuar como un regulador del número de monómeros de actina que polimerizan en cada filamento fino durante la formación de las fibras musculares. Los discos Z de las miofibrillas adyacentes se unen entre sí mediante filamentos intermedios de desmina.
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Contracción muscular
Los filamentos finos y gruesos no cambian su longitud mientras la sarcómera se acorta durante la contracción en el modelo denominado modelo de trineo. Las interacciones dependientes de ATP entre los filamentos gruesos y los finos generan una fuerza tal que causan el deslizamiento de los filamentos finos sobre los gruesos. Esta fuerza es generada por las cabezas de miosina de los filamentos gruesos, que forman puentes con los filamentos de actina en la zona AI, donde los dos sistemas de filamentos se superponen. Los cambios conformacionales siguientes en estos puentes originan que las cabezas de la miosina caminen a lo largo del filamento de actina. Como el filamento grueso es bipolar, la acción de las cabezas de miosina en cada uno de los extremos acerca a los filamentos finos hacia el centro del filamento grueso. Este movimiento acorta las sarcómero hasta que los extremos de los filamentos gruesos alcanzan las líneas Z o hasta que los extremos – de los filamentos finos se superpongan en el centro de la banda A. La contracción en un músculo intacto resulta de la actividad de cientos de cabezas de miosina en un único filamento fino, amplificado por cientos de filamentos gruesos en una sarcómera y miles de sarcómeras en una única fibra muscular.
Músculo liso Organización del músculo liso
El músculo liso está compuesto de células alargadas y con forma de aguja y sólo contienen un núcleo. Aunque estas células contienen, al igual que el esquelético, filamentos gruesos y finos, estos filamentos no se organizan en sarcómeras y miofibrillas. Por esta razón, los músculos lisos no están estriados. Los filamentos en este músculo se reúnen en organizaciones laxas, unidas a núcleos o cuerpos densos en el citoplasma. Estos cuerpos tienen aparentemente la misma finalidad que las líneas Z en el músculo esquelético. El otro extremo de los filamentos finos en muchas células de músculo fino están conectadas a unas placas de adhesión similares a los cuerpos densos pero localizados en la membrana plasmática. Esta placa es rica en alfa‐actinina y también contiene vinculina, la cual no se encuentra en las líneas Z. La vinculina se une directamente a una proteína integral de membrana y a la alfa‐actinina, uniendo así los filamentos de actina a la membrana plasmática. Los cuerpos densos se unen a filamentos de desmina que forman una especie de tendón interno inextensible y continuo, que corre de un extremo a otro de la célula. Este tendón de desmina impide el estiramiento excesivo de la célula. La célula muscular lisa resiste el estiramiento muy poco hasta una longitud determinada. A partir de esta longitud la resistencia aumenta. Contracción del músculo liso
La red de actina‐miosina en el músculo liso es más desorganizada que la del músculo esquelético. Las variaciones de calcio en este músculo son mucho más lentas que en el esquelético. Otra diferencia radica en que el músculo liso tiene tropomiosina pero no troponina, de forma que aquí el sistema OFF ON no está operativo. Por lo tanto, en el músculo liso existen otras vías. En el cuerpo intacto, el proceso de contracción en el músculo liso está regulado principalmente por la activación mediada por receptor y activación mecánica de las proteínas miosina y actina. Un cambio en el potencial de membrana también podría iniciar la contracción. Para que la contracción tenga lugar las cadenas ligeras de la miosina se fosforilan, posibilitando la interacción de la actina con la miosina. La energía liberada del ATP debido a la acción ATPasa de la miosina resulta en un ciclo de entrecruzamientos con la actina para la contracción. Así, la actividad contráctil en el músculo liso se determina en primer lugar por la fosforilación de la cadena ligera de la miosina. Este proceso está altamente regulado. En algunas células de músculo liso, la fosforilación se mantiene a un nivel bajo en ausencia de estímulos externos. Esta actividad es la que se denomina tono muscular. La contracción del músculo liso se inicia debido a un cambio de calcio en los filamentos gruesos, mientras que en el esquelético el calcio media la contracción debido a cambios en los filamentos delgados. En respuesta a estímulos específicos la concentración de calcio aumenta y se combina con calmodulina. Este complejo activa la fosforilación de la cadena ligera de la miosina. La relajación ocurre o como resultado de la eliminación del estímulo contráctil o mediante la acción directa de una sustancia que estimula la inhibición del mecanismo contráctil. Este proceso de
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relajación requiere una disminución del calcio intracelular y un incremento de la actividad fosfatasa. Los mecanismos que secuestran o eliminan este calcio pueden llegar a alterarse, contribuyendo a una falta de respuesta anormal. Existen varios mecanismos implicados en esta disminución. Una de estas vías que estimula o inhibe la contracción del músculo liso, equivalente al sistema tropomiosina‐troponina, implica la presencia de caldesmonina que se puede unir a los filamentos de actina cuando las concentraciones de calcio son bajas. Cuando las concentraciones de calcio son muy bajas, la caldesmonina forma complejo con la tropomiosina y la actina, restringiendo la habilidad de la miosina para unirse a la actina y prevenir la contracción.
Locomoción por pseudópodos o lamelipodios El proceso de migración de las células animales puede dividirse en tres fases: Protusión: los lamelipodios y filopodios se extienden al frente de la célula debido a la polimerización de filamentos de actina, aunque también colaboran proteínas motoras unidas a la membrana y la actina, como la miosina I. Anclaje: la actina contacta con el sustrato (de forma indirecta mediante proteínas de anclaje e integrinas). Se realiza a través de contactos similares a los contactos o adhesiones focales de las fibras de estrés, aunque algo más difusos. Tracción: el cuerpo de la célula se mueve hacia delante. Se cree que se debe a una fuerza generada en el frente de avance, de tal forma que el núcleo y el cuerpo celular avanzan pasivamente. El movimiento puede deberse a una tracción generada por filamentos de actina, o a que estos empujan la corteza celular, lo que arrastra al resto de la célula. El paso fundamental en este proceso de migración es la protusión inicial, es decir, el crecimiento del lamelipodio. Los lamelipodios son estructuras lábiles y móviles que se pueden formar y retraer a gran velocidad. Parece ser que la polimerización de la actina tiene lugar a partir de núcleos que se forman próximos a la membrana. El crecimiento se produce por nucleación asociada a complejos Arp2/3. Se producen nuevos microfilamentos próximos a la cara de crecimiento del lamelipodio. Esto provoca el crecimiento del lamelipodio. El crecimiento de los filamentos de actina empuja la membrana plasmática hacia delante. En cambio, los microfilamentos más alejados de la membrana, se despolimerizan por la acción de la cofilina. De esta forma, se garantiza la formación y destrucción coordinada de los microfilamentos. En resumen, el lamelipodio avanza debido a la formación de nuevos microfilamentos en el frente, mientras que en la región opuesta éstos se despolimerizan. La nucleación de nuevos filamentos se debe al complejo Arp2/3, y éstos empujan a la membrana plasmática. Los filamentos alcanzan un estado de equilibrio, y dejan de crecer. Mientras tanto, los microfilamentos viejos, con actina unida a ADP, son susceptibles de despolimerizarse por acción de la cofilina. Por eso se van destruyendo en el extremo opuesto al de avance. Una característica de la célula en movimiento es su polaridad: una célula tiene una parte anterior y una parte posterior. Cuando gira, se forma una nueva laminilla o seudópodo en la nueva dirección. Si se formaran láminas en todas direcciones, la célula sería incapaz de elegir una dirección de movimiento. Para sostener el movimiento en una dirección, la célula requiere de señales de coordinación de los procesos de la parte anterior y de la parte posterior, y que le indiquen dónde se encuentra cada una de ellas Entre estas podemos encontrar factores de crecimiento.
Movimiento ciliar y flagelar El movimiento de los cilios y flagelos se debe al deslizamiento de unos microtúbulos sobre otros. Estos deslizamientos se producen gracias a los brazos de dineína de los microtúbulos A, que son capaces de interaccionar con las tubulinas de los microtúbulos B en presencia de ATP y Mg2+. La dineína presenta actividad ATPasa. Para generar movimiento ciliar, primero, los brazos de dineína del microtúbulo A del doblete inferior se unen al microtúbulo del doblete superior. La dineína cambia de conformación que desplaza el doblete inferior. Entonces, los brazos de dineína se separan del doblete superior. Finalmente, los brazos de dineína se vuelven a unir al microtúbulo B del doblete superior pero en una posición distinta. El hecho de que este deslizamiento de los microtúbulos se transforme en movimientos concretos de inclinación y no produzca un simple enrollamiento del cilio o flagelo parece deberse a la orientación de los dos microtúbulos centrales. El cilio bate en el plano de la bisectriz de los dos microtúbulos centrales.
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Hay axonemas que carecen de microtúbulos centrales y son inmóviles. Cuando se aíslan dobletes de axonemas ciliares y se eliminan las proteínas que unen unos dobletes a otros (nexina), manteniendo intactos los brazos de dineína, se produce el deslizamiento de un doblete sobre otro. Si se mantienen los dobletes fijados por sus proteínas de unión únicamente se produce una flexión de los dobletes. Mientras que el movimiento originado por los cilios se asemeja más a una golpe de natación, en la que los cilios actúan relativamente de forma sincrónica, los flagelos originan un movimiento ondulante que desplaza el líquido en la que se encuentran desplazándolos hacia delante. El movimiento de los flagelos es más complicado que el de los cilios, Se produce en tres dimensiones y varia de unos a otros. Se ha estudiado ampliamente en los espermatozoides. Su movimiento describe un movimiento semejante al de un sacacorcho. Además de este movimiento, existe un movimiento secundario que se propaga en forma d onda a lo largo del flagelo desde la base hasta la punta.
Tipos de movimiento ciliar Aunque se han descrito hasta cuatro (pendular, unciforme, infundibuliforme y ondulante), los dos más importantes son el unciforme y el infunsibuliforme. Pendular: flexión por la base. Es típico de protozoos ciliados y no se ha observado en células animales o humanas. Unciforme: el cilio se dobla al contraerse. Es el más corriente en los cilios de los metazoos. Cada cilio se mueve como un pequeño látigo: se produce un batido o inclinación instantánea (el golpe eficaz) por la base del cilio extendido. Le sigue una recuperación (vuelta a la posición original) gracias a un movimiento de desenrollamiento que minimiza la resistencia viscosa del medio extracelular. Este movimiento se realiza siguiendo una curva en varios planos. En las células ciliadas, los cilios cilios suelen ordenarse en filas que se organizan perpendicularmente al plano del movimiento ciliar. Este movimiento está coordinado de tal forma que es simultáneo (isocrónico) para todos los cilios de la misma fila y está ligeramente retrasado (metacrónico) para todos los cilios dela fila siguiente. Infundibuliforme: el cilio o flagelo rota, describiendo un movimiento cónico, como un embudo. Es típico de espermatozoides. Ondulante: se producen ondas de contracción que se transmiten desde la base hasta el ápice. También es característico de ciertos flagelos, pero es poco frecuente. El movimiento ciliar o flagelar puede generar dos tipos de movimiento: Movimiento celular: si la célula es libre, el movimiento ciliar o flagelar causa el desplazamiento de la célula. Movimiento del medio extracelular: si la célula está integrada en un tejido fijo, el movimiento de los cilios genera un movimiento del medio externo. Por ejemplo, esto ocurre en la superficie de epitelios, en los que el movimiento ciliar provoca el movimiento del medio que recubre el epitelio.
