jueves, 1 de diciembre de 2016

16 DIFERENCIA ENTRE LA CÉLULA PROCARIOTA Y EUCARIOTA

La teoría celular // La célula y sus propiedades // Generalidades de la célula y su estudio // La célula procariota // Organelos procarióticos // La célula eucariótica // Estudio de la célula eucarótica // Los retículos endoplasmáticos // El aparato de Golgi y el núcleo // Las vesículas celulares // Tráfico vesicular celular // La mitocondria // El cloroplasto // El citoesqueleto eucariótico // Fisiología del citoesqueleto // Diferencias entre la célula procariota y eucariota // Referencias bibliográficas


16.1 El material genético de los procariótes y los eucariótes

El material genético de las células procariotas se encuentra en una región denomina da nucleoide, una región pobremente demarcada de la célula que carece de la demarcación de una membrana que la separe del resto del citoplasma. En contraste la célula eucariótica tiene su material genético almacenado en una región específica llamada núcleo, la cual se encuentra separada del resto del citoplasma mediante una estructura compleja llamada membrana nuclear.  Esta diferencia en la estructura celular es la base para los términos procariotico (pro _ antes, karyon _ nuez) y eucariotica (eu _ verdadera, karyon _ nuez).

Las células procarióticas poseen una cantidad relativamente pequeña de ADN. El contenido de ADN de una bacteria se estima en un promedio de 600 000 pares de bases hasta cerca de 8 000 000 pares de bases las cuales generan entre 500 y varios miles de proteínas.

Generalmente se nos dice que los cromosomas son el modo en que el ADN de los eucariotas se almacena, pero esto es solo parcialmente cierto, en el ciclo de vida de la célula eucariota, los cromosomas solo se forman "condensan" cuando la célula está lista para replicarse, es decir, son una estructura relacionada con la reproducción y no con la actividad de la célula. Su condensación depende de proteínas asociadas llamadas histonas.

A pesar de que una simple célula de levadura de pan posee solo un poco más de ADN 12 000 000 de pares de bases que codifican para 6200 proteínas, que el más complejo de los procariotes, las células eucarióticas poseen considerablemente una mayor cantidad de información genética.


La cromatina es una fibra de histonas y ADN. Una fibra de ADN enroscada a una histona se llama nucleosoma, una unidad de cromatina consta de 6 nucleosomas unidos, y la cromatina completa son miles de giros individuales cada uno compuesto por 6 nucleosomas. En el núcleo de la célula, la cromatina se encuentra dispersa, y solo se une al formar los cromosomas durante la replicación celular.

Ambos los procariotes y los eucariotes almacenan su ADN en cromosomas. Los cromosomas procarióticos son más simples y tienen forma circular, por lo general no almacenan pseudogenes.  Por el contrario, los cromosomas eucarióticos son enormes, contienen además de ADN muchísimas proteínas que regulan y modifican de manera hereditaria al ADN. Cuando el cromosoma eucariótico se disuelve en el núcleo durante la fase de crecimiento forma la cromatina.

Referencias: (Karp, 2010, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008)

16.2 La pared celular de los procariotes y los eucariotes

Las células se encuentran separadas del medio como mínimo por una membrana celular compuestas por sustancias cerosas/grasosas llamadas formalmente lípidos. 

La pared celular de los procariotes del tipo eubacteria se divide en dos tipos. Algunas poseen una pared gruesa y otra una pared delgada. En la imagen, la membrana flexible de fosfolípidos es de color azul, y la pared es verde. La pared está compuesta por una molécula de tipo polipeptido llamada peptidoglicano exclusiva de las bacterias. A las bacterias con paredes gruesas las llamamos Gram positivas y a las de paredes delgadas Gram negativas, debido a que es la pared la que retiene el colorante de Gram. Las Gram positivas se ven purpuras y las Gram negativas rosadas al microscopio óptico. El otro grupo de procariotes posee una pared similar, pero el peptidoglicano es reemplazado por otras sustancias de tipo proteínico de secuencia diferente pero con función semejante.

Los lípidos forman una capa doble y relativamente móvil, la cual tiene proteínas incrustadas que ayudan a realizar muchas funciones. 

La pared celular de las plantas, abajo en azul está la membrana celular, en medio "amarillo" está la pared, compuesta por celulosa, una sustancia de tipo polisacárido "azúcar complejo", y en la parte externa una cama llamada lamela intermedia la cual está compuesta por pectina "otro azúcar complejo". Sobre esta membrana puede existir otra barrera, esta vez mas rígida, la cual protege a la célula y le da su forma la mayoría de las veces.

La pared celular de un hongo, abajo en purpura tenemos la membrana celular, y arriba la pared, la cual está compuesta por una mezcla de azucares complejos "beta-glucanos" y proteínas. El componente más importante es el azúcar complejo quitina. Aunque ambos tipos de células pueden poseer o carecer de una pared celular. Cuando se encuentra presente, la composición química de la pared difiere de una manera relacionada al grupo celular del cual estamos estudiando.

Por lo general, las bacterias poseen paredes hechas de un material que les es exclusivo llamado peptidoglicano (muraina en textos antiguos), las células eucariotas carecen de los genes para almacenar peptidoglicano, por lo que los primero antibióticos usaban sustancias químicas que atacaban la maquinaria de la bacteria empleada en la acumulación del peptidoglicano. En contraste, las paredes de los eucariotas poseen una composición química más diversa, como quitina en los hongos, o celulosa en las plantas.

Referencias: (Karp, 2010, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008)

16.3 El citoplasma y el sistema de membranas internas de los procariótes y los eucariótes

El citoplasma, representa la fase acuosa semi-acuosa que se encuentra en el interior de la membrana celular. El citoplasma es en su mayoría agua, pero contiene proteínas y otras sustancias que lo hacen una solución muy concentrada, es algo así como gelatina que no se ha condensado bien, o mejor aún, literalmente como la clara de un huevo.

El citoplasma  está compuesto por una fase fluida o citosol y por sustancias de alto peso molecular. En los procariotes estas sustancias son los ribosomas y el cromosoma, pero en los eucariotes la estructura del citoplasma es mucho más compleja al contener los organelos.

El citoplasma de los dos tipos de células se diferencia en ciertos componentes que se encuentran en él. El citoplasma de las células eucariotas posee además de las proteínas y otras sustancias solubles una serie de estructuras rodeadas por membranas biológicas, iguales a la membrana externa, además de estas membranas internas existen otras estructuras que no se presentan en las bacterias.

Incluso las levaduras que se cuentan entre los eucariotes más simples, y que contienen un número de genes poco más grande que la más compleja de las bacterias, posee una estructura celular mucho más compleja que cualquier procariote. Esto se debe a que las bacterias carecen de sistema de membranas internas

Tanto a ciertas estructuras altamente complejas como al sistema de membranas internas los denominamos organelos/orgánulos. Los organelo rodeados de membrana son por ejemplo el aparato de Golgi, los retículos endoplasmáticos, la mitocondria, los cloroplastos. Otros organelos no poseen membranas, pero de ellos hablaremos en la siguiente sección.

Referencias: (Karp, 2010, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008)

16.4 Estructuras no membranales del citoplasma de los procariotes y los eucariotes

Las células eucarióticas también poseen organelos que carecen de membranas internas. Uno de ellos que diferencian a los eucariotas de las células procariotas son filamentos alrededor de la membrana celular. Estos filamentos forman una especie de andamio flexible y dinámico que le da su forma a las células, al igual que les permite mucho de su movimiento y resistencia.

Se pensaba hasta hace muy pocos años que el citoesqueleto era una característica única de las células eucarióticas, y que las células procarióticas dependían exclusivamente de su pared celular para tener sus formas. Sin embargo se han encontrado estructuras homologas filamentosas, aunque eso sí, mucho más simples en las células procarióticas.

Ambos tipos de células poseen un organelo fundamental en la maquinaria básica de todo ser vivo, y que de hecho puede que haga parte de la definición de vida, pues al igual que sucede con la membrana celular, solo las células poseen esta superestructura. 

El organelo que estamos describiendo no es otro que el ribosoma. Los ribosomas son sustancias sin membranas compuestas pro proteínas y secuencias de ARN llamadas ARN ribosomal, ya que forman parte del cuerpo del ribosoma. A pesar de que todo lo vivo posee ribosomas, el tamaño del ribosoma cambia dependiendo de si hablamos de una célula procariota o de si hablamos de una célula eucariota. Sin embargo, la zona que realiza la labor principal del ribosoma es muy conservada en todos los grupos.

Referencias: (Karp, 2010, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008)

16.5 Reproducción de los procariótes y los eucariótes

Otra de las diferencias principales entre las células procariotas y eucariotas se da en el modo de reproducción. Las células procariotas dependen de la mitosis, un tipo de reproducción asexual que permite que de una célula madre emerjan dos células hijas. Las células eucariotas poseen a parte de la mitosis el ciclo de reproducción sexual.  La reproducción sexual se caracteriza por la fusión de dos células, las cuales después de mezclar su material genético forman una única célula que luego pasa por dos divisiones celulares produciendo cuatro células hijas nuevas.

Ambos tipos de células pueden realizan trasferencia horizontal de genes, es decir, el paso de genes de una especie a otra diferente; aunque el proceso es mucho más fuerte en las células procarióticas que es donde el proceso fue descrito originalmente.

Referencias: (Karp, 2010, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008)

16.6 Conclusiones a cerca de las diferencias entre eucariotes y procariotes

En los artículos anteriores, muchas de las diferencias más importantes entre las células procariotas y euariotas se dan al nivel de organización celular. De hecho volveremos sobre este fenómeno en muchos capítulos futuros. Sin embargo debemos estar claros en un punto fundamental, no podemos señalar a los procariotes como seres vivos “menos evolucionados”.

 Tendemos a pensar en todo lo que no sea humano "y por derecha europeo, blanco, rubio y de ojos claros" como menos evolucionado, sin embargo esta expresión se basa en un arraigado sentido platónico de perfección, del cual debemos despojarnos para poder entender la teoría evolutiva.

Si lo hace tenga en mente los siguientes detalles. Los procariotes han existido en la tierra por lo menos desde hace unos  3800 millones de años, y aun en estos momentos miles de millones de ellos se encuentran sobre toda superficie que toamos, sobre nosotros y dentro de nosotros. Es más, en nuestro sistema digestivo existe una gran cantidad de procariotes que nos permiten absorber nuestros nutrientes, y sin ellos los “tan evolucionados humanos” moriríamos de desnutrición rápidamente.

Solemos pensar en los procariotas como criaturas solitarias, pero recientes investigaciones han demostrado que ellas viven en ecosistemas complejos de comunidades de muchas especies interrelacionadas, en las que los individuos y las especies se especializan en funciones. Estos sistemas complejos se denominan biopelículas.

Si alguna vez han estado consiente en el odontólogo, cuando este saca una especie de gancho que clava en la encía, pero que no duele, para luego sacar una especie de laminita transparente, eso es una biopelícula bacteriana llamada placa, la cual con el tiempo puede horadar la encía causando gingivitis.

Las bacterias viven en comunidades biológicas complejas e interdependientes, con cierto grado de especialización de funciones, el caso más evidente son las películas, estructuras hechas por múltiples cepas de bacterias que actúan en comunidad, otro ejemplo es el estromatolito.

Metabólicamente hablando, mientras que el metabolismo de los animales depende principalmente de la respiración aeróbica, los procariotes poseen una enorme diversidad de rutas metabólicas. Algunos pueden respirar azufre, beber ácido sulfhídrico o comer rocas. El término “más evolucionado”, “menos evolucionado”, “pináculo de la evolución” no son verdaderamente términos basados en la teoría evolutiva modera, y son más bien un vestigio de las expresiones basadas en la filosofía platónica de la escala natural. No existe una escala evolutiva, solo diferentes linajes que han sobrevivido hasta el día de hoy, y que por lo tanto son igual de evolucionados.

Referencias: (Karp, 2010, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008)

martes, 29 de noviembre de 2016

15 FISIOLOGÍA DEL CITOESQUELETO

La teoría celular // La célula y sus propiedades // Generalidades de la célula y su estudio // La célula procariota // Organelos procarióticos // La célula eucariótica // Estudio de la célula eucarótica // Los retículos endoplasmáticos // El aparato de Golgi y el núcleo // Las vesículas celulares // Tráfico vesicular celular // La mitocondria // El cloroplasto // El citoesqueleto eucariótico // Fisiología del citoesqueleto // Diferencias entre la célula procariota y eucariota // Referencias bibliográficas

Ya hemos trabajado la función del citoesqueleto como mediador del tráfico intracelular, y del movimiento cilio-flagelar, a continuación examinaremos funciones de contracción que requieren de la función coordinada del citoesqueleto como un todo.

15.1 Contractibilidad muscular

Todos los tejidos de músculo esquelético tienen un patrón estriado como consecuencia de la alta organización de las proteínas en su interior, este patrón ser observa ya sea al microscopio óptico o al microscopio electrónico. Estas proteínas juegan un rol crítico a la hora de permitir el movimiento al nivel molecular. El músculo como órgano está compuesto por varios tipos de tejido, el principal, el músculo esquelético se organiza en fibras musculares. En estas estructuras las células individuales se organizan como filamentos largos de unos 100 milímetros de diámetro y varios centímetros de longitud.

Las proteínas contráctiles al interior de una célula muscular son polímeros descritos en términos de su apariencia como filamentos gruesos y filamentos delgados. Cada uno de los filamentos está compuesto por diferentes tipos de proteínas estructurales, denominadas miosina y actina. La unidad fundamental de un filamento grueso es la proteína miosina. La miosina es una proteína compleja compuesta por dos regiones, una cabeza y una cola. La cabeza posee dos dominios para acoplarse a otras sustancias. El primer puerto de acoplamiento permite su unión con la actina, y el segundo puerto se acopla al ATP para hidrolizarlo y así obtener su energía.

La cabeza de la miosina es la región activa de la proteína, esta posee dos dominios de acoplamiento, el primero está en la punta de la cabeza y permite el acople con la actina, el segundo dominio es un hidrolizador de ATP, cuando esta región corta el ATP, la energía que se libera del enlace pirofosfato se transfiere a la miosina para que esta cambio su configuración tridimencional. La transferencia de energía no es perfecta, y mucha se pierde en forma de calor no empleable para trabajo mecánico molecular.

Los filamentos delgados consisten en dos subunidades macromoleculares entrelazadas. Las fibras están compuestas por subunidades de proteínas globulares llamadas Actina-G. La Actina G forma un filamento helicoidal que da un giro cada siete unidades.  En medio de cada giro se encuentra una proteína filamentosa llamada tropomiosina, en cuyas puntas se encuentra un complejo proteínico que regula la interacción de la fibra de actina con la fibra de miosina. La tropomiosina funciona como un tapón paralelo a cada unidad de actina e impiden que la cabeza de la miosina se acople. Del mismo modo, estas fibras tapón están acopladas a otros elementos reguladores llamados troponina. Si la troponina se activa, la tropomiosina se libera, permitiendo que la actina y la miosina se acoplen.

La actina es un entramado de varias proteínas. Las unidades de actina en azul se acoplan a la miosina, se trata de una proteína pasiva que es movida por la miosina. El punto es que los puntos de acople se encuentran obstruidos por proteínas reguladoras llamadas tropomiosina "en gris". La tropomiosina se encuentra a su vez regulada por la troponina "púpura" que puede alterar la configuración de la tropomiosina.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

15.1.1 Anatomía del sarcómero

Una sola célula muscular se encuentra dividida longitudinalmente en cientos o miles de bandas paralelas denominadas miofibrillas. Cada miofibrilla posee un patrón alternante de oscuro y claro, dando a la fibra de musculo esquelético su patrón de color característico.

Imagen de un sarcómero al microscopio electrónico. esto es lo más cerca que podemos "ver" a un sarcómero, lo demás son modelos de su funcionamiento. La actina más miosina es gris, la actina es de color muy clara mientras que la línea que une a todas las barras de actina llamada disco Z es de un color negro.

La banda oscura de una miofibrilla se denomina Banda A. La Banda A es dividida en el centro por una banda delgada y clara denominada la Banda H. Separando cada una de las Bandas A se encuentran las Bandas I. Cruzando el centro de la Banda I se encuentra una estructura oscura denominada Banda Z, algunas veces denominada disco Z. a Banda I contiene solamente filamentos delgados de actina. La Banda A contiene filamentos gruesos de miosina junto con las proyecciones de actina provenientes de la Banda I. A esta unidad fundamental de repetición se la denomina sarcómero, y se encuentra definida por el espacio entre dos discos Z.

En biología molecular se emplean múltiples analogías, para el sarcómero lo más cercano es el funcionamiento del pistón, pero en lugar de una fuerza hidráulica o neumática lo que lo impulsa es una fuerza mecánica generada por las cabezas de miosina. Dado que el ATP requerido para mover dichas cabezas está sometido a las leyes de la termodinámica, no toda la energía se transforma en empuje mecánico, hay mucho calor desperdiciado en el proceso. En la imagen tenemos al sarcómero relajado (arriba) y al sarcómero contraído "abajo".

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


15.1.2 La fisiología de un sarcómero

A continuación describiremos el funcionamiento –fisiología –de un sarcómero. En la Banda A se ubica la miosina, la cola fibrosa se ubica hacia el centro, mientras que las cabezas se ubican lateralmente en ambas direcciones para interactuar con los filamentos de miosina.
Normalmente, el estado por defecto es la del músculo relajado. En tal punto la proteína troponina se encuentra libre y no hace efecto sobre la proteína reguladora tropomiosina. Tropomiosina tapa los sitios de acoplamiento cruzados entre la actina y las cabezas de miosina, por lo que el musculo se estira y se relaja.

Si se libera calcio(2+), este se une a la troponina, que a su vez jala a la tropomiosina liberando los sitios de acoplamiento de la actina y la miosina. Cuando la actina y la miosina se acoplan la fibra está lista para iniciar el proceso de contracción.

Una vez acoplada, la miosina se acopla en su segundo puerto a una molécula de ATP, cuando este se hidroliza transfiere su energía química y la miosina la transforma en un giro, que arrastra la miosina hacia el centro del sarcómero. El proceso literalmente se puede concebir como si la cabeza de miosina fuera una mano que jala por varios ciclos a una cuerda de actina. El gatillo del proceso es el calcio, en cuanto la cantidad de calcio disminuye, la actina pierde su unión con la miosina y regresa a su posición de reposo.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

15.2 Contractibilidad no muscular

Las células del musculo esquelético son un sistema ideal para el estudio de la contracción y movimiento de los microfilamentos debido a que sus proteínas se encuentran en altísimas concentraciones en la célula muscular, y lo mejor de todo, que se encuentran estrictamente organizadas, de forma tal que el análisis bioquímico puede acompañarse cn un análisis de microscopio. El estudio de la contractibilidad no muscular es mas problemático justo por las razones opuestas, los microfilamentos se encuentran distribuidos de forma mas rara y no pueden verse organizados al microscopio.

A grandes rasgos los microfilamentos en las células no musculares no se distribuyen en el volumen interno de la célula, sino que por el contrario forman una red justo por debajo de la membrana celular denominada corteza. La corteza de microfilamentos funciona como un exoesqueleto celular, mientras que los microtúbulos funcionan como un endoesqueleto. La corteza de microfilamentos es una región activa de la célula, ya que regula la formación de vesículas y la fusión de vesículas, además de que forma el andamiaje de las vesículas mismas. La analogía mas cercana a estas envolturas de microfilamentos es la de un chasis.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

15.2.1 Movimiento impulsado por actina

Algunos tipos de movilidad celular dependen únicamente de la polimerización de la actina en alguna parte de la membrana, la deformación resultante provoca el desplazamiento del citoplasma y por ende el movimiento celular, cuando el citoplasma se ha movido, la actina se despolimeriza para reiniciar el ciclo den otra zona. Otra alternativa es que una célula parásita sea capaz de inducir la formación de tubos de actina justo detrás de ella. Para esto la célula debe infectar a otra más grande, ingresando por una vesícula y luego liberándose al citoplasma. Un ejemplo de este modo de vida es Listeria monocitogenes. L monocitogenes posee una proteína de superficie en uno de sus polos denominada ActA, la cual expuesta al medio citoplasmático recluta monómeros de actina creando un tubo largo que la desplaza de un lugar a otro. La analogía más cercana es la del báculo de Son Wu Kong, el cual es capaz de alargarse para mover al rey mono a grandes alturas.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

15.2.2 Movimiento celular

Este tipo de movimiento requiere de la acción concertada de la actina en la región adyacente a la superficie celular y de la miosina que la contrae. La analogía más cercana es el desplazamiento de los gusanos planos en un medio cualquiera. El chasis de actina se mueve generando ondas en todo el cuerpo celular, de forma tal que la célula puede reptar a través de medios planos o de medios más viscosos.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

15.2.3 Alargamiento axonal

En 1907 Ross Harrison de la universidad de Yale demostró dos cosas extrayendo tejido neuronal de un embrión de rana y poniéndolo a cultivar con fluido linfático, la primera es que los tejidos extraídos de un ser vivo podían mantenerse vivos fuera de su contexto original, y la segunda que los axones neuronales podían crecer por un sistema de desarrollo muy activo. En este caso los axones jóvenes son muy delgados y crecen gracias al desarrollo del chasis de microfilamentos, los cuales indagan el medio en busca de hormonas que les indiquen la dirección a seguir, una vez que encuentran un rastro siguen creciendo, mientras que en la base de la proyección se empiezan a importar microtúbulos que engrosan la proyección para formar el cuerpo de un axón nuevo mas firme. De este modo los axones van creciendo de forma coordinada para encontrar las hormonas liberadas por otras neuronas y así poder conectarse en sinapsis íntimas.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

15.2.4 Cambios en la forma celular durante el desarrollo embrionario

Cada uno de los más de 200 tejidos del ser humano está compuesto por un tipo de célula que puede distinguirse principalmente por su forma. La forma de la célula depende de la configuración del chasis de microfilamentos.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

15.3 Contractibilidad reproductiva

La mitosis es un proceso que generalmente es descrito empleando la analogía del tejido, y esto es más evidente con la expresión huso " Spindle”. . Nosotros los citadinos actualmente no tenemos idea de tejido o hilado, es por esto que las analogías empleadas en la mitosis son un poco extrañas. Tal vez una de los pocos contactos que se tiene es con el cuento de la bella durmiente, en esta imagen tenemos a la bruja con los dos componentes del hilado, en su mano izquierda posee un copo de lana cruda de la cual se extraen las fibras que son transformadas en hilo gracias al huso que se encuentra en su mano derecha. Otras versiones del cuento emplean una rueca en lugar del copo.

El huso es una herramienta empleada para tejer fibras a partir de la lana cruda, es decir no se trata de la fibra en sí sino de la herramienta para organizarla e hilarla. El huso mitótico es un complejo de proteínas especiales que se relacionan con e citoesqueleto de la célula eucariota.


El citoesqueleto es una especie de andamio que le da forma y movilidad a la célula. En los animales su ensamblado es iniciado por una estructura de organización especial denominada centrosoma. A medida que una célula pasa por l frontera de la fase G2 a la mitosis, los microtúbulos del citoesqueleto pasan por un desensamblado arrollador en preparación para su reensamblado como componentes de un complejo denominado huso mitótico. Se piensa que el rompimiento rápido del citoesqueleto durante la interfase es logrado mediante la desactivación de proteínas que estabilizan los microtúbulos formando el andamio del citoesqueleto.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


15.3.1 El ciclo del centrosoma

El centrosoma o centriolo es un orgánulo que debe reproducirse igual que una célula, su división total se da entre la fase de síntesis y la segunda fase de crecimiento o G2. Para entender la formación del huso mitótico tenemos que examinar en primera instancia el ciclo del centrosoma y como este progresa en relación directa al ciclo celular. Cuando una célula animal sale de la mitosis, el citoplasma contiene un solo centrosoma que contiene dos centriolos ubicados en ángulos rectos uno contra el otro.

Antes de la citocinesis, los dos centriolos de cada célula hija futura pierden su asociación estrecha. Este evento es activado por una proteasa denominada separasa, la cual se vuelve activa en la fase final de la mitosis. Posteriormente, cuando inicia la fase de síntesis “S” durante el ciclo celular, cada centriolo del centrosoma inicia su propia replicación en el interior del  citoplasma.

Cuando inicia la fase de síntesis de ADN el centrosoma inicia su propio proceso de replicación. El proceso inicia con la aparición de un pequeño protocentriolo cerca de cada uno de los centriolos preexistentes, y se orientan a los ángulos rectos.

Subsecuentemente, la elongación de los microtubulos convierte a cada protocentriolo en un centriolo completo.  Al inicio de la mitosis, el centrosoma se divide en dos centrosomas adyacentes, cada uno conteniendo un par de centriolos. La iniciación de la duplicación del centrosoma es activada por transferencias de grupos fosfato mediante proteínas reguladoras Cdk2, el mismo agente encargado de estimular la replicación del ADN.

La duplicación del centrosoma es un proceso altamente regulado para que cada centriolo madre produzca únicamente un centriolo Nuevo durante cada ciclo celular. La formación de centriolos adicionales puede conllevar a la división celular anormal y descontrolada, lo cual contribuye a la formación del cáncer.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


15.3.2 El huso mitótico

La primera fase de formación del huso mitótico en una célula animal típica es la aparición de una forma de llamarada solar o aster alrededor de cada centrosoma durante el inicio de la profase. Los microtúbulos crecen por la adición de subunidades nuevas en sus puntas terminales no asociadas con el centrosoma.  El proceso de la formación del aster es seguida por la separación de los centrosomas, uno del otro y su movimiento subsecuente hacia los polos opuestos de la célula. Eventualmente, los dos centrosomas llegan a los puntos opuestos, estableciendo dos polos. Hacia estos polos será donde los cromosomas serán jalados a la fuerza en las fases finales de la mitosis, siendo esta la función de movimiento. Posterior a la mitosis, cada centrosoma será distribuido a cada una de las células hijas.


Los centrosomas no son siempre necesarios, varios tipos de animales, incluyendo los embriones de ratón además de todas las células vegetales son capaces de formar un huso mitótico bipolar en ausencia de los centrosomas. El huso mitótico funcional se puede formar incluso en células de mosca de la fruta mutantes que carecen de centrosomas, o en células de mamíferos en los que el centrosoma ha sido experimentalmente removido. En todos estos casos, los microtúbulos del huso se forman cerca de los cromosomas en lugar de los polos generados por los centrosomas. Posteriormente, las puntas terminales en crecimiento de los microtúbulos son mantenidas juntas a través de un motor de proteínas.

Esto implica que las células poseen al menos dos mecanismos redundantes y totalmente funcionales para la formación del huso mitótico. Estudios recientes demuestran que ambos procesos se dan de manera simultánea en las células normales.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14 EL CITOESQUELETO EUCARIOTA

El esqueleto de los vertebrados es un órgano familiar que consiste en elementos duros que dan soporte a tejidos blandos, además de jugar un rol vital en el movimiento. Las células eucariotas también posee un sistema esquelético o citoesqueleto que posee funciones análogas. El citoesqueleto está compuesto por tres estructuras filamentosas bien definidas: microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermediarios, que al ensamblarse juntos conforman una intrincada red semejante al marco que sostiene la carpa de un circo. Cada  uno de los filamentos citoesqueléticos es un polímero proteínico que se mantiene unido por interacciones moleculares no covalentes. Este tipo de ensamblaje permite una rápida fabricación o descomposición de secciones completas en corto tiempo y con menor costo energético, los cuales dependen de una compleja regulación celular.

Cada filamento posee propiedades particulares. Los microtúbulos son tubos largos, huecos y sin ramificaciones compuestos por subunidades de la proteína tubulina. Los microfilamentos son sólidos y más delgados que puede ramificarse, están compuestos por la proteína actina. Los filamentos intermedios son fibras gruesas semejantes a la fibra de una cuerda que se componen por una amplia variedad de proteínas. A pesar de que los componentes del citoesqueleto aparentan ser un armazón fijo en los diagramas 2d y 3d, en realidad se trata de estructuras altamente dinámicas capaces de reorganizaciones drásticas en poco tiempo. 

Por muchos años se pensó que el citoesqueleto era una sinapomorfia de los eucariotas, sin embargo en la actualidad se sabe que los procariotas contienen proteínas análogas a la tubulina y a la actina formando filamentos citoesqueléticos, sin embargo no son tan prominentes debido a que la pared celular se encarga de muchas de las funciones del citoesqueleto. Incluso se han encontrado proteínas semejantes a los filamentos intermedios en los procariotas, por lo que aparentemente todos los tipos de elementos citoesqueléticos poseen un origen evolutivo en los procariotas.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


14.1 Funciones principales del citoesqueleto

14.1.1 Célula epitelial polarizada

Las células epiteliales polarizadas se caracterizan por enfocar sus funciones hacia la región del lumen epitelial, de forma tal que todas sus funciones poseen una direccionalidad clara. El núcleo se encuentra en la zona alejada del lumen del órgano que llamaremos polo nuclear, mientras que la célula debe cumplir sus actividades externas hacia el polo del lumen.

14.1.1.1 Filamentos de actina

Los filamentos de actina se encuentran ubicados principalmente como las unidades de suporte de los cilios o microvellosidades de la célula hacia el polo del lumen y su principal función es la de estructura de soporte, aunque también permite movilidad o flexibilidad del cilio o microvellosidad. Los filamentos pueden crecer o acortarse dependiendo de las necesidades de la célula epitelial.

14.1.1.2 Filamentos intermedios

Estos recorren la superficie del polo del lumen de la célula sirviendo como el marco que define la célula y que permite identificar la parte del citiplasma que se encuentra en los cilios y la parte del citoplasma celular general, su función es la de darle su forma a la célula epitelial, por lo que estos filamentos se proyectan no solo en el polo del unen sino que discurren por toda la superficie de la célula, siendo algo semejante al marco que le da su forma a la carpa de un circo.

14.1.1.3 Microtúbulos

Recorren la célula y conectan a los diferentes organelos, funcionan como rieles de carga entre un organelo y otro sobre el cual se movilizan proteínas de transporte especializadas que jalan las vesículas desde un sistema de membranas a otro de forma rápida y no estocástica. En este sentido los microtúbulos permiten la organización, transporte, y coordinación de las funciones celulares.

14.1.1.4 Quinesinas

Son las proteínas activas del citoesqueleto que caminan a través de los microtubulos “literalmente” estas son las grumas moleculares que transportan las vesículas y que permiten el trafico de membranas en cualquier célula eucariota.

Estos elementos se encuentran en todas las células eucariotas con niveles de especialización variables, por lo que el modelo de la célula epitelial polarizada se emplea mas con objetivos didácticos.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.1.2 Célula nerviosa

En las células nerviosas la red de rieles de microtúbulos están asociados a los filamentos intermedios, aunque la estructura y función de los componentes es análoga a los de la célula epitelial polarizada. En este caso la polarización se da hacia el núcleo neuronal del cual parte los diferentes rieles por cada una de las dendritas.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


14.1.3 Durante la división celular

Los filamentos intermedios o microfilamentos se encargan de acoplarse al cinetocoro de los cromosomas en su centro y los arrastran hacia cada uno de los polos opuestos de las células hijas, dependiendo de si se trata de una mitosis o de alguna fase específica de la meiosis, los cromosomas se mueven completos o se parten en sus mitades homólogas. En este caso, los filamentos de actina se encargan de estrangular el citoplasma de las células hijas para separarlas de forma efectiva.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.1.4 Durante el desplazamiento celular

El citoesqueleto permite desplazamiento de la célula, de dos formas diferentes. Si la célula se encuentra en contacto con una superficie dura o con una viscosidad alta, el citoesqueleto se proyecta formando podios  que anclan la célula y luego la mueven como si se tratara de extremidades provisionales, cuando han ejecutado el movimiento el citoesqueleto el podio se desmantela y este se hace corto para regresar al citoplasma, mientras que nuevos podios se forman para el siguiente ciclo de movimiento, en cierto sentido la analogía es la de un remo. Si la célula se encuentra en suspensión los podios se mantienen constantemente y se los llama cilios o flagelos, los cuales se mueven de formas diversas para otorgar la propulsión en el medio acuoso.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.1.5 La célula muscular

El citoesqueleto es vital para que el músculo funcione, en este caso genera estructuras muy especializadas llamadas sarcómeros. El relleno de la célula muscular es un conjunto de proteínas estructurales del citoesqueleto densamente empacadas, de las cuales las más importantes son la actina, la miosina, la troponina y la tropomiosina, las cuales se expanden y contraen como si fueran pistones hidráulicos. 

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


14.2 Estudio del citoesqueleto

El citoesqueleto es uno de los organelos mas estudiados en la actualidad debido al desarrollo de nuevas técnicas moleculares. Por años el citoesqueleto solo fue un pie de página en los textos de biología que daban más énfasis a la mitocondria, el aparato de Golgi o los retículos endoplasmáticos, sin embargo sin el citoesqueleto el funcionamiento del tráfico de vesículas entre estos organelos membranosos solo puede entenderse en términos de una flotación al azar de las vesículas en el citoplasma, lo cual haría inviable el funcionamiento de muchos tipos de célula como las neuronas. En la actualidad se conoce con gran detalle las familias de proteínas que componen al citoesqueleto, como estas subunidades se organizan en sus respectivas estructuras fibrosas, como es que las quinesinas se desplazan a través de estos tubos a manera de rieles, además de generar las fuerzas necesarias para la contracción celular. Para el estudio del citoesqueleto se han desarrollado tres técnicas moleculares en concreto:

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.2.1 Fluorescencia de células vivas

El concepto de una red citoesquelética al interior del citoplasma fue inicialmente derivado de estudios de secciones de tejido vistos con microscopio electrónico en la década de 1950 y la década de 1960. Sin embargo el microscopio electrónico requería fijar la muestra, lo cual es un sinónimo de matar el tejido. 


En consecuencias las primeras imágenes del citoesqueleto fue la de una estructura estática. por esta razón se necesitó de la microscopia de fluorescencia de células vivas, en esta técnica se emplean proteínas de marcado que se pegan a las proteínas del citoesqueleto una vez que estas se polimerizan, las proteínas de marcado emiten una señal fluorescente lo cual permite ver el interior de las células con vivos colores, en cierto sentido son imágenes con un valor artístico propio a parte de su valor científico.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


14.2.2 Ensayos inmunoleculares

Las imágenes digitales de las videocámaras modernas poseen un contraste superior al del ojo humano, lo cual permite realizar aumentos y observar detalles por métodos digitales.  Esto permite que estructuras normalmente invisibles como los microtúbulos de 25 nanómetros o as microvesiculas de 40 nanómetros puedan ser observadas con facilidad. Con el advenimiento de videocámaras de alta resolución se ha logrado el desarrollo de los ensayos in vitro de movilidad. En estos ensayos es posible detectar la actividad de una proteína individual en tiempo real. Las imágenes sin embargo no son como los modelos, generalmente se requiere un medio de contraste o de marcado para poder “ver” la estructura, como una molécula fluorescente. 


En cierto sentido uno no observa directamente la estructura sino la marca fluorescente que se monta sobre la estructura. El método de marcado puede variar desde emplear anticuerpos marcados hasta fusionar el gen de la proteína de interés a otra fluorescente en una región que no afecte significativamente su actividad biológica. La técnica que emplea anticuerpos generalmente se emplea para ensayos in vitro, mientras que la técnica que involucra la edición genética de las proteínas de interés, se emplea para experimentos in vivo. 

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.3 Microtúbulos

14.3.1 Estructura y composición

Se trata de estructuras tubulares huecas que se encuentran en casi todas las células de los eucariotas. Los microtúbulos son componentes de una diversidad de estructuras celulares que incluyen el huso mitótico y el núcleo estructural de los cilios y flagelos eucarióticos. Los microtúbulos tienen un diámetro externo de 25 nanómetros y el grosor de su membrana es aproximadamente de 4 nanómetros. Un solo microtúbulo puede ser tan extenso como la célula completa. La pared del microtúbulo esta compuesta por proteínas globulares que se organizan en filas longitudinales denominados protofilamentos, que se alinean paralelamente a lo largo del eje del tubo. Cuando se los ve en un corte seccional, los microtúbulos consisten en 13 protofilamentos adyacentes organizados en un patrón circular la cual forma la pared. Los protofilamentos se mantienen unidos por interacciones moleculares débiles como los puentes de hidrógeno y otros momentos polares leves. Los anillos de protofilamentos vienen en dos tipos denominados alfa y beta. Cuando se forma el tubo la organización es la de un anillo alfa y un anillo beta intercalados a medida que la estructura se alarga.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.3.2 Proteínas asociadas a los microtúbulos

Los microtúbulos preparados desde tejido viviente contiene proteínas adicionales denominadas proteínas asociadas a los microtúbulos, también llamadas MAP por sus siglas en inglés. Las MAP agrupan una colección heterogénea de proteínas. La primera MAP en ser aislada e identificada se denomina la clásica. La MAP clásica funciona como un elemento de ramificación con un extremo que se une al microtúbulo y otro extremo ramificado que se aleja del microtúbulo. Las MAP ayudan a la estabilidad de los microtúbulos y a un adecuado flujo de grupos fosfato que regulan el ensamblaje de las unidades. Si este flujo de grupos fosfato no es adecuado puede conllevar a la falla funcional del citoesqueleto. El primer sistema de órganos en fallar por esto generalmente es el sistema nervioso y la mala función de las MAP o del citoesqueleto está vinculado a enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.3.3 Funciones de los microtúbulos

14.3.3.1 Elementos estructurales

Los microtúbulos son elementos de soporte y organización celular. Los microtúbulos son resistentes e impiden que la célula pueda doblarse o comprimirse cuando no es pertinente. Esta propiedad les confiere la característica de ser elementos estructurales que regulan el volumen y la forma de la célula. En las células animales los microtúbulos se proyectan radialmente desde un área cercana al núcleo que marca el eje del citoesqueleto, sin embargo no todas las células siguen este patrón. En las células epiteliales polarizadas los microtúbulos se organizan paralelo al eje de polaridad, recorriendo desde el polo del lumen hasta el polo nuclear. En el sarcómero muscular se encuentran organizados de forma aún más compleja para conferir una compresión y expansión rápida y regulada. 

En las células vegetales la pared de celulosa se organiza de forma paralela a los microtúbulos durante el nacimiento de las células en la mitosis, por lo que se puede decir que los microtúbulos influencian la forma de la célula vegetal de forma indirecta. Los microtúbulos no son solo elementos estructurales de la célula en general, sino que también mantienen la posición de los organelos particulares como los retículos endoplasmáticos, el núcleo o el aparato de Golgi, en ese sentido cuando dibujamos uno de estos organelos permanentemente flotando en el citoplasma, estos no flotan, sino que están fijos por la red de microtúbulos. Sin embargo los microtúbulos tienen propiedades de auto-organización claras. Si se trata una célula con drogas de disolución del citoesqueleto el aparato de Golgi, por ejemplo, se desintegra en vesículas independientes, pero cuando la sustancia es removida y el citoesqueleto puede ensamblarse nuevamente, el aparato de Golgi vuelve a organizarse automáticamente.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.3.3.2 Tráfico intracelular

Los microtúbulos actúan como rieles o autopistas para las quinesinas, que actúan como grúas moleculares para el trafico vesicular, sin embargo observar dicho tráfico había sido complicado debido a que la mayoría de las células tienen un intrincado patrón en su res de microtúbulos, sin embargo cuando se administraban drogas que afectaban su integridad el trafico vesicular se detenía, pues era como detonar los puentes y carreteras de una ciudad completamente y al mismo tiempo. Una forma muy especializada de trafico vesicular es el trafico axonal, que ocurre en la neurona desde su cuerpo central hasta la punta de sus dendritas, lo cual puede implicar el recorrido de distancias abismales. Las quinesinas neuronales se mueven a velocidades altas, que permiten el transporte de neurotransmisores desde sus sitios de fabricación cerca del núcleo de forma efectiva, lo cual requiere cantidades importantes de energía metabólica.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


14.3.3.3 Motores moleculares dependiente de los microtúbulos

Las proteínas móviles del citoesqueleto emplean ATP para transferir su energía química a energía mecánica. Esta energía mecánica crea fuerzas newtonianas que permiten el trafico vesicular o la contracción del citoesqueleto como un todo. Una sola célula puede contener un centenar de proteínas móviles diferentes, cada una especializada en una actividad diferente como el transporte de materiales diferentes como vesículas de diferentes tipos u otros materiales. Colectivamente las proteínas móviles pueden clasificarse en tres grandes superfamilias: quinesinas, dineinas y miosinas. Las quinesinas y dineinas se mueven a lo largo de los microtúbulos, mientras que las miosinas se mueven a “o mueven” los microfilamentos. Las proteínas móviles se desplazan a lo largo de su riel citoesquelético de una manera caminante, desde una región de acople a la otra. Las proteínas realizan un proceso de cambio conformacional cíclico que genera un movimiento análogo a la caminata de un bípedo, empujado por la energía proporcionada por la hidrólisis del ATP.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.3.3.3.1 Quinesinas

En 1985 Ronald Vale y sus colegas aislaron un motor molecular del citoplasma de los axones de un calamar gigante que empleaba microtúbulos como sus rieles. La nombraron quinesina, y subsecuentemente fue aislada en todas as células eucariotas conocidas. En la actualidad se conocen 14 familias de quinesinas, pero nuestra discusión solo se enfocara en las quinesinas clásicas o de tipo 1. Cada quinesina 1 es un tetrámero construido de dos cadenas pesadas idénticas y dos cadenas ligeras. 

Una quinesina posee múltiples dominios, incluyendo un par de cabezas globulares que se unen al microtúbulo y funcionan como motores de hidrolizan ATP, informalmente las llamamos las piernas. Cada uno de estos cabezales se conecta a un tubo que funciona como un garfio y se encarga de acoplarse a la carga, informalmente denominamos a esta región como la “grúa”. Sorprendentemente los dominios motores de las quinesinas son semejantes a los de las miosinas, aunque secuencialmente son muy diferentes, pues se trata de dominios con diferentes pesos moleculares y que emplean rieles diferentes, lo cual puede implicar un separación evolutiva grande o una convergencia molecular. La velocidad máxima de una quinesina es de 1 m/s en las neuronas y es dependiente de la cantidad de ATP en el citoplasma lo cual es largo considerando que cada paso no tiene más de 8 nanómetros de longitud, en el video siguiente podemos apreciar su funcionamiento, y ya se que es un video creado por el Instituto Discovery que es defensor de la pseudociencia del diseño inteligente, pero el video es muy bueno con respecto a la anatomía.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


14.3.3.3.2 Dineinas

La primera dineina fue descubierta en 1963 como la proteína responsable de movimiento de los cilios y flagelos de los eucariotas. A diferencia de las quinesinas, las dineinas se encontraban ancladas a la estructura del cilio-flagelo moviendo a las fibras del citoesqueleto. Nadie sospechó que existieran formas citoplasmáticas hasta 20 años después, cuando una dineina que no hacia parte de un flagelo o cilio fue aislada del tejido cerebral de un mamífero y bautizada como la dineina citoplasmática. A diferencia de otras familias análogas-homólogas como las quinesinas y las miosinas, las dineinas posee poca diversidad, de hecho los mamíferos como los seres humanos solo poseemos dos formas citoplasmáticas, cada una de las cuales adaptadas a funciones específicas.

La dineina citoplasmática es una proteína enorme, pero estructuralmente semejante a la quinesina, posee dos cadenas globulares que consumen ATP para generar movimiento mecánico, pero su tamaño es 10 veces mayor que el de una quinesina. El dominio que forma el brazo de la grúa no se une directamente a la vesícula u organelo que transporta, por lo que necesita de una proteína secundaria que sirve de adaptador entre la dineina y la vesícula denominada dinactina. El dominio de empate entre la dinactina y la dineina también es globular y es denominado cadenas intermedias y de unión. El movimiento de la dineina es principalmente hacia el centro de la célula en oposición al movimiento de la quinesina.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


14.3.3.4 Centros de organización de los microtúbulos

La función de un microtúbulo en una célula vida depende de su localización y orientación. Los microtúbulos se pueden asociar espontáneamente in vitro, pero esto abarca un paso intermedio muy lento. En el interior de la célula este proceso inicial es favorecido por estructuras que coordinan el ensamblaje de los microtúbulos. La estructura de este tipo mejor estudiada es el centrosoma.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


14.3.3.4.1 Centrosoma

El centrosoma es el principal sitio de coordinación para el ensamblaje de los microtúbulos, y típicamente se organiza en el centro de la red del citoesqueleto. Los centrosomas son la región de reclutamiento de las unidades de tubulina.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.3.3.4.2 Cuerpos basales

Los centrosomas son el principal sitio de ensamblaje, pero no son los únicos. Los cilios y flagelos son regiones tan especializadas que requieren sus propios coordinadores de crecimiento de microtúbulos, a los cuales denominamos cuerpos basales, los cuerpos basales funcionan como las anclas de los cilios y los flagelos eucarióticos. Los cuerpos basales y los centriolos son en esencia la misma estructura y pueden funcionar interconversiblemente 

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.4 Cilios y flagelos eucarioticos

Cualquiera que alguna vez hubiera vista una gota de estante sin fijar bajo un microscopio y tratado de mantener en el ocular a un protozoo flagelado podrá haber apreciado la actividad de los cilios y/o los flagelos. Los cilios y flagelos son estructuras semejantes a fibras, se trata de organelos móviles que se proyectan desde la superficie de de una amplia variedad de células eucarióticas. Las bacterias también poseen estructuras denominadas flagelos, pero los flagelos procarióticos son filamentos que no portan ninguna relación evolutiva/estructural/genética con los flagelos eucariotas, y aun entre los flagelos de los procariotas hay evidencias de que se trata de estructuras convergentes. La discusión subsecuente hará relación únicamente a los flagelos de los eucariotas. Los cilios y flagelos de los eucariotas son en esencia la misma estructura, la mayoría de los biólogos usan uno u otro termino en base al tipo de célula desde el cual se proyecta el organelo y al patrón de movimiento.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.4.1 Cilios eucariotas

Los cilios se mueven de forma semejante a un remo, posee dos movimientos, el movimiento de poder y el movimiento de recuperación. En el movimiento de poder el cilio se mantiene rígido contra el medio sobre el cual se desplaza, y entre más viscoso mejor ya que generará mayor rozamiento, en el movimiento de recuperación el cilio se relaja generando poca resistencia y poco rozamiento contra el medio, haciendo que la célula se mueva como una galera romana. Los cilios tienden a generarse en grandes números en las células epiteliales, donde se baten coordinadamente para transportar partículas, de pueden ser otras células como en las trompas de Falopio o desechos como en los bronquios y bronquiolos. No todos los cilios se pueden mover, muchas células humanas contienen cilios fijos llamados cilios primarios, los cuales poseen una función sensorial, los cuales monitorean las propiedades mecánicas y químicas de los fluidos extracelulares. 

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.4.2 Flagelos eucariotas

Los flagelas pueden generarse simples o en parejas, y exhiben una amplia variedad de patrones de movimiento dependiendo del tipo de célula. Por ejemplo las algas unicelulares se empujan a su mismas hacia a delante mediante la ondulación de sus dos flagelos en un patrón asimétrico que recuerda del movimiento de manos de nadador humano. Las mismas algas pueden empujarse mediante un movimiento simétrico que recuerda al de los espermatozoides. El grado de asimetría en el patrón de movimiento del flagelo depende de la concentración interna del ion calcio.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


14.4.3 Estructura y función de los cilios y flagelos eucariotas

La microfotografía de un corte seccional de un cilio o un flagelo es una de las imágenes más familiares en la biología de la célula. La proyección cilio-flagelar se encuentra cubierta por una membrana que es continua a la membrana plasmática externa, lo cual es una de las diferencias con los flagelos procarióticos, ya que en estos últimos las proteínas flagelares se encuentran desnudas contra el medio sin ninguna cobertura membranosa. Adicionalmente la arquitectura de la parte proteínica del cilio-flagelo eucariota es mucho más compleja.

La parte proteínica del cilio-flagelo se denomina axonema, el cual contiene una multitud de microtúbulos organizados longitudinalmente a través de todo el organelo. Con raras excepciones, el axonema de un cilio o flagelo móvil consiste en nueve parejas de microtúbulos organizados periféricamente, los cuales rodean a una pareja central de microtúbulos. Esta misma estructura que es conocida como el patrón 9 + 2 es observada en los axonemas de todos los eucariotas, desde el más raro de los protistas hasta el ser humano, y es un recordatorio más de que todas las células eucariotas evolucionaron de un ancestro común. Todos los microtúbulos de un axonema poseen la misma disposición espacial o polaridad, con su punta positiva hacia la punta de la proyección y la punta negativa hacia la base en el cuerpo basal. Cada doblete periférico consiste en un microtúbulo completo denominado A, y un microtúbulo incompleto denominado B. El microtúbulo se forma por anillos de 10 a 11 subunidades en lugar de las 13 estándar.

La estructura básica del axonema fue descrita por primera vez en 1952 en las plantas por Irene Manton y en los animales por Don Fewcett y Keith Porter. A medida que la capacidad de resolución del microscopio electrónico fue mejorando, ciertos componentes no tan obvios se hicieron visibles. Los tubos centrales estaban encerrados por una membrana central que está conectada con los tubos A por medio de una serie de picas radiales. Los dobletes se encuentran conectados entre si mediante puentes compuestos por la proteína elastina y nexina. De particular importancia fue la detección de unas estructuras denominadas brazos, uno interno y otro externo que se proyectan a partir de tubo A. En una vista longitudinal revela la naturaleza de los microtúbulos y la naturaleza discontinua de otros elementos estructurales.

Como se mencionó anteriormente el cilio-flagelo emerge del cuerpo basal, el cual posee una estructura análoga a la del centriolo. Los tubos A y B del cuerpo basal se alargan para formar dobletes del cilio o del flagelo. Si un cilio o flagelo es cortado de una célula viva, justo después de que la membrana externa recupera su continuidad sellando la apertura, un nuevo cilio o flagelo comenzará a ser regenerado a partir del cuerpo basal. El crecimiento del axonema se da en las puntas más alejadas del cuerpo basal, para crecer desde ese punto la célula emplea las proteínas de tráfico de sustancias, quinesinas, para mover los materiales a la punta en crecimiento de forma semejante a lo que tendrían que hacer unos trabajadores si tuvieran que transportar a mano los materiales de un edificio en crecimiento. Este mecanismo dependiente de las quinesinas del tipo 2 no fue descrito sino hasta 1993 por parte de Joel Rosenbaum y colaboradores en la universidad de Yale.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


14.4.4 Los brazos fuertes

La maquinaria para el movimiento flagelar o ciliar reside en el axonema. La maquinaria del axonema requiere el sistema de proteínas, el cofactor mineral magnesio(2+) y ATP como combustible.  A mayor concentración de ATP en la región cercana a los brazos entonces más fuerte será el movimiento de todo el axonema. La proteína responsable por la hidrólisis del ATP para convertir su energía química en energía mecánica fue aislada en la década de 1960 y denominada dineina, que significa proteína generadora de fuerzas, por Ian Gibbons de la universidad de Harvard. Esta dineina del axonema es homologa a la dineina del citoplasma, pero su diferencia es que ella no se mueve, su dominio de grúa está anclado a uno de los microtúbulos, mientras que los dos dominios “piernas” que hidrolizan el ATP mueven a la fuerza el otro microtúbulo del doblete.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.4.5 Mecanismo de movimiento

Para entender el mecanismo de movimiento de un flagelo, los científicos debieron elucidar e mecanismo de contracción muscular que será discutido en este capítulo. En ese modelo la molécula generadora de fuerza está anclada y mueve a las malas la fibra inerte. Cuando los científicos intentaron homologar el modelo del musculo al cilio-flagelo plantearon que uno de los tubos actuaría como el ancla en el que se empotraban las dineinas de forma fija, mientras que el otro microtúbulo sería el que se movería por un aparentemente movimiento de rose paralelo al microtúbulo de ancla. En este caso el microtúbulo ancla es el A y el microtúbulo desplazado es el microtúbulo B en cada uno de los dobletes del axonema.

La proteína nexina mantiene a todos los dobletes en sus posiciones relativas de forma tal que sus movimientos coordinados general el desplazamiento de la base del microtúbulo o de todo el microtúbulo en una dirección. Debido a que los brazos de dineina se pueden distribuir a todo lo largo del cilio-flagelo, la célula tiene control de mover todo el sistema al tiempo, generando un movimiento potente y rígido o solo la base, generando un movimiento relajado, o si lo activa en ondas se generara un movimiento de látigo.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


14.5 Filamentos intermedios

El segundo de las tres grandes categorías de elementos del citoesqueleto fueron vistos al microscopio electróinico como filamentos sólidos y no ramificados con un diametro de entre 10 y 12 nanómetros. Fueron nombrados como filamentos intermedios. En la actualidad los filamentos intermedios han sido aislados únicamente en los animales, lo cual permite formar tejidos flexibles y tolerantes a las fuerzas internas y externas. 

Los microfilamentos más clásicos son los que se clasifican bajo el término de fibras que queratina, y esta prácticamente resume sus funciones, los filamentos intermedios dan forma a las células y tejidos, proporciona fuerza que resistencia a la compresión y al estiramiento impidiendo precisamente que el tejido pierda su forma cuando una fuerza de compresión o de estiramiento es generada. A diferencia de los microfilamentos y microtúbulos, los filamentos intermedios son un grupo heterogéneos que está compuesta por al menos 70 genes diferentes solo en la especie humana. Los microfilamentos son menos sensibles a los agentes químicos que otras estructuras del citoesqueleto, lo cual demuestra su fuerte énfasis funcional en el mantenimiento de la forma de la célula animal.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.6 Microfilamentos

Las células son capaces de una movilidad importante, por ejemplo, las células de la cresta neuronal durante el desarrollo embrionario deben poder separar la placa nerviosa del resto de la piel, esto porque tanto la placa nerviosa como la piel se desarrollan en la espalda del embrión “exodermo”, por lo que la placa neuronal debe uidrse y las células de la frontera con la piel deben poder encorvarse, de forma tal que encierran el tubo neuronal hasta cerrar los dos labios de la piel. Todo este proceso deja una enorme cicatriz en la espalda en todos nosotros, que no es otra cosa que la línea media de la espalda. Otras células deben reptar por zonas muy viscosas sin ayuda de flagelos o cilios, semejante al movimiento ventral que realiza un gusano. Todos estos movimientos tienen algo en común, no dependen de los microtúbulos.

Los microfilamentos están involucrados en los movimientos de la célula como un todo, así como del inicio de la formación de vesículas. De hecho, las células vegetales dependen principalmente de los microfilamentos para ser los rieles principales de transporte vesicular en lugar de los microtúbulos. Los microfilamentos también juegan un papel importante en la determinación de la forma de las plantas, y proveen soporte estructural para varios tipos de proyecciones celulares. 

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.6.1 Estructura de los microfilamentos

Los microfilamentos son estructuras de aproximadamente 8 nm de diámetro y están compuestos por subunidades globulares de la proteína actina, la cual es la proteína más abundante en la mayoría de las células. En presencia de ATP los monómeros de actina se polimerizan para formar un filamento flexible de forma helicoidal. Como resultado de esta organización, un filamento de actina es esencialmente una estructura de doble hebra con dos hendiduras corriendo a lo largo de sí. Los términos filamento de actina, F-actina y microfilamentos son en esencia sinónimos, por lo que el sarcómero, la unidad de movimiento muscular también dependerá de los microfilamentos. Debido a que cada filamento de actina posee una polaridad, los filamentos pueden ser organizados de formas diversas para asegurar las necesidades de cada tipo de tejido o célula independiente.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

14.6.2 Miosina

Un detalle importante es que donde hay actina, siempre habrá miosina, la miosina es una proteína homóloga-analogía a la actina y la dineina, las tres son proteínas don dos dominios que podemos analogarlos a patas o brazos que generan el movimiento al hidrolizar ATP. Como se mencionó anteriormente la miosina se organiza como una proteína fija que mueve a la actina.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)