martes, 29 de noviembre de 2016

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)

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