Citoesqueleto: Microtúbulos.

Características.

Microtúbulos celulares.

Los microtúbulos se han identificado formando parte del citoesqueleto como en filamentos citoplasmáticos o formando parte de determinadas estructuras celulares. Estas estructuras son, sobre todo, cílios, flagelos y centriolos.

Los microtúbulos citoplasmáticos son más difíciles de observar, son estructuras más lábiles que tienden a eliminarse con facilidad al realizar preparaciones. Las estructuras especiales parece que le da mayor resistencia, no desaparecen casi nunca, ya que están asociados a otras proteínas que ayudan a conservar su estructura.

Los microtúbulos están constituidos por tubulina. Se trata de una proteína esferoidal. Se presentan dos tipos, α y β. Ambos tipos aparecen unidos o asociados al formar las subunidades. Forman hileras de dímeros, que pueden adquirir morfologíaa estérica dando lugar al microtúbulos.

Estructura de los microtúbulos

Los cilios y flagelos son estructuras rodeadas por una prolongación de la membrana, en cuyo interior aparecen una serie de estructuras tubulares. Cilios y flagelos son idénticos constitutivamente, se diferencian en la longitud y en su movimiento. Los cilios son más cortos y hacen movimientos a modo de remo, es decir, más rígido. En cambio los flagelos osn más largos y su movimiento es a modo de látigo. Los cilios se usan como inductores de corrientes (movimiento del medio externo), mientras que los falgelos se usan para facilitar el movimiento.

Cilios.

En el interior de los cilios encontramos tubulina, microtúbulos y proteínas que constituirán lo que se denomina axonema.

El axonema tiene una estructura uniforme y repetitiva. Se denomina estructura 9+2. Está constituido por lo que se denominan 9 dobletes y por una estructura central con 2 microtúbulos.

Podemos encontrar algunas modificaciones de cilios y flagelos en los que se ha cambiado su función, como es el caso de los fotorreceptores, en los que aparece algo parecido a una estructura ciliar, pero establecido como una estructura 9+0. Y hay cilios en los que se modifica la estructura general.

Esta estructura general forma una especie de corona circular de nueve dímeros formados por dos anillos de microtúbulos enlazados, con dos microtúbulos en el centro. Los anillos están constituidos por un microtúbulo A, completo y que mira hacia el interior de la estructura y un microtúbulos B incompleto o parcial, ya que comparte una parte con el microtúbulos A. El microtúbulos completo estaría formado por 13 profilamentos de tubulina.

Estructura de los cilios.

 Es decir, tenemos los nueve dímeros rodeando a los dos microtúbulos centrales. Estos microtúbulos centrales están separados entre si, no están anillados y por lo tanto son completos. En el caso de los flagelos no se mantienen los dos microtúbulos centrales durante toda la estructura, normalmente estos tubos centrales son más cortos, apareciendo zonas alejadas de la base donde la estructura se ha transformado en un 9+0.

Hay toda una serie de protéinas con diversas funciones que colaboran con la estructura o con el movimiento del cilio o el flagelo. Una de ellas es la tecnina, una proteína que forma una especie de estructura filamentosa y alargada que corre paralela al cilio. Le aporta consistencia y rigidez a la estructura (ya habíamos comentado que los microtúbulos de los cilios eran más resistentes).

Otros componentes o moléculas aparecen en relación con los microtúbulos. Uno de los elementos más importantes es la dineina, que sobresale del microtúbulos A de los dupletes. Las dineinas de los diferentes dupletes no llegan a contactar entre si.

Exise, sin embargo, una proteína que si que hace que se contacten los diferentes dupletes. Se denomina nexina y está asociada a la dineina.

Dineina y nexina.

 Otro tipo de fibras son las radiales, que conectan los dupletes con los tubos centrales.

Dineina y fibras radiales

 Otra estructura rodea a los tubos del medio. No estará constituido por proteínas en sentido estricto, sin más bien de estructuras protéicas. Hablamos de vaina central.

Tubos centrales y vaina central

 Con los cilios y flagelos las células pueden desplazarse en el medio en que se localizan. Parece que los movimientos de látigo de los flagelos y los golpes secos originados por los cilios no se deben a un mismo proceso protéico. Son, eso si, movimientos parecidos.

Toda esta estructura corresponde a cilios de organismos eucariotas. El flagelo de eucariotas es totalmente distinto al de procariotas. En estos últimos existe un motor en la base, de forma que si lo separamos del cilio, deja de moverse. En cambio, si cortamos un cilio de un eucariota, este sigue funcionando aunque esté separado de la base, o si eliminamos la membrana plasmática. El mecanismo de funcionamiento se encuentra en el axonema.

La tecnina se encarga de estabilizar la estructura, igual que la vaina central y las fibras radiales. Estas últimas parece que favorecen que el movimiento sea el adecuado. La dineina tiene un movimiento bastante conocido. Posee una función ATP-asa. La molécula se desplaza en dirección hacia el otro microtúbulos, haciendo una torsión hacia abajo, provocando un desplazamiento de un microtúbulos con respecto a otro.

Desplazamiento de la dineina y movimiento ciliar

 Esto parece ser el motor del fenómeno. La nexina parece que estabiliza los movimientos que se están realizando. La nexina se puede eliminar en un laboratorio y se comprueba que el movimiento continúa, pero ocurre lo que sucede cuando se estira una caña telescópica, es decir, el cilio se estira enormemente, veinte veces más de lo normal. Los microtúbulos se desplazan y se estira el conjunto. Pero con la nexina no hay sobreextensión. Crea un enlace protéico entre los microtúbulos. A consecuencia de este desplazamiento el cilio se inclina y no se estira porque la nexina lo sujeta. El flagelo realiza un movimiento parecido, pero el movimiento no es tan rígido, sino de tipo látigo.

La activación del movimiento requiere ATP, debe haber un aporte continuo. No tiene lugar un movimiento en todos los puntos del cilio o flagelo a la vez, unas zonas deben moverse en un momento y otras zonas en otros, de lo contrario el movimiento se bloquearía.

Los cilios son estructuras que pueden aparecer y desaparecer, sobre todo en ciertas estructuras celulares. Por ejemplo, en cladiodomonas aparecen en cierto momento de su vida, desapareciendo en otros momentos y sustituyéndose en otros momentos por flagelos. El flagelo puede desaparecer y aparecer mediante procesos de despolarización.

Se ha denominado esterocilio a una especie de cilio inmóvil. No posee una estructura similar al cilio, la similitud es solo superficial y aunque esta morfologíaa es digitiformes, no tiene axonema. Su estructura es más similar a las microvellosidades.

Centrosomas y corpúsculos basales.

Los cilios aparecen, dentro de las células, relacionados con ciertos elementos del citoesqueleto y con una estructura submembranal denominada corpúsculo basal. Es equivalente a los centriolos. Pero las diferencias entre los corpúsculos basales y los centriolos se encuentran en sus funciones, ue son distintas y en su localización (ya que los centriolos no aparecen en la zona basal de los cilios y flagelos). Por lo demás, su morfología es igual y en algunos organismos son incluso intercambiables, es decir, encontramos estructuras que en ocasiones funcionan como centriolo y en ocasiones como corpúsculo basal.

El centriolo está compuesto por un armazón de microtúbulos. Se trata de un orgánulo carente de membrana. Suele ser de corto tamaño y adoptan una disposición por parejas, aunque puedan aparecer independientes, por ejemplo durante la división celular, cuando aparece uno a cada polo. Ambas subunidades suelen aparecer en posición perpendicular uno respecto a otro. Su estructura está constituida por una corona cortical con tripletes de microtúbulos.

Centriolos y microtúbulos

Constituyen una estructura circular con nueve tripletes. El único microtúbulos completo es el microtúbulo A. Los microtúbulos B y C comparten tubulinas.

No aparecen el par de microtúbulos centrales como ocurre en los cilios y flagelos. Lo que encontramos, en ocasiones, es un material o estructura electrondensa en el centro, rodeado de un material regular y electrondenso y una estructura que va desde la zona central a los microtúbulos.

Estructura del centrosoma

 En cuanto a su funcionalidad, hay varias teoríaas y oculta varios enigmas. Se puede autorreplicar. Se supone que poseen material genético. Algunas funciones del centriolo no están del todo claras. Se sabe que es un organizador ciliar, es un elemento necesario para que una célula fabrique los flagelos, pasando entonces a constituir el corpúsculo basal. También es un organizador de los microtúbulos del citoplasma. Por otro lado, es un estabilizador de la zona negativa o zona menos de los microtúbulos. También tiene una función de intervención en la orientación de los microtúbulos. También parece que son fundamentales en la división celular de las células animales, ya que las células vegetales no presentan centriolos. Sin embargo las células animales que no presentan centriolos, como las neuronas, pierden su capacidad de división. Se piensa que intervienen en la orientación de los microtúbulos en el proceso de división. Además, podemos añadir la función de estabilización del cilio.

Parece que gran parte de estas funciones relacionadas con la orientación de los microtúbulos juega un papel importante el material pericentriolar, de origen protéico. En las células vegetales aparece este material pericentriolar aislado, sin centriolo. Es decir, en vegetales aparece un material electrondenso que organizará a los microtúbulos.

Pasamos ahora a analizar como de disponen los corpúsculos basales en relación con el resto material fibrilar que aparece en el interior de los cilios y flagelos. Entre el corpúsculo basal y el armazón de microtúbulos del cilio encontramos un material electrondenso denominado placa ciliar. La estructura del corpúsculo basal es muy similar a la del centriolo. Los microtúbulos A y B del corpúsculo basal se continuan con los microtúbulos del cilio, mientras que el microtúbulos C se continúa con un microtúbulos que ancla la estructura a la membrana mediante una serie de proteínas. Bajo el corpúsculo basal aparece una estructura estriada, visible solo en algunos tipos celulares, denominándose raiz ciliar.

Centrosomas y movimiento ciliar.

 Como ya indicamos los corpúsculos basales y los centriolos pueden interconvertirse entre si.

Los centriolos tienen un origen doble. Pueden formarse a partir de un centriolo que sirve de patrón, apareciendo el segundo microtúbulos en posición perpendicular a este. En una célula ciliada los corpúsculos basales pueden formarse a partir de los dos centriolos. Pero los centriolos también pueden fabricarse sin otros centriolos. Esto se ve en óvulos de anfibios, por ejemplo. Los centriolos puede provenir del espermatozoide. Podemos inducir al óvulo a dividirse sin que haya sido fecundado. Y entonces no tienen centriolos. Se fabrican los centriolos a partir de moléculas de tubulina, se distribuyen marcando los dos polos e intervienen en la división de la célula (y como indicamos, en su origen no tenía centriolos).

Microtúbulos citoplasmáticos.

Están distribuidos por el citoplasma de la célula. Son bastante lábiles, para visualizarlos debemos realizar un proceso de fijación especial para que los microtúbulos no desaparezcan.

Parece que irradian de zonas cercanas al núcleo. Son estructuras altamente dinámicas, se polimerizan y despolimerizan rápidamente. Este tipo de actividad está relacionada con las características propias de los microtúbulos y la incorporación de tubulina.

Se considera la existencia de dos zonas, una zona (+) y una zona (-). En la primera hay un crecimiento muy rápido del microtúbulos, mientras que en la segunda hay un crecimiento más lento. Podría parecer, por esto, que solo crece en la dirección de la zona (+). Esto permite que cambie la zona (+) por la (-) y que de esta forma el microtúbulos decrezca.

Para hacer crecer al microtúbulos se necesita una fuente de energía, que en este caso es el GTP. En la zona (+) se va formando un casquete con mucha tubulina asociada a GTP. Esto favorece la polimerización. En la zona (-) ocurre lo contrario, hay poco GTP y poca tubulina. El sistema por el que una zona se transforma en la opuesta y se cambia (+) por (-) no es un proceso claro.

La consecuencia de las dos zonas es un efecto de cinta transportadora, de modo que las moléculas de tubulina parten de la zona (-) y acaban llegando a la zona (+). Este sistema sirve para transportar o mover cosas por el citoplasma.

La labilidad de los microtúbulos le viene bien para diversos proceos, como el indicado movimiento, pero viene mal para otros, como por ejemplo para la estabilidad de cilios y flagelos (aunque es un buen sistema para lograr el crecimiento de los mismos). Debe existir un mecanismo que pueda parar el proceso de polimerización y despolimerización. Se han descubierto una serie de datos de cómo se inmovilizan. Hay un bloqueo parcial y rápido que se utiliza en un momento dado, cuando se comienza a sintetizar. Y un bloqueo que se podría denominar bloque de maduración.

El bloqueo parcial y rápido está asociado a la unión d emicrotúbulos con orgánulos del citoplasma. Los microtúbulos pueden crecer en asociación con la zona (+). Solo crece por esta zona. Y se une a una proteína por la zona (-), quedando bloqueada. Poemos unir la zona (+) posteriormente, con lo que paralizamos la polimerización. La zona (+) también puede llegar a unirse a la membrana celular, o a otras membranas como las del retículo.

Los microtúbulos crecen por lo tanto con una orientación, en la zona llamada de organización microtubular, en las cercanías del núcleo. Es una zona más electrondensa del citoplasma. En ciertos tipos de células aparecen más claramente, porque en esa zona aparece también el centriolo, con su material pericentriolar hablándose en ese caso de centrosoma. En vegetales no hay un centrosoma claro, ya que no hay centriolos. En ese caso, la zona de organización es la zona donde se encuentran las proteínas de control, que pueden parar el proceso de polimerización de los microtúbulos. La zona está asociada a la zona (-) del microtúbulos. La zona (+) es la que crece y la que puede llegar a engancharse al resto de orgánulos, por ejemplo.

Hay estructuras o elementos celulares que tienen una serie de microtúbulos muy importantes. Por ejemplo, en la neurona, que posee un citoesqueleto muy desarrollado. En el axón de la neurona encontramos una trama de microtúbulos muy importante, que debe permanecer estable durante toda la vida.

En neuroblastos, por ejemplo, se polimerizan y despolimerizan todo el tiempo. Hay drogas capaces de paralizar el microtúbulos, o incluso algunas que los hacen desaparecer, afectando solo a aquellos que poseen zonas (+) y (-). Al tratar los neuroblastos con estas sustancias, algunos microtúbulos no deaparecen, pues ya se han fijado. Se han fijado por dos mecanismos, por acetilación o por una retirada de la tirosina. Hay una proteína identificada que acteila las moléculas de tubulina y entonces no puede polimerizarse. Hay moléculas capaces de desacetilar a la tubulina. El otro sistema identificado, la retirada de tirosina, también hace que se pierda la capacidad de polimerización y despolimerización y también es un proceso reversible, es decir, existen sistemas que reintroducien la tirosina.

Se conocen algunas de las funciones más importantes de los microtúbulos, aunque estas pueden ser bastante diferentes en distintas células. En neuronas, intervienen en fenómenos de movimientos de sustancias a través del axón, fundamentalmente el movimiento de vesículas. En los axones hay dos tipos de movimiento, el rápido en la dirección del axón y el lento desde el axón al soma de la neurona.

Hay algunos axones, como los axones gigantes del calamar, que son muy resistentes, se les puede aplastar con un rodillo y extraer el citoplasma del interior (como extraeríamos el contenido del tubo de una pasta de dientes). Esta zona de citoplasma extraído del axón sigue presentando las propiedades de movimiento de vesículas del axón intacto. Si ponemos partículas, podemos ver como se desplazan sobre los microtúbulos. Estudios más detallados demuestran que los microtúbulos ayudan al desplazamiento de las partículas, participando quinasas con consumo de ATP, proteínas capaces de moverse sobre los microtúbulos y siempre en la dirección desde la zona (-) a la zona (+).

Los microtúbulos intervienen en los movimientos de los orgánulos dentro del citoplasma, refiriéndonos a aquellos movimientos no azarosos (las corrientes térmicas, por ejemplo, pueden propiciar movimientos al azar de orgánulos).

Podemos encontrar tambén desplazamientos sobre los microtúbulos en sentido contrario. Se cree que están mediados por una dineína citoplasmática que trabaja en la dirección hacia el extermo (-). No es la misma dineina que aparece en los cilios, pero trabaja de forma similar.

El microtúbulos puede arrastrar membranas. Por ejemplo, del retículo endoplasmático. Cuando una célula se divide, este orgaánulo desaparece. Cuando se estudia el sistema de reconstrucción del retículo se observa que, en la zona donde comienza a formarse, puede verse que está asociado a microtúbulos. Se va estirando, facilita la formación de la red. Esto está en relación con la cercanía de los microtúbulos al núcleo, ya que es la zona donde comienza a fomrarse el retículo.