El citoesqueleto

	Para localizar las proteínas del citoesqueleto se utilizan anticuerpos dirigidos contra las mismas, marcados con colorantes fluorescentes; al iluminar la célula con luz ultravioleta, el armazón del citoesqueleto unido a los anticuerpos aparecerá brillando sobre un fondo oscuro (fuente: www.wikipedia.org).

Esta estructura consiste en un entramado de proteínas filamentosas que atraviesan el citoplasma de punta a cabo, formando un sistema que controla la forma de la célula y dirige sus movimientos. Observable gracias a técnicas como la microscopía de inmunofluorescencia (derecha), está integrado por filamentos que se forman a partir de subunidades más pequeñas que se unen mediante enlaces no covalentes, disponiéndose en forma de largas cuerdas lineales o protofilamentos; estos, a su vez, se enrollan unas alrededor de otras originando una hélice. De este modo, los filamentos son resistentes a la rotura accidental —sería necesario para ello romper simultáneamente muchos enlaces en distintos protofilamentos—, pero pueden fácilmente perder o ganar subunidades por sus extremos. Ello permite a la célula cambiar de forma, desensamblando filamentos en un sitio y ensamblándolos en otro, proceso regulado por numerosas proteínas asociadas que se unen a las subunidades libres o a los filamentos, e incluso a la membrana plasmática.

Entre las proteínas asociadas se incluyen las proteínas motoras, que usan la energía del ATP para desplazarse a lo largo de “carriles” formados por filamentos y remolcar orgánulos, o para promover el deslizamiento de unos filamentos respecto de otros. La acción conjunta de ambos mecanismos —proteínas motoras y desensamblaje- ensamblaje de filamentos— es la responsable de procesos como la separación de los cromosomas durante la mitosis, según se verá en la Unidad 5.

Los filamentos del citoesqueleto pueden ser de varios tipos: microfilamentos, microtúbulos, undulipodios y filamentos intermedios.

1. Microfilamentos

   Los microfilamentos, o filamentos de actina, tienen un diámetro de 5 a 9 nm. Se organizan en haces y redes flexibles (sobre todo por debajo de la membrana plasmática), establecen la forma de la superficie de la célula y participan en su locomoción.

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   La actina es la proteína intracelular más abundante en los eucariotas, llegando a representar hasta el 10 por ciento en peso de las proteínas celulares. Las subunidades de los filamentos de actina reciben el nombre de actina G (o globular), y el producto de su polimerización es la actina F (fibrosa); la interconvertibilidad de ambas formas precisa del aporte de energía en forma de ATP.

   Un microfilamento consta de dos protofilamentos de actina F enroscados entre sí siguiendo una hélice que gira hacia la derecha, y se caracteriza por su polaridad: añade subunidades por uno de sus extremos (extremo más) y las pierde por el opuesto (extremo menos).

   	Etapas del deslizamiento de miosina sobre un filamento de actina (fuente: www. wikipedia.org).

   Los microfilamentos forman una red que da forma a la célula, refuerza la membrana plasmática y sostiene proyecciones de la superficie celular, como las microvellosidades. También participa en la locomoción, ya que sus extensiones y acortamientos originan protrusiones transitorias del citoplasma (seudópodos) en células ameboides, como las fagocíticas; algunos virus y bacterias “cabalgan” sobre microfilamentos en crecimiento para desplazarse por la célula a la que infectan.

   La actividad de los microfilamentos esta regida por unas proteínas motoras llamadas miosinas, porque se identificaron inicialmente en el músculo esquelético (el vocablo deriva del griego myo, “músculo”, e -īna, “sustancia”). Se trata de moléculas cuyo aspecto recuerda a un bastón de golf: sus cabezas pueden doblarse sobre sus tallos (proceso que requiere como fuente de energía ATP y también como cofactores iones Ca²⁺), lo que les permite “caminar” hacia el extremo más de los filamentos de actina y hacer que éstos se deslicen entre sí (ilustración derecha). Este proceso es responsable de la contracción muscular, así como de la contracción del anillo que, durante la citocinesis (división del citoplasma), dará lugar a las dos células hijas.

    

2. Microtúbulos

   Son cilindros largos y huecos formados por la proteína tubulina, más rígidos y más grandes que los microfilamentos (su diámetro externo es de 25 nm). La subunidad básica de los microtúbulos es un dímero compuesto por dos proteínas globulares unidas mediante enlaces no covalentes: la tubulina α y la tubulina β:

   Arriba a la izquierda: imagen microscópica que muestra el corte trasversal de un centriolo en el cerebro de un embrión de ratón. Abajo a la izquierda: estructura de un microtúbulo. Derecha: esquema de un centriolo en corte transversal (arriba) y de perfil (abajo). (Fuentes: remf.dartmouth.edu/imagesindex.html, www.cientic.com y ASH).

   
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   Los dímeros se asocian en hileras longitudinales formando protofilamentos, proceso dependiente de la energía aportada por una molécula similar al ATP, el trifosfato de guanosina o GTP; casi todos los microtúbulos constan de trece protofilamentos alineados en paralelo (ilustración siguiente). Los dímeros de los protofilamentos se orientan siempre en el mismo sentido, lo que confiere una polaridad al microtúbulo: el extremo más es el que “termina” en una tubulina β, y el extremo menos en una tubulina α.

   Generalmente los microtúbulos se originan en una región denominada centro organizador de microtúbulos o MTOC (del inglés microtubule-organizing center), de forma tal que el extremo menos de cada microtúbulo formado queda próximo al MTOC y el extremo más crece alejándose de él. A diferencia de los microfilamentos, el funcionamiento de los microtúbulos no suele depender de la agregación de subunidades por el extremo más y de su disociación por el extremo menos, sino de la inestabilidad dinámica: un microtúbulo pasa por fases alternantes de alargamiento y de acortamiento en un mismo extremo (casi siempre el extremo más). La transición de una fase a otra es rápida; ocurre, por ejemplo, cuando la hidrólisis del GTP lo convierte en GDP.

   En los hongos y en las diatomeas el MTOC es una pequeña placa inmersa en la envoltura nuclear, y parece que las plantas organizan microtúbulos en varios lugares distribuidos por toda la célula. En la mayoría de las células animales, en cambio, hay un único MTOC —el centrosoma— localizado cerca del núcleo, desde el que irradian microtúbulos hacia la periferia celular; de esta manera se forma, durante la división celular, el huso mitótico encargado de repartir los cromosomas hijos entre los dos polos de la célula, como se verá en la Unidad 5. El centrosoma incluye las siguientes estructuras:

   • Una matriz fibrosa que contiene más de cincuenta complejos en forma de anillo de una proteína, la tubulina γ (gamma), directamente implicada en el ensamblaje de los microtúbulos. La matriz se conoce como material pericentriolar, porque rodea a:
   • Dos estructuras cilíndricas llamadas centriolos que se disponen perpendicularmente en una configuración en forma de L conocida como diplosoma. Un centriolo (véase la ilustración anterior) se compone de nueve tripletes de microtúbulos, cada uno de los cuales tiene un microtúbulo completo, esto es, con trece protofilamentos (el microtúbulo A), fusionado con dos microtúbulos (B y C) que solo poseen diez protofilamentos. Los tripletes adyacentes se unen entre sí mediante “puentes” de la proteína nexina. En el extremo del centriolo más próximo al núcleo se puede observar una zona central de la que parten fibras radiales hacia el microtúbulo A, lo que da a este extremo la apariencia de una rueda de carro.

   Las proteínas motoras de los microtúbulos son de dos tipos: las cinesinas, estructuralmente semejantes a las miosinas de los microfilamentos, y las dineínas; las primeras se dirigen hacia el extremo más de los microtúbulos y las segundas hacia el extremo menos. Son responsables del movimiento de orgánulos, cromosomas y vesículas; con su ayuda, los gránulos del pigmento marrón melanina se pueden dirigir, bien hacia la periferia de células especializadas de la piel (para oscurecerla), bien hacia el centrosoma (para aclararla), lo que permite a muchos animales cambiar de color.

    

3. El sistema tubulina-dineína de los undulipodios

   Muchos microorganismos eucarióticos y algunas células animales poseen estructuras superficiales móviles. Se trata de sistemas de proteínas motoras y microtúbulos estabilizados, designadas tradicionalmente como cilios si son cortas (entre 2 y 10 μm) y se hallan en gran número, o como flagelos si son largas (entre 100 y 200 μm) y solo hay una o dos. Ambas estructuras presentan la misma arquitectura molecular y, para diferenciarlas de los flagelos bacterianos, conviene referirse a ellas como undulipodios o, simplemente, como cilios.

   Izquierda: corte longitudinal de un undulipodio. Derecha: cortes transversales del axonema (arriba), de la zona de transición (centro) y del corpúsculo basal (abajo). (Fuente: CIDEAD y ASH).

   
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   Casi todos los undulipodios poseen un haz central de microtúbulos — el axonema— que están organizados en forma de un anillo de nueve dobletes —cada uno de los cuales consta de un microtúbulo A completo y de otro microtúbulo B incompleto, que comparten una pared tubular común— que rodea a un par sencillo de microtúbulos (ilustración anterior). Esta característica disposición “9 + 2” se halla reforzada por proteínas accesorias que unen los dobletes entre sí y con los microtúbulos centrales; todo el conjunto está recubierto por la membrana plasmática. El axonema se ancla a la superficie celular a través de un corpúsculo basal, que presenta la estructura típica de un centriolo (de hecho, en algunos microorganismos, los centriolos y los corpúsculos basales son interconvertibles) y actúa como centro organizador de microtúbulos (si se pierde un cilio el corpúsculo basal se encarga de formar uno nuevo). Entre ambas regiones está la zona de transición, en la que termina el microtúbulo C del corpúsculo basal (ilustración anterior).

   El movimiento de un flagelo se inicia en la base y se propaga como una onda hacia la punta, permitiendo a los espermatozoides y a muchos microorganismos nadar por medios líquidos desplazándose paralelamente a su eje. En cambio, el movimiento de los cilios recuerda al batir de unos remos, y empuja, por ejemplo, a protozoos como Paramecium a través de fluidos; de igual manera, los cilios que tapizan las vías respiratorias expulsan partículas que se acumulan en las secreciones mucosas, y los del oviducto ayudan a trasladar a los embriones hasta el útero. Todos estos movimientos dependen de dineínas, que forman puentes entre dobletes adyacentes y fuerzan al axonema a combarse, como explica la siguiente ilustración:

   Arriba: transporte de orgánulos sobre microtúbulos que irradian hacia la periferia celular. Abajo: mecanismo de flexión de un undulipodio (fuente: ASH).

   
    
4. Filamentos intermedios

   El diámetro de estos filamentos, semejantes a cuerdas, es de 10 nm; es decir, está comprendido entre el de los microfilamentos y el de los microtúbulos. Se hallan en casi todas las células de los organismos pluricelulares, pero es controvertida su presencia en hongos y eucariotas unicelulares.

   Las proteínas de que constan se combinan en dímeros helicoidales que, a su vez, se unen y forman tetrámeros. Estos se asocian longitudinalmente originando los protofilamentos; ocho protofilamentos unidos lateralmente constituyen el filamento intermedio:

   Niveles de ensamblaje en un filamento intermedio (fuente: ASH).

   
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   A diferencia de los microtúbulos y microfilamentos, los filamentos intermedios no presentan polarización. Actualmente tampoco se conocen proteínas motoras asociadas a estos filamentos.

   Hay filamentos intermedios de muchos tipos: queratinas en células epiteliales, laminas (sin tilde) en el núcleo de todas las células, neurofilamentos en células nerviosas, filamentos de vimentina (imagen de la introducción a esta Unidad) en leucocitos, células de los vasos sanguíneos… Muchas células adultas poseen en su citoplasma un tipo particular de filamento intermedio, lo que resulta útil en oncología: en una metástasis se puede determinar el tejido donde se produjo el tumor original identificando el filamento intermedio de una célula cancerosa.

   Los filamentos intermedios se extienden por todo el citoplasma y se anclan a la membrana, proporcionando a la célula su estructura tridimensional y resistencia mecánica. Además, sostienen la envoltura nuclear y protegen a la célula contra las tensiones que, de otro modo, podrían romperla. También participan en la estabilización de algunas uniones intercelulares que se establecen entre células vecinas.