Biomol Tema 3 PDF

(a) Microfilamentos Microtúbulos Filamentos intermedios FIGURA 18-1. Ge Genera...

(a) Microfilamentos Microtúbulos Filamentos intermedios FIGURA 18-1. Ge Genera neralidade lidadess sobre las pro pro-- Las subunidades de FI no se piedades físicas y las funciones de los tres La actina se une a AT ATPP LaDE-tubulina se une a GTP La sistemas de filamentos en las células ani-- unen a un nucleótido males. (a) Se muestran muestran laslas propie propied dades biofísi biofísi-- Forman geles rígidos, Rígidos, no se curvan con facilidad Gran resistencia a cas y bioquímicas (anaranjado) y propiedades redes y haces lineales la tracción biológicas (verde) para cada tipo de filamento. Las microfotografías (b-d) muestran ejemplos Ensamblado regulado a partir de Ensamblado regulado a partir de Ensamblados en un gran número de localizaciones un pequeño número de localizaciones filamentos preexistentes de cada tipo de filamento en un contexto celular particular, pero obsérvese que los mi- crotúbulos también forman otras estructuras Altamente dinámicos Altamente dinámicos Menos dinámicos y los filamentos intermedios también tapizan la superficie interna del núcleo. (b) Células cultivadas teñidas para actina (verde) y sitios Polarizados Polarizados No polarizados de unión de la actina al sustrato (anaranjado). (c) Localización de los microtúbulos (verde) y Vías para cinesinas del aparato de Golgi (amarillo). Adviértase la Vías para las miosinas No motores y dineínas localización central del aparato de Golgi, que se reúne allí por transporte a lo largo de micro- Maquinaria contráctil y Organización y transporte Organización transporte de Integridad celular túbulos. (d) Localización de las citoqueratinas red en la corteza celular largo alcance de orgánulos y tisular (rojo), un tipo de filamento intermedio y un componente de los desmosomas (amarillo) en (b) (c) células epiteliales. Las citoqueratinas de célu- (d) las individuales están unidas entre sí a través de los desmosomas. (P (Par arte te b: b: cort cor tesía de Keith Keith Burridge. Parte c: cortesía de William J. Brown, Cornell University. Parte d: cortesía de Elaine Fuchs). intermedios, y aunque su localización en el citosol puede pa- morfología similar que formaban las fibras del huso mitótico, recer superficialmente bastante similar, se verá que su diná- eran componentes de los axones y elementos estructurales de mica y sus funciones son muy diferentes. En la figura 18-1,18-1, cilios y flagelos (fig. 18-2a, b). El examen cuidadoso de cortes fig. 18-2a, se muestra un resumen de las similitudes y las diferencias de transversales de microtúbulos individuales de distintas fuentes estos tres sistemas de filamentos. indicó que estaban formados por 13 unidades longitudinales En este capítulo se considerarán cinco temas principales. En repetitivas (fig. 18-2c), llamadas ahora protofilamentos, lo que primer lugar, se analizará la estructura y la dinámica de los hizo pensar que estos diversos microtúbulos compartían una microtúbulos y sus proteínas motoras. Segundo, se estudiará estructura común. Se observó que los microtúbulos de cerebro cómo contribuyen los microtúbulos y sus motores al movi- purificados consistían en una proteína principal, tubulina, jun- miento de cilios y flagelos. En tercer lugar, se analizará el pa- to con proteínas asociadas. En condiciones favorables, la tu- pel de los microtúbulos en el huso mitótico (una maquinaria bulina purificada sola puede ensamblarse en un microtúbulo, molecular desarrollada para segregar con exactitud los cro- lo que prueba que es el componente estructural del microtú- mosomas duplicados). Cuarto, se explorarán los papeles de bulo. Las proteínas asociadas ayudan a mediar el ensamblado, las diferentes clases de filamentos intermedios que confieren la dinámica y la función de los microtúbulos. En esta sección, estructura a la membrana nuclear, así como resistencia y orga- se considerarán la estructura general y la organización de los nización a células y tejidos. Si bien se considerarán de manera microtúbulos antes de iniciar un análisis más detallado de su individual microtúbulos, microfilamentos y filamentos inter- dinámica y regulación en las secciones 18.2 y 18.3. medios, los tres sistemas de filamentos no actúan en forma independiente entre sí y se presentarán algunos ejemplos de esta interdependencia en la última sección del capítulo. Las paredes de los microtúbulos son estructuras polarizadas construidas a partir de dímeros de αβ-tubulina 18.1 Estructura y organización La tubulina aislada en forma pura y soluble está compuesta por dos subunidades estrechamente relacionadas denominadas de los microtúbulos -tubulina y b-tubulina a-tubulina -tubulina,, cada una con un peso molecular de al- En los primeros días de la microscopia electrónica, los bió- rededor de 55 000 Da. El componente de un microtúbulo es un logos celulares observaron túbulos largos en el citoplasma que dímero de ab-tubulina. Los análisis genómicos revelan que los denominaron microtúbulos. Se detectaron microtúbulos de genes que codifican a y b-tubulinas están presentes en todos 18.1 Estructura y organización de los microtúbulos 797  (a) (b) Cilios Microtúbulo Filamentos intermedios (c) Axón 10 nm 0,1 mm FIGURA 18-2. Los microtúbu microtúbulo loss se encuentran en muchas ubica ubica-- aumento de un microtúbulo individual que muestra 13 unidades repe-- ciones diferentes y todos tienen estructuras similares. (a) Sup Super erffi- tidas conocidas como pr prot otof ofililament amentoos. (P (Paarte a: NIBSC NIBSC/S/Scien ciencce Sour Source ce.. cie del epitelio ciliado que tapiza un oviducto de coneja visto con un Cell Biol. 94 Parte b: N. Hirokawa, 1982, J. Cell 94[:129 -142; ht ht tps tps:://doi.or doi.org g/10.1080833/ microscopio electrónico de barrido. Los cilios que se agitan, los cuales jcb.94.1.129. Parte c: reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, tienen un centro formado por microtúbulos, impulsan los óvulos por Inc., tomado de H. Sosa y D. Chrétien, 1998, “Relationship Between Moiré el oviducto. (b) Los microtúbulos y filamentos intermedios de un axón Patterns, Tubulin Shape, y Microtubule Polarity”, Cytosk toskeeleto n 40 ton 40[ 1]::38- 42; de rana congelados con rapidez y profundamente grabados visuali-- autorización transmitida a través del Copyright Clearance Center, Inc.). zados en un microscopio electrónico de transmisión. (c) Vista de gran los eucariontes y que el número de genes se ha ampliado de y el GDP resultante puede ser intercambiado por GTP libre. En manera considerable en organismos multicelulares. Por ejem- condiciones apropiadas, los dímeros de tubulina solubles pueden plo, la levadura en gemación tiene dos genes que especifican ensamblarse en microtúbulos (fig. 18-3b). Como se analizó en el a-tubulina y uno para b-tubulina, mientras que el nematodo capítulo 17 para la polimerización de la actina, la ATP-G-actina ATP-G-actina del suelo Caenorhabditis elegans tiene nueve genes que codi- se añade preferencialmente a un extremo del filamento, designa-- fican a-tubulina y seis para b-tubulina. Además de a-tubulina do extremo (+) porque es el favorecido para el ensamblado. Una y b-tubulina, todos los eucariontes también tienen genes que vez incorporado al filamento, el ATP unido es hidrolizado a ADP especifican una tercera tubulina, g-tubulina, que participa en y Pi. De modo similar similar,, los dímeros de tubulina en los que la su su-- el ensamblado de los microtúbulos, como se verá en breve. bunidad b se ha unido a GTP se añaden preferencialmente a un Asimismo, se han descubierto otras isoformas de tubulinas extremo del microtúbulo, designado también como extremo (+). que solo están presentes en organismos que poseen estructu- Como se comentará, el GTP es hidrolizado una vez que la tubuli-- ras celulares denominadas centríolos y cuerpos basales, lo cual na se incorpora al microtúbulo, y esto ejerce efectos sustanciales sugiere que estas isoformas de tubulina son importantes para sobre el comportamiento del extremo (+) del microtúbulo. esas estructuras. Como se aprenderá en este capítulo, los cen- Un microtúbulo está compuesto por 13 protofilamentos aso-- tríolos y los cuerpos basales son estructuras especializadas que ciados en forma lateral, que crean un túbulo cuyo diámetro ex-- nuclean y organizan el ensamblado de los microtúbulos. terno es de alrededor de 25 nm (véase fig. 18-3b). Cada uno de Las subunidades a y b del dímero de tubulina pueden unirse, los 13 protofilamentos es una cadena de dímeros de ab-tubuli- cada una, a una molécula de GTP (fig. 18-3a). El GTP de la na, dispuestos longitudinalmente de manera que las subunidades subunidad de a-tubulina nunca es hidrolizado y queda atrapado alternan a lo largo del protofilamento, y cada tipo de subuni-- en la interfase entre las subunidades a y b. En cambio, el sitio de dad se repite cada 8 nm. Como los dímeros de ab-tubulina de unión a GTP de la subunidad b se encuentra en la superficie del un protofilamento están todos orientados de la misma manera, dímero. El GTP unido a la subunidad b puede ser hidrolizado, cada protofilamento tiene una subunidad a en un extremo y una 798 CAPÍTULO 18 Organzacón y movment CAPÍTULO movmento o celular II: mcrotúbulos mcrotúbulos y flamentos ntermedos ntermedos  (a) de manera que el microtúbulo también tiene una polaridad glo-- -tubulina D-tubulina E-tubulina bal. El extremo con las subunidades b es el extremo (+), mientras que el extremo con las subunidades a expuestas es el extremo (–). En los microtúbulos, los heterodímeros de protofilamentos adya-- centes están ligeramente escalonados y forman filas inclinadas de monómeros de a-tubulina y b-tubulina en la pared del microtú microtú-- bulo. Por ejemplo, si usted sigue una fila de subunidades b, que GDP forma una espiral alrededor de un microtúbulo en un giro com-- pleto, terminará exactamente tres subunidades por encima del protofilamento colindando con una subunidad a. De este modo, todos los microtúbulos tienen una única costura longitudinal, en la que una subunidad a de un protofilamento se encuentra con GTP una subunidad b del protofilamento adyacente. La mayoría de los microtúbulos de una célula consisten en un tubo simple, un microtúbulo singlete, construido a partir de (b) Dímero 13 protofilamentos. En casos raros, los microtúbulos singletes contienen más o menos protofilamentos. Por ejemplo, ciertos D-tubulina GTP GDP E-tubulina microtúbulos de las neuronas de nematodos contienen 11 o Extremo de Extremo de Protofilamento -tubulina 15 protofilamentos. Además de esta estructura singlete simple, -tubulina D-tubulina 8 nm E-tubulina se observan microtúbulos doblete o triplete en estructuras espe- 25 nm cializadas, como cilios y flagelos (microtúbulos doblete), y cen-- Costura tríolos y cuerpos basales (microtúbulos triplete), estructuras que Extremo (–) Extremo (+) estudiarán más adelante en este mismo capítulo. Cada doble o triplete contiene un microtúbulo completo de 13 protofilamen-- FIGURA 18-3. Estructura de de lo los dím dímeeros de de tu tubu bullina y su or orga- nización en microtúbulos. (a) Diagr Diagram amaa de cinta cinta dedel díme dímero de tos (denominado túbulo A) y uno o dos túbulos adicionales (B y tubulina. El GTP unido al monómero de a-tubulina no es intercam- C) formados por 10 protofilamentos cada uno (fig. 18-4). biable, mientras que el GDP unido al monómero de b -tubul tubulin inaa puede puede intercambiarse por GTP libre. (b) Organización de las subunidades de Los microtúbulos se ensamblan a partir de tubulina en un microtúbulo. Los dímeros están alineados de manera MTOC para generar diversas configuraciones terminoterminal en protofilamentos, que se empaquetan uno junto a otro para formar la pared del microtúbulo. Los protofilamentos están Una vez que se identificó la tubulina como el principal com- ligeramente escalonados de modo tal que la a-t -tub ubulina ulina de de un proto protoff i- ponente estructural de los microtúbulos, fue posible generar lamento se encuentra en contacto con la a -tub -tubulina ulina d e los protofila protof ila-- anticuerpos antitubulina y utilizarlos en microscopia de in- mentos vecinos, excepto en la costura, donde una subunidad a munofluorescencia para localizar microtúbulos en las células entra en contacto con una subunidad b. El microtúb microtúbulo ulo muestra muestra una (fig. 18-5a, b). Este enfoque, unido a la microscopia electróni- fig. 18-5a, polaridad estructural en aquellas subunidades que se añaden preferen-- ca, reveló que los microtúbulos se ensamblan a partir de sitios temente en el extremo en el que están expuestos los monómeros de específicos de la célula. b-t -tub ubulin ulina. a. Es Este ex extrem remoo del del micr microtúb otúbul ulo o se cono conoce ce como como extremo (+). La nucleación espontánea de microtúbulos es una reacción (Parte a: datos de E. Nogales et al., 1998, Nature 391 91::199; PDB PDB 1D 1D 1tub 1tub)). tan desfavorable desde el punto de vista energético que no desempeña ningún papel significativo en el ensamblado de subunidad b en el otro (por consiguiente, el protofilamento pre- microtúbulos in vivo. Más bien, todos los microtúbulos son senta polaridad intrínseca). En un microtúbulo, todos los proto- nucleados desde estructuras conocidas como centros organi- filamentos asociados en forma lateral tienen la misma polaridad, zadores de microtúbulos o MTOC. Singlete Doblete Triplete (citoplasma) (cilios, flagelos) (cuerpos basales, centríolos) C C B B B A A Número de 13 13 10 13 10 10 protofilamentos: FIGURA 18-4. Microtúb Microtúbulos ulos singlet si ngletes es,, do dobletes bletes y tripletes. tri pletes. forman un segundo túbulo (B) al fusionarse con la pared de un En el corte transversal, un microtúbulo típico, un singlete, es un singlete (A). La unión de otros 10 protofilamentos al túbulo (B) de tubo simple construido a partir de 13 protofilamentos. En un mi-- un microtúbulo doblete crea un túbulo (C) y una estructura de crotúbulo doblete, un conjunto adicional de 10 protofilamentos tripl ete. 18.1 Estructura y organización de los microtúbulos 799 (a) (c) (e) Centrosoma Dendrita MTOC Axón Cuerpo celular (b) (d) (f) Cuerpo basal Polos del huso FIGURA 18-5. Los microtú microtúbulos bulos se ensamblan a par partt ir de (d) En una célula en mitosis, los dos MTOC se denominan polos del centros organizadores de microtúbulos (MTOC). (a (a-- b) Di Distri- huso (l (los os crom cr omos osoma omass se mues mu estt ra rann en azu a zul) l).. (e (e) En una neu n euron rona, a, bución de los microtúbulos en las células cultivadas visualizadas los microtúbulos de ambos axones y las dendritas se ensamblan a por microscopia de inmunofluorescencia, empleando anticuerpos partir de un MTOC presente en el cuerpo celular y luego se liberan contra la tubulina, en una célula en interfase y una en mitosis. de él. (f) Los microtúbulos que componen el tallo de un cilio o fla-- (c-f) Diagramas de la distribución de los microtúbulos en diversas gelo se ensamblan a partir de un MTOC conocido como un cuerpo células y estructuras. Todos estos microtúbulos están ensamblados basal. La polaridad de los microtúbulos está indicada por (+) y (–). a partir de diferentes MTOC. (c) En una célula en interfase, el MTOC (Parte a: cortesía de Anthony Bretscher. Parte b: cortesía de Torsten se llama centrosoma (el núcleo está indicado con un óvalo azul). W ittmann). En las células animales, el centrosoma es el principal terial pericentriolar (fig. 18- 18-6a ). Los centríolos, 6a). centríolos, que miden MTOC. Durante la interfase, el centrosoma suele localizarse alrededor de 0,5 mm de largo y 0,2 mm de diámetro, son cerca del núcleo y produce una serie de microtúbulos con sus estructuras muy organizadas y estables que consisten en nue-- extremos (+) que irradian hacia la periferia celular (fig. fig. 18-5c ). 18-5c). ve microtúbulos triplete (fig. 18-6b,, c). En sí mismos, los fig. 18-6b los En la mayoría de los casos, el extremo (−) del microtúbulo centríolos no nuclean los microtúbulos citoplasmáticos, sino permanece anclado al centrosoma. Esta disposición radial que lo hacen factores del material pericentriolar. Un compo-- proporciona vías a las proteínas motoras basadas en microtú- nente crucial es el complejo anular de g-tubulina (g-T -TuRC) uRC) bulos para organizar y transportar compartimientos limitados (figs. 18-6b y 18-7), que se localiza figs. 18-6b localiza en el material material pericen- pericen- por membrana, como los que constituyen las vías secretoras y triolar y está formado por muchas copias de g-tubulina aso- endocítica. Durante la mitosis, las células reorganizan sus mi- ciadas con varias otras proteínas. El g-TuRC actúa como un crotúbulos para formar un huso bipolar que se extiende entre molde helicoidal para que se unan dímeros de ab -tubulina ab-tubulina dos centrosomas, conocidos también como polos del huso, lo a fin de formar un nuevo microtúbulo, cuyo extremo (–) se que permite segregar con exactitud copias de los cromosomas asocia con g-T-TuRC uRC y cuyo cuyo extremo (+) está libre libre para ensam- ensam- duplicados (fig. 18-5d). En otro ejemplo, las neuronas tienen blado adicional. prolongaciones largas, denominadas axones, en las que los Los cuerpos basales tienen una estructura similar a la de orgánulos son transportados en ambas direcciones a lo largo los centríolos y son los MTOC hallados en la base de cilios y de microtúbulos (fig. 18-5e). Los microtúbulos de los axones, flagelos. Los túbulos A y B de sus microtúbulos triplete pro- que pueden medir hasta 1 m, no son continuos y han sido porcionan un molde para el ensamblado de los microtúbulos liberados del MTOC, pero no obstante tienen la misma po- que componen la estructura central de cilios y flagelos. Más laridad. Los microtúbulos de las prolongaciones más cortas, adelante, se analizará la estructura de los cuerpos basales en denominadas dendritas, presentan polaridad mixta, aunque la el contexto de cilios y flagelos. significación funcional de esta diferencia no es clara. En cilios Investigaciones recientes han revelado otro mecanismo para y flagelos (fig. 18-5f), los microtúbulos se ensamblan a par- la nucleación de microtúbulos en células animales, que tam- tir de un MTOC llamado cuerpo basal. basal. Como se mencionará bién involucran el g-TuRC. Un complejo proteico denomi- más adelante, las plantas no poseen centrosomas ni cuerpos nado complejo augmina, compuesto por ocho polipéptidos, basales; utilizan otros mecanismos para nuclear el ensambla- puede unirse a los costados de microtúbulos existentes, re- do de microtúbulos. clutar luego g-TuRC y nuclear el ensamblado de otros nuevos La microscopia electrónica muestra que cada centrosoma (fig. 18-7c). Como se considerará en una sección posterior fig. 18-7c). posterior,, el de una célula animal consiste en un par de centríolos cilín-- complejo augmina contribuye al ensamblado de microtúbulos dricos rodeados por material amorfo conocido como ma ma-- en el huso mitótico. 800 CAPÍTULO 18 Organzacón y movment CAPÍTULO movmento o celular II: mcrotúbulos mcrotúbulos y flamentos ntermedos ntermedos  (a) (c) (b) Centríolo hijo Material pericentriolar (d) Centríolo parental Apéndices distales Apéndices subdistales Microtúbulo γ -TuRC FIGURA 18-6. Estruct Estructur ura a de los ce centrosomas.. (a) Corte rosomas Corte fin finoo de un un cen- cen- nónuple que sirve como molde para el centríolo hijo (estructura púrpura). trosoma de una célula animal que muestra los dos centríolos perpendicu-- Más tarde, es eliminada cuando el centríolo madura. (d) Microfotografía lares entre sí, rodeados por material pericentriolar (flechas). (b) Diagrama de inmunofluorescencia que muestra la disposición de los microtúbulos de un centrosoma que muestra los centríolos parental e hijo, cada uno de (verde) en una célula animal en cultivo y la localización de MTOC utilizan-- los cuales consiste en nueve tripletes de microtúbulos unidos, incluidos do un anticuerpo contra una proteína del centrosoma (amarillo). (Par Parte te a: en material pericentriolar que contiene estructuras nucleadoras g-TuRC uRC.. reimpreso con autorización de Nature Publishing Group, tomado de G. Sluder, El centríolo parental es diferente del hijo, dado que tiene apéndices dis-- 2005, “Two-Way Traffic Centrosomes and the Cell Cycle”, Nat. Re Revv. Mol. Cell Cell Biol. Biol. tales (esferas azules). (c) Imagen tomográfica de un corte a través de un 6::743-748; auto autoririzzación transmit transmitida ida a tra través del del Co Copypyright right Clearanc Clearancee Cent Center, centríolo hijo del alga Chlam Chlamydomo nass. Una prot ydomona proteína eína deno denominada minada Sas6 Inc. Parte c: datos de P. Guichard et al., 2013, Curr Biol. 23 urr.. Biol. 23::1620, EM EMD-23232929 and puede autoensamblarse en una estructura en rueda de carro simétrica EMD-2330. Parte d: cortesía de Ryoko Kuriyame). (a) (b) (c) Extremo (+) Extremo (+) γ -T -TuRC uRC β Augmina α Tubulina γ Extremo (–) -TuRC γ-TuRC Extremo (–) Extremo (–) Extremo (+) FIGURA 18-7. Complejo del anillo de g-tubulina (g (g-TuRC) que nuc nuclea lea de cómo puede unirse la augmina tanto al g-TuRC como al costado de un el ensamblado de los microtúbulos. (a) Mic Microfotog rofotograf rafía ía de inmunofluo inmunofluo-- microtúbulo existente para nuclear el ensamblado de un microtúbulo rescencia en la que los microtúbulos ensamblados in vitro están marca-- ramificado. (Par Partte a: reimpreso reimpreso con con aut autor oriz izaació ciónn de Nature Pub Publilishin shingg Gro Groupup,, dos en verde y un componente del g -TuRC está marcado en rojo, lo que tomado de T. J. Keating y G. G. Borisy, 2000, “Immunostructural Evidence for muestra que se localiza específicamente en un extremo del microtúbulo. the Template Mechanism of Microtubule Nucleation”, Nat. Cell Cell Biol. 2:352 352--35 3577; (b) Modelo del modo en que el g-TuRC nuclear el extremo (–). (c) Diagrama autorización transmitida a través del Copyright Clearance Center, Inc.). 18.1 Estructura y organización de los microtúbulos 801