Biologia cel·lular Laura Piñero Tema 18.pdf

TEMA 18. MICROTÚBULS Funció: • Posicionament i moviement dels orgànuls. • Dirigir el transport vesicular. • Estructura de cilis i flagels. • Estructura de centríols i corpuscles basals. • Formar el fus mitòtic. 18.1 DROGUES QUE AFECTEN ALS FILAMENTS D’ACTINA I MICROTÚBULS Toxines que afect...

TEMA 18. MICROTÚBULS Funció: • Posicionament i moviement dels orgànuls. • Dirigir el transport vesicular. • Estructura de cilis i flagels. • Estructura de centríols i corpuscles basals. • Formar el fus mitòtic. 18.1 DROGUES QUE AFECTEN ALS FILAMENTS D’ACTINA I MICROTÚBULS Toxines que afecten als filaments d’actina i als microtúbuls han permès analitzar la implicació d’aquests en diferents processos cel·lulars. Es troben en fongs, algues, algunes plantes. Les toxines que estabilitzen els filaments eviten que es despolimeritzin els microtúbuls. Això afecta la mitosi, per exemple. El taxol, de fet, s’ha utilitzat com a principi actiu quimioterapèutic, perquè evita la divisió cel·lular descontrolada dels tumors. 229 18.2 ESTRUCTURA DELS MICROTÚBULS 25nm de diàmetre. Les subunitats que polimeritzen i despolimeritzen són els heterodímers. Es troben solubles en el citosol en forma d’heterodímer. Estan formats per una proteïna citosòlica, la tubulina. La tubulina és un heterodímer format per dos monòmers: l’αtubulina i la β-tubulina. Primerament té lloc la formació d’un heterodímer amb els monòmers alfa i beta-tubulina. Després, successives unions lineals entre els heterodímers donen lloc a un protofilament i finalment tretze protofilaments s’uneixen per donar lloc al microtúbul. Els microtúbuls també s’associen, podent trobar tres tipus: microtúbuls senzills (citoplasma) doblets (cilis i flagels) i triplets (centríols). Malgrat la seva interacció no és covalent, és forta. Tant les subunitats alfa com beta tenen llocs d’unió a la GTP. Alfa: extrem negatiu; beta: extrem positiu. Polaritzat. La GTP de la unitat alfa ssempre es troba en aquesta forma, mentre que la GTP de beta es pot trobar en forma GTP o GDP. Això últim permetrà que s’incorporin diferents hoterodímers. S’uneixen estrem positiu i negatiu, de manera que sempre acabarà en extrems positu i negatiu. Extrem positiu: té més facilitat per incorporar nous heterodímers. De manera que l’extrem negatiu tendeix a la despolimerització, mentre que en el positiu predomina la polimerització. L’extrem positiu es dirigeix cap a la perifèria cel·lular i el negatiu està unit al centre organitzador de microtúbuls. Concentració crítica: concentració soluble que farà que s’uneixi a l’extrem positiu o negatiu. Crítica: concentració proteïnes solubles a partir de la qual, si la concentració està per sota, no s’incorporaran en aquell extrem. La concentració crítica de l’extrem negatiu és superior a la de l’extrem positiu. Per tant, pot ser que la concentració d’una proteïna es trobi per sota de la del negatiu i per sobre la del positiu,, i s’enganxarà a la del +. Els protofilaments estan polaritzats, així com el microtúbul en si. Es forma l’estructura cilíndrica per l’unió de 13 filaments. S’uneixen de manera esviaixada. De manera que és molt forta. La intracció entre microtúbuls també és molt forta. Perquè entre protofilaments es donen interaccions alfa i beta de diferents protofilaments, de manera perpendicular. De forma perpendicular o longitudinal, doncs, es donen interaccions entre les subunitats alfa i beta. 230 La forma esviaixada entre filaments es dona gràcies a un procés de nucleació: primer s’han de unir les primeres subunitats per a formar el prototúbul. La gamma tubulina és la responsable de formar els 13 heterodímers. S’uneix a l’extrem alfa. S’associa als centres de nucleació dels microtúbuls gràcies a les proteïnes accessòries, que contenen dues gamma-tubulines. S’associen 7 gamma-tubulina small complex, que porten 2 gamma-tubulines cadascuna. Resulten 14 gamma-tubulines. Cadascuna d’elles s’uneix sobre l’altra en el microtúbul que s’està formant, fent una forma d’espiral. A partir d’aquest espiral que forma la gamma-tubulina, s’uneixen els heterodímers de manera esviaixada. 18.3 FORMACIÓ DELS MICROTÚBULS Hem dit que la GTP de beta es pot hidrolitzar. Quan està unida a GDP, la seva despolimerització augmenta 100 vegades respecte a quan està unida a GTP. Quan s’uneix l’heterodímer al microtúbul, està en forma de GTP i es podria despolimeritzar. Tots els heterodímers queden positius en aquell extrem, de manera que queda un cap amb GTP. En canvi, en la resta del microtúbul la GTP s’hidrolitza en forma de GDP. GTP intervé en la dinàmica d’unió de nous prototúbuls. Els anells que es formen gràcies a la gama tubulina s’uneixen al centrosoma. El centrosoma és el centre organitzador de microtúbuls i conté 2 centríols. A la superfície del centrosoma es reuneixen anells de gamma tubulina i proteïnes accessòries. D’allà creixeran microtúbuls dels anells del centrosoma. 231 Hi ha proteínes que s’uneixen a l’extrem positiu quan beta està unida a GTP. Els caps de GTP només es troben en microtúbuls que creixen. La proteïna EB1 (s’uneix als extrems positius i regula el creixement i direccionament del microtúbul). 18.4 EL CENTROSOMA El centrosoma és una regió sense membrana, i en conseqüència, sense forma, on es troben un conjunt de proteïnes importants per a l’inici del procés de polimerització de microtúbuls. Entre aquestes, s’ha identificat la gamma-tubulina, que recluta els monòmers alfa i beta al MTOC per a formar microtúbuls. És a dir, serveix com a punt d’ancoratge i inici de la polimerització. La xarxa microtubular que emergeix a partir del centre organitzador de microtúbuls està enviant constantment microtúbuls que reemplacen els vells, que s’han despolimeritzat. El centrosoma consta d’un material amorf amb dos centríols al seu interior perpendiculars entre si. Els microtúbuls creixen de l’extrem negatiu... Perquè es crei el fus mitòtic, el centrosoma es duplica abans de la mitosi i cada centrosoma es situa a un pol de la cèl·lula per a formar el fus mitòti. A la interfase, el centrosoma es situa a prop del nucli. 18.5 DINÀMICA DE POLIMERITZACIÓ DELS MICROTÚBULS La inestabilitat dinàmica i el flux de subunitats (treadmilling) són dos comportaments observats en polímers del citoesquelet. Els dos estan associats amb la hidròlisi d’ATP. La inestabilitat dinàmica predomina en els microtúbuls, mentre que el treadmilling és més comú en els filaments d’actina. 232 Inestabilitat dinàmica: escurçament sobtat i formació lenta de microtúbuls. Que tingui GTP al cap fa que s’incorporin més heterodímers. Quan s’hidrolitza, facilita la despolimerització del microtúbul. S’incorporen heterodímers alfa beta, creant un casquet positiu (cap alfa beta GTP), que fa que s’incorporin nous heterodímers, i el microtúbul va creixent. Quan el GTP s’hidrolitza, genera un canvi conformacional en el filament que facilita la seva despolimerització. Amb el casquet GTP l’heterodímer és recta. Però si GDP i la velocitat d’incorporació d’hetoerodímers és menor que la velocitat de hidrolització dels GTP (perquè baixa la concentració d’heterodímers solubles en el citosol), perd la interacció, es curva l’heterodímer i es desenganxa. I es dseenganxen en cadena i ràpidament. Un cop perdem el casquet positiu, perd afinitat, però com que totes les anteriors estan en GDP, es despolimeritza molt ràpid tot el filament. Procés de catàstrofe. Llavors augmentem la concentració d’heterodímers solubles al citosol. Cosa que farà qjue es tornin a unir. Per tant, induiran un altre cop la formació d’un nou filament. Quan la concentració torna a superar un límit, tornaran a unir-se, i farà que es tornin a formar microtúbuls. - Els microtúbuls despolimeritzen 100 vegades més ràpid quan GDP-tubulin que GTP-tubulin. - El cap de GTP afavoreix el creixement. - La despolimerització es dona quan es perd (hidrolitza) el GTP. - Els microtúbuls poden alternar períodes de creixement lent i períodes de ràpid trencament. 233 Els microtúbuls també poden créixer per recanvi rotatori. Els microtúbuls creixen millor per l’extrem positiu, malgrat es poden incorporar en els dos llocs. També es poden despolimeritzar per ambdós cantons. 18.6 PROTEÏNES ACCESSÒRIES DE MICROTÚBULS Proteïnes accessòries encarregades de regular la polimerització i despolimerització. Estatmina s’uneix als extrems positius i regula el creixement i direccionament del microtúbul. L’estatmina es veu incrementada en les cèl·lules tumurals, car necessiten una ràpida polimerització i dsepolimerització. Tubulina lliure és sequestrada per l’estatmina i constribueix en la seva despolimerització. Els segresta, fent 234 que hi hagi menys concentració d’hereodímers lliures. De manera que la velocitat d’incorporació a aquell extrem disminueix. Si la velocitat de desfosforilació de la GTP és més ràpid, es desenganxa el microtúbul: escurçament sobtat. Si es fosforila l’estamina, deixa de funcionar, i permet que el microtúbul no es despolimeritzi i no es pugui reorganitzar. Kinesina 13 s’uneix a l’extrem positiu i afavoreix la corbatura dels heteropolímers perquè es despolimeritzin malgrat estar en GTP. Factor catastròfic. Desestabilitza. En canvi, les XMAP215 estabilitza els microtúbuls i aporta nous heterodímers per a la seva formació. Contribueix al creixament. Les MAP2 fan que la compactació dels microtúbuls sigui menor que si s’hi uneix tau. Factor més estructural. 235 Proteïnes motores: quinesines i dineïnes. Les dues tenen caps motors polars, que és on uneixen ATP. Varien la seva posició, unint-se al filament, amb gast d’ATP, per avançar cap un lloc determinat. Les quinesines avancen en sentit del negatiu al positiu, de centrosoma a perifèria. En canvi, els dineïnes avancen ens sentit oposat. Necessiten, a més, tot un complexe: complexe dinactina, que els permet unir-se al microtúbul i a l’orgànul que s’ha de transportar. Les proteïnes motores s’uneixen als microtúbuls i els orgànuls o vesícules que s’han de moure. Són homodímers (2 caps motors iguals). Quinesines: moviment centrífug. Dineïna: centrípeta. Aquest moviment permet que es doni el transport de molècules concretes. Per exemple, pot arribar RNA gràcies a quinesines. Hi ha orgànuls units a ambdues proteïnes motores. En funció de quina predomini en cada moment, es mourà cap un o altre cantó. En les dendrites, els microtúbuls estan organitzats diferent. N’hi ha que tenen l’extrem positiu cap al cos de la neurona. 236 Moviment quinesines. Són dos caps polars motors, i al seu extrem tenen la vesícula o orgànul que s’ha de transportar. 18.7 REGULACIÓ DE LA LOCALITZACIÓ DELS ORGÀNULS: LES PROTEÏNES MOTORES PODEN ACTIVAR-SE O INACTIVAR-SE Regulació de la localització dels orgànuls: Les proteïnes poden activar-se o inactivar-se. La posició dels melanosomes pot variar en una cèl·lules depèn de les quinesines o dinesines que s’activen. Cosa que fa que canviïn de color. En funció d’una fosforil·lació, s’inhibeixen les quinesines, de manera que actuen les dineïnes i es dispersen els melanosomes... ERGIC: agregacions vesiculotubulars que surten dels ERES. Estan unides a dineïnes, i van cap als centrosomes. En canvi, per exemple, les vesícules secretores van cap a fora (unides a quinesines). Mitocondris es poden moure cap ambdós cantons, units a dineïnes i quinesines. 237 18.8 TIPUS D’ESTRUCTURES AMB MICROTÚBULS 1. Microtúbuls citoplasmàtics 2. Fus mitòtic 3. Centríols i corpuscle basal. Els centríols del centrosoma estan formats per 9 triplets de microtúbuls, que es distribueixen de la manera següent. El microtúbul de cada triplet 238 que es troba més a prop del centre és l’A. El 2n el B i el més llunyà el C. L’A està format per 13 protofilaments, el B està format per 10 i en comparteix 3 amb l’A (acaben sent 13), i el C també en té 10 i en comparteix 3 amb el B. Hi ha 2 centríols per centrosoma, un mare i l’altre fill. A la superfície dels centrosomes animals, situats al centre de la cèl·lula, es formen anells de gamma tubulina que organitzen els microtúbuls. Però les altres cèl·lules, no animals, nucleen microtúbuls a altres llocs: membrana plasmàtica, golgi... Els centríols es separen en pols oposats per a fer el fus mitòtic. Aquesta estructura formada per 9 triplets també es troba en el corpuscle basal, situats a la base de cilis i flagels. 4. Cilis i flagels. Formats per una axonema, compost per 9 doblets i dos microtúbuls centrals senzills. En els doblets, el B també comparteix 3 prototúbuls amb l’A. 239 Els cilis permeten el moviment. En el sistema respiratori permeten la movilitat de la mucositat de l’entorn, netejant; els flagels són necessaris pels espermatozoides. Els microtúbuls necessiten ATP per a moure’s. Cada doblet està unit a dineïna, una proteïna motora que permet el moviement dels cilis. Quan arriba ATP a les parts globulars de la dineïna (on hi ha el centre actiu ATPasa), s’uneixen i fan que es moguin els microtúbuls (sliding, propulsió mecànica). També estan units a nexina: uneix els doblets de microtúbuls. Aquesta última fa que no puguin lliscar. S’intenten moure, per les dineïnes, però no poden lliscar, es mantenen a lloc per la nexina. De manera que es genera un moviment ondulatori. Cili primari: Cili no motor, que no té moviment. Està format de la mateixa manera que la resta dels cilis. En tenen la majoria de cèl·lules, i té altres funcions. Són sensors d’estímuls que arriben a la cèl·lula a través d’aquest cili perquè proliferi... Es produeix gràcies al centríol mare, es desplaça per a formar-lo. 240 RESUM Catalines: trequen microtúbuls. Tau i MAP organitzen els microtúbuls d’una manera més o menys compacta. Plectina: els uneix amb filaments intemedis. 241