III. ENSAMBLE DE LAS PARTES: DE LAS PROTE�NAS A LA ORGANIZACI�N SUPRAMOLECULAR
UNA vez formada una cadena de amino�cidos o polip�ptidos �sta puede adquirir diversas conformaciones tridimensionales. Un p�ptido puede asociarse tambi�n a otras prote�nas de la misma o diferente secuencia de amino�cidos y adoptar diferentes configuraciones. Igualmente, a nivel tridimensional las prote�nas tienen que ordenarse con precisi�n. La interacci�n entre sus diferentes dominios resulta en asociaciones espec�ficas tanto con mol�culas diferentes como con mol�culas del mismo tipo. Cuando esto �ltimo sucede, la interacci�n no covalente de subunidades trae como resultado la formaci�n de una estructura polim�rica.
Este fen�meno de ensamble o polimerizaci�n tiene las siguientes ventajas: 1) se construye una estructura a partir de subunidades iguales de modo que la informaci�n para hacer una sola de ellas es suficiente, 2) se puede controlar tanto el ensamble como el desensamble, y para esto se requiere relativamente poca energ�a, y 3) el ensamble permite corregir m�s f�cilmente errores que se dar�an si cada vez se tuviera que sintetizar toda la estructura.
Para que se realice el ensamble se requiere solamente que una prote�na tenga
un sitio de uni�n que sea complementario a otra regi�n de su propia superficie.
As� se pueden formar dímeros, que es el caso m�s simple, tr�meros y hasta
pol�meros, en los cuales hay miles de subunidades o mon�meros asociados. En
el caso del citoesqueleto las estructuras subcelulares que lo componen, tanto
los diferentes tipos de filamentos como los microt�bulos, se forman por polimerizaci�n
de sus subunidades proteicas (Figura III.1). La forma alargada de estas estructuras
les da las caracter�sticas esenciales para formar las partes de una maquinaria
de la que se requiere fuerza mec�nica.
Figura III.1. Curva de polimerizaci�n de una prote�na del citoesqueleto.
Se puede apreciar que el pol�mero que se esta formando crece mas r�pidamente
en el extremo (+). La concentraci�n cr�tica (Cc) es aquella por debajo de la
cual no hay polimerizaci�n. Tr = treadmilling, se refiere al rango de
concentraci�n en el pol�mero se polimeriza en el extremo (+) y se despolimeriza
en el (-).
Los mon�meros de actina pueden ser polimerizados aumentando la concentraci�n
de sales a nivel fisiol�gico (Figura III.2).
Figura III.2. Micrograf�a de filamentos de actina polimerizados in vitro.
La actina se extrajo de m�sculo esquel�tico de conejo y se introdujo a polimerizar
en presencia de Mg2+.
Durante la polimerizaci�n el fosfato terminal de una mol�cula de ATP, que est� regularmente asociada con los mon�meros, se hidroliza proveyendo la energ�a necesaria para el ensamble. La actina despolimerizada, llamada tambi�n soluble, forma una soluci�n poco viscosa, pero al polimerizarse hay un r�pido aumento de viscosidad que al medirse nos dar� una indicaci�n de la velocidad con que se asocian los mon�meros de actina para formar un filamento (Figura II.9).
Cada microfilamento tiene dos cadenas de mon�meros de actina enrollados en
espiral, la cual crece siempre en un extremo (extremo +), puesto que sus extremos
son estructuralmente diferentes por la mol�cula deATP o ADP
que se halla asociada a los mon�meros ensamblados. Esta polaridad de la mol�cula
es muy importante en la asociaci�n de los filamentos con otras prote�nas y en
la forma como se desensambla un filamento. Este desensamble se puede producir
aumentando los niveles de Ca2+ y tambi�n por la acci�n de algunas
drogas, como la citocalasina. El desensamble siempre ocurre a partir del extremo
(-) de los filamentos.
Los filamentos de actina interaccionan con otras mol�culas para poder funcionar.
Su interacci�n va a depender del tipo de c�lula en la que se encuentren y de
las funciones que �sta lleve a cabo. En los diferentes tipos de m�sculos la
actina interacciona con la miosina para producir la contracci�n muscular. En
otros tipos de c�lulas los filamentos de actina forman redes y haces (Figura
III.3) que dan m�s resistencia al citoplasma y permiten desplazamiento de las
c�lulas. Las prote�nas que facilitan la formaci�n de haces se llaman, en forma
gen�rica, hacinadoras, aunque dos de ellas se han caracterizado mejor y se conocen
como fascina y fimbrina. Otras prote�nas favorecen el entrecruzamiento de los
filamentos para formar redes y entre ellas est�n la ABP, la filamina
y la alfa-actinina. Otras rompen los filamentos, como la gelsolina y la severina,
facilitando la despolimerizaci�n y la repolimerizaci�n. En los sitios de contacto
de filamentos con la membrana celular se encuentran prote�nas como la ankirina,
la espectrina y la fodrina. En �reas de contacto de las c�lulas con el substrato
se encuentran los filamentos de actina asociados a prote�nas como vinculina
y talina. Asimismo, prote�nas como la profilina se asocian a los mon�meros de
atina inhibiendo su polimerizaci�n y manteniendo la actina en la c�lula en forma
soluble. Toda esta gama de prote�nas regula de manera precisa la forma en que
la actina participa en los movimientos celulares y determina cu�ndo y c�mo se
debe inducir la polimerizaci�n, as� como la despolimerizaci�n de los microfilamentos
(Figura III.4).
Figura III.3. Red de filamentos de actina vistos por microscop�a de inmunofluoresencia
dentro de una c�lula en cultivo. Los filamentos de actina se decoraron con un
anticuerpo espec�fico contra la actina que, una vez unido a est�, se revela
con un segundo anticuerpo acoplado a un reactivo fluoresente.
Figura III. 4. Representaci�n de algunas de las prote�nas que se unen espec�ficamente
a filamentos y mon�meros de actina para darles diferentes organizaciones dentro
de la c�lula.
Las mol�culas de miosina tambi�n se polimerizan en forma espont�nea para formar
filamentos gruesos (Figura III.5). El n�mero de cadenas que se ensamblan para
formar una fibra depende del tipo de la miosina, pero b�sicamente la estructura
es similar. Las cadenas pesadas se enredan una sobre la otra formando una espiral,
manteniendo la misma direcci�n y dejando libre una parte de la mol�cula en donde
se asocian las cadenas ligeras, constituyendo con ello una especie de cabeza.
Figura III. 5. Micrograf�a de filamentos de miosina obtenidos de una c�lula
no muscular. (Foto cortesia de J. Kendrick Jones.)
Para formar un filamento grueso las colas de mol�culas individuales se asocian
por uniones hidrof�bicas y as� se dejan las cabezas sueltas. Esta asociaci�n
se va haciendo fuera de fase, de modo que un filamento tendr� cabezas a todo
lo largo con ciertos intervalos (Figura V.1). En el m�sculo esquel�tico se asocian
cientos de cabezas para formar un filamento grueso. En otras c�lulas los filamentos
de miosina pueden estar formados por fibras individuales. Las cabezas de las
fibras son la parte de la mol�cula de miosina que interacciona con la actina.
Estas mol�culas tienen una actividad enzim�tica de ATPasa, es decir,
son capaces de hidrolizar ATP, con lo que se deriva la energ�a
necesaria para la interacci�n con la actina y los movimientos que se llevan
a cabo con esta interacci�n. Adem�s de la actina hay varias prote�nas que se
asocian a la miosina, y las mejor definidas hasta ahora son aquellas que se
asocian a los filamentos en el m�sculo y regulan el deslizamiento. La tropomiosina
se une como una varilla a lo largo del filamento de la actina, la troponina
se une a intervalos regulares a los filamentos de la actina y regula los niveles
de Ca2+, y la alfa actinina ayuda a unir los filamentos de actina
a la l�nea Z del sarc�mero. Cuando una de las dos cadenas ligeras de la miosina
se fosforila o uno de sus amino�cidos (serina) adquiere un grupo fosfato, la
cabeza de la miosina puede interaccionar con la actina y entonces el filamento
se desplaza sobre la actina. Esta fosforilaci�n, as� como la activaci�n subsecuente
de otras mol�culas, depende de los niveles de Ca2+ en la c�lula.
En c�lulas no musculares la miosina forma filamentos menos organizados que los
del m�sculo y para ensamblarse debe ser fosforilada, si esto no sucede, la mol�cula
se agrega sobre s� misma y no forma filamentos. La asociaci�n de la miosina
y la actina en c�lulas no musculares forma estructuras contr�ctiles o peque�as
maquinarias para llevar a cabo ciertos movimientos. Un ejemplo es el anillo
contr�ctil que divide el citoplasma de una c�lula para formar dos c�lulas hijas
(v�ase figura 7.VII). Otro ejemplo son las fibras de tensi�n que se forman en
c�lulas en movimiento y que se insertan en la membrana celular en los puntos
de contacto con el substrato sobre el que se desplazan. En algunas c�lulas,
como las de los epitelios, la interacci�n forma redes permanentes que les permite
mantener su forma y sus contactos con otras c�lulas (Figura III.5). Cuando las
estructuras no son permanentes se establece un equilibrio din�mico entre las
prote�nas solubles y las polimerizadas, lo cual le permite a la c�lula regular
el ensamble o desensamble de estas maquinarias, seg�n lo necesite, manteniendo
todas las partes en equilibrio y listas para su reutilizaci�n. Los filamentos
de actina pueden despolimerizarse por interrupci�n del equilibrio entre mon�meros
y pol�mero. Hace algunos a�os se encontr� que las drogas llamadas citocalasinas
se unen a los microfilamentos en el extremo (-) causando su polimerizaci�n por
el extremo (+). En esta condici�n los filamentos no se pueden repolimerizar,
lo cual da como resultado su desensamble total y la inhibici�n defunciones celulares
en las que �stos participan.
La unidad b�sica de los microt�bulos es el d�mero, formado por tubulinas alfa
y beta en iguales proporciones. El ensamble de estos d�meros para formar un
microt�bulo requiere de la hidr�lisis de GTP, un nucle�tido trifosfato
que contiene la base guanina en lugar de adenina, como en el ATP,
y que se encuentra asociado a cada d�mero. La energ�a provista por la hidr�lisis
del GTP favorece la polimerizaci�n en el extremo del t�bulo, que
aumenta de tama�o. El otro extremo, al no crecer, se empieza a despolimerizar.
Por esta raz�n los microt�bulos son muy inestables y pueden polimerizarse y
despolimerizarse con gran rapidez. Los d�meros, al polimerizar, forman filamentos
alargados (Figura III.6) que posteriormente se asocian en grupos de 13 y dejan
una luz central que le da a la estructura el car�cter de t�bulo en el citoplasma.
Los microt�bulos, de aproximadamente 240 nm, se forman de manera espont�nea
partiendo de centros de nucleaci�n llamados organizadores de microt�bulos (MTOC),
en donde se concentran las subunidades de tubulina. Con base en estas estructuras
se organizan los microt�bulos que radian hacia el citoplasma (Figura III.7).
Los centros organizadores de microt�bulos forman los �steres en la mitosis y
tambi�n los cuerpos basales de los cilios y flagelos en muchas c�lulas.
Figura III. 6. Micrograf�a de microt�bulos polimerizados in vitro.
La tubulina se obtuvo de cerebro de rata y se hizo polimerizar en presencia
de GTP.
Algunos d�meros de tubulina se modifican una vez ensamblados en un microt�bulo,
para participar en funciones definidas. As� vemos c�mo algunas tubulinas se
acetilan y otras pierden el amino�cido tirosina. Tambi�n, al asociarse a algunas
prote�nas los microt�bulos, se estabilizan.
Figura III. 7. Centros organizadores de microt�bulos (MTOC).
Los microt�bulos se observan por microscop�a de inmunofluoresencia dentro de
las c�lulas, ya que se decoraron con un anticuerpo contra la tubulina. La regi�n
m�s brillante alrededor de los n�cleos corresponde al MTOC, de
donde irradian los microt�bulos a todo el citoplasma.
Entre las prote�nas que estabilizan a los microt�bulos se encuentran las llamadas
MAPs, que son de peso molecular elevado y que est�n formadas por
aproximadamente 2 000 a 3 000 amino�cidos, y las llamadas TAU,
con 400 a 600 amino�cidos. Ambas se asocian a todo lo largo de los microt�bulos
y contienen dos dominios, uno que une a varios d�meros y ayuda a polimerizarlos
y otro que permite que los microt�bulos se unan a otras prote�nas. La estructura
microtubular m�s organizada es tal vez el axonema de cilios y flagelos, en el
cual nueve pares exteriores de microt�bulos se arreglan alrededor de un par
central, todos ellos conectados entre s� por un gran n�mero de prote�nas diversas
que ayudan a que este axonema lleve a cabo el movimiento de deslizamiento que
resulta en el movimiento batiente de los cilios y de l�tigo o tirabuz�n de algunos
flagelos (Figura III.8). En el caso de cilios y flagelos los microt�bulos son
muy estables y no se despolimerizan con facilidad. Cada par exterior tiene asociada
una prote�na con actividad de ATPasa, que se conoce como dinaina,
y que al hidrolizar el ATP genera la energ�a necesaria para permitir
el deslizamiento de los t�bulos y, por consiguiente, de los flagelos o cilios.
Figura III. 8. A) Videomicrograf�a del protozoario par�sito Giardia
con sus dos flagelos en movimiento. B) Representaci�n esquem�tica del axonema
de t�bulos arreglados en nueve pares exteriores y un par central. El movimiento
de los microtubulos causa la flexi�n de los flagelos y esto permite a la c�lula
desplazarse en su medio ambiente.
La polimerizaci�n de los microt�bulos puede inhibirse por temperatura, presi�n, falta de cationes como Ca2+ y Mg2+ y por drogas, como la colchicina, que al interaccionar con los d�meros de tubulina impide que �stos se integren al microt�bulo que esta cr�ciendo en un extremo, causando la despolimerizaci�n del otro extremo. Ya que un microt�bulo est� en un equilibrio din�mico entre d�meros y pol�meros, cualquier factor que interrumpa este equilibrio interferir� con su funcionamiento. Es por esto que la colchicina es un inhibidor de la mitosis, del transporte axonal y de otras funciones que requieren la participaci�n de microt�bulos. La droga llamada taxol act�a en forma contraria a la colchicina, esto es, estabiliza al pol�mero de modo que los microt�bulos no pueden despolimerizarse, con la consecuente inhibici�n del equilibrio din�mico y de los procesos ya mencionados, en los que participan los microt�bulos.
Los filamentos intermedios se forman al ensamblarse cuatro elementos fibrosos,
compuesto cada uno de subunidades correspondientes a un mismo tipo de polip�ptido.
Las cuatro cadenas pueden agruparse en diversas combinaciones, dependiendo de
las prote�nas de esta familia que existan en la c�lula (como se vio en la figura
II.12). Se asocian lateralmente en algunas zonas, dejando espacios libres en
donde las subunidades proteicas adquieren diferentes configuraciones. Los filamentos
intermedios son de longitud variable y posiblemente se extienden hasta el citoplasma
de la c�lula para interaccionar con otras estructuras, como los llamados desmosomas
en las membranas, d�ndoles rigidez y ayudando a su funci�n de mantener a las
c�lulas unidas entre s� (Figura III.9). Generalmente se piensa que tienen una
funci�n mec�nica dentro de las c�lulas, puesto que existen siempre en forma
polimerizada. La presencia de clases espec�ficas de filamentos intermedios,
en diferentes tipos celulares, ha permitido tipificar a una c�lula e identificar
de d�nde proviene, lo cual ha resultado muy �til en los casos de c�nceres en
que el origen de las c�lulas en una met�stasis puede determinarse por el tipo
de prote�nas que constituyen a los filamentos intermedios que contiene, y as�
localizar el punto de origen de la met�stasis.
Figura III. 9. Micrograf�a por inmunofluoresencia de c�lulas en cultivo
que han sido decoradas con un anticuerpo contra filamentos intermedios (en este
caso vimetina). La intrincada red de estos filamentos se extiende por toda la
c�lula hasta su periferia.
Hay tambi�n prote�nas asociadas a filamentos intermedios; dos bien conocidas son la filagrina y la sinemina. Sin embargo, su funci�n espec�fica es poco clara todav�a, ya que los filamentos intermedios son muy estables. En algunas enfermedades, como la de Alzhe�mer, se ha demostrado que las prote�nas de los filamentos intermedios est�n alteradas. La fosforilaci�n de las prote�nas que forman a los filamentos intermedios est� relacionada con algunas de sus funciones, es reversible y se observa cuando las c�lulas cambian de forma o se reestructura un componente celular, como sucede con la envoltura nuclear. No se conocen drogas que los despolimericen, aunque en c�lulas tratadas con colchicina estos filamentos se colapsan sobre el n�cleo sin desensamblarse, por lo que se ha observado que la organizaci�n de los microt�bulos controla la organizaci�n de los filamentos intermedios y entonces la colchicina, al desensamblar los microt�bulos, produce un colapso de la red de filamentos intermedios. Este proceso es reversible y tanto los filamentos como los microt�bulos se reorganizan al quitarse la colchicina. Sin embargo, no se han hallado los cofactores que participan en la reorganizaci�n de filamentos intermedios.
