Ciclosis

El flujo citoplasmático, también llamado flujo protoplásmico o ciclosis, es el flujo del citoplasma dentro de la célula, impulsado por fuerzas del citoesqueleto. Es probable que su función sea, al menos en parte, acelerar el transporte de moléculas y orgánulos alrededor de la célula. Suele observarse en células vegetales y animales de gran tamaño, mayores de aproximadamente 0,1 mm. En las células más pequeñas, la difusión de las moléculas es más rápida, pero la difusión se ralentiza a medida que aumenta el tamaño de la célula, por lo que las células más grandes pueden necesitar flujo citoplasmático para funcionar de manera eficiente.

El género de algas verdes Chara posee algunas células muy grandes, de hasta 10 cm de longitud, y se ha estudiado el flujo citoplasmático en estas células grandes.

El flujo citoplasmático depende en gran medida del pH y la temperatura intracelulares. Se ha observado que el efecto de la temperatura sobre el flujo citoplasmático crea una variación lineal y dependencia a diferentes temperaturas altas en comparación con temperaturas bajas. Este proceso es complicado, ya que las alteraciones de temperatura en el sistema aumentan su eficiencia y otros factores, como el transporte de iones a través de la membrana, se ven afectados simultáneamente. Esto se debe a que la homeostasis de las células depende del transporte activo que puede verse afectado a algunas temperaturas críticas.

En las células vegetales, los cloroplastos pueden moverse con la corriente, posiblemente a una posición de absorción de luz óptima para la fotosíntesis. La velocidad de movimiento generalmente se ve afectada por la exposición a la luz, la temperatura y los niveles de pH.

El pH óptimo en el que el flujo citoplasmático es más alto se logra con un pH neutro y disminuye tanto con un pH alto como bajo.

El flujo de citoplasma puede ser detenido por:

• Adición de solución de yodo de Lugol
• Adición de citocalasina D (disuelta en dimetilsulfóxido)

Mecanismo para el flujo citoplasmático alrededor de una vacuola central

Lo que es claramente visible en las células vegetales que exhiben flujo citoplasmático es el movimiento de los cloroplastos moviéndose con el flujo citoplasmático. Este movimiento es el resultado de que el fluido es arrastrado por las moléculas motoras en movimiento de la célula vegetal. Los filamentos de miosina conectan los orgánulos celulares con los filamentos de actina. Estos filamentos de actina generalmente se unen a los cloroplastos y/o membranas de las células vegetales. A medida que las moléculas de miosina "caminan" a lo largo de los filamentos de actina arrastrando los orgánulos con ellas, el líquido citoplasmático se arrastra y es empujado/tirado. Las tasas de flujo citoplasmático pueden oscilar entre 1 y 100 micras/seg.

Flujo citoplasmático en Chara corallina

Chara corallina exhibe flujo citoplasmático cíclico alrededor de una gran vacuola central. La gran vacuola central es uno de los orgánulos más grandes de una célula vegetal y generalmente se usa para el almacenamiento. En Chara coralina, las células pueden crecer hasta 10 cm de largo y 1 mm de diámetro. El diámetro de la vacuola puede ocupar alrededor del 80% del diámetro de la célula. Por lo tanto, para una célula de 1 mm de diámetro, la vacuola puede tener un diámetro de 0,8 mm, dejando solo un ancho de camino de aproximadamente 0,1 mm alrededor de la vacuola para que fluya el citoplasma. El citoplasma fluye a una velocidad de 100 micrones/seg, el más rápido de todos los fenómenos de flujo citoplasmático conocidos.

Características

El flujo del citoplasma en la célula de Chara corallina es desmentido por el movimiento de los cloroplastos como "barra de barbero". Se observan dos secciones del flujo de cloroplastos con la ayuda de un microscopio. Estas secciones están dispuestas helicoidalmente a lo largo del eje longitudinal de la celda. En una sección, los cloroplastos se mueven hacia arriba a lo largo de una banda de la hélice, mientras que en la otra, los cloroplastos se mueven hacia abajo. El área entre estas secciones se conoce como zonas indiferentes. Los cloroplastos nunca se ven cruzar estas zonas,y como resultado se pensaba que el flujo de líquido citoplasmático y vacuolar estaba restringido de manera similar, pero esto no es cierto. En primer lugar, Kamiya y Kuroda determinaron experimentalmente que la tasa de flujo citoplasmático varía radialmente dentro de la célula, un fenómeno que el movimiento del cloroplasto no representa claramente. En segundo lugar, Raymond Goldstein y otros desarrollaron un modelo de fluido matemático para el flujo citoplasmático que no solo predice el comportamiento observado por Kamiya y Kuroda, sino que también predice las trayectorias del flujo citoplasmático a través de zonas indiferentes. El modelo de Goldstein ignora la membrana vacuolar y simplemente supone que las fuerzas de cizallamiento se trasladan directamente al líquido vacuolar del citoplasma. El modelo de Goldstein predice que hay flujo neto hacia una de las zonas indiferentes de la otra.Esto en realidad es sugerido por el flujo de los cloroplastos. En una zona indiferente, la sección con los cloroplastos moviéndose en un ángulo hacia abajo estará por encima de los cloroplastos moviéndose en un ángulo hacia arriba. Esta sección se conoce como la zona menos diferente (IZ-). Aquí, si cada dirección se divide en componentes en las direcciones theta (horizontal) y z (vertical), la suma de estos componentes se oponen entre sí en la dirección z y divergen de manera similar en la dirección theta. La otra zona indiferente tiene el movimiento del cloroplasto en ángulo hacia arriba en la parte superior y se conoce como zona indiferente positiva (IZ+). Por lo tanto, mientras que los componentes direccionales z se oponen entre sí, los componentes theta ahora convergen.El efecto neto de las fuerzas es que el flujo citoplasmático/vacuolar se mueve desde la zona indiferente negativa a la zona indiferente positiva. Como se indicó, estos componentes direccionales son sugeridos por el movimiento del cloroplasto, pero no son obvios. Además, el efecto de este flujo citoplasmático/vacuolar de una zona indiferente a la otra demuestra que las partículas citoplasmáticas cruzan las zonas indiferentes incluso si los cloroplastos en la superficie no lo hacen. Las partículas, a medida que ascienden en la celda, giran en espiral de manera semicircular cerca de la zona indiferente negativa, cruzan una zona indiferente y terminan cerca de una zona indiferente positiva. Otros experimentos sobre el apoyo de células Characean del modelo de Goldstein para el flujo de fluido vacuolar.Sin embargo, debido a la membrana vacuolar (que se ignoró en el modelo de Goldstein), el flujo citoplasmático sigue un patrón de flujo diferente. Además, experimentos recientes han demostrado que los datos recopilados por Kamiya y Kuroda que sugerían un perfil de velocidad plana en el citoplasma no son del todo precisos. Kikuchi trabajó con células de Nitella flexillis y encontró una relación exponencial entre la velocidad del flujo del fluido y la distancia desde la membrana celular. Aunque este trabajo no es sobre células Characean, los flujos entre Nitella flexillis y Chara coralina son visual y estructuralmente similares.

Beneficios del flujo citoplasmático en Chara corallina y Arabidopsis thaliana

Transporte mejorado de nutrientes y mejor crecimiento.

El modelo de Goldstein predice un transporte mejorado (sobretransporte caracterizado por un flujo citoplasmático estrictamente longitudinal) hacia la cavidad vacuolar debido a las complicadas trayectorias de flujo que surgen de la transmisión citoplasmática. Aunque un gradiente de concentración de nutrientes resultaría de concentraciones y flujos longitudinalmente uniformes, las complicadas trayectorias de flujo predichas producen un gradiente de concentración mayor a través de la membrana vacuolar. Por las leyes de difusión de Fick, se sabe que los gradientes de concentración más grandes conducen a flujos de difusión más grandes. Por lo tanto, las trayectorias de flujo únicas del flujo citoplasmático en Chara coralinaconducir a un mayor transporte de nutrientes por difusión en la vacuola de almacenamiento. Esto permite concentraciones más altas de nutrientes dentro de la vacuola de lo que permitirían los flujos citoplasmáticos estrictamente longitudinales. Goldstein también demostró que cuanto más rápido es el flujo citoplasmático a lo largo de estas trayectorias, mayor es el gradiente de concentración que surge y mayor es el transporte difusivo de nutrientes hacia la vacuola de almacenamiento que se produce. El transporte mejorado de nutrientes hacia la vacuola conduce a diferencias sorprendentes en la tasa de crecimiento y el tamaño de crecimiento general. Se han realizado experimentos en Arabidopsis thaliana. Las versiones de tipo salvaje de esta planta exhiben flujo citoplásmico debido al arrastre de fluido similar a Chara coralina, solo que a velocidades de flujo más lentas.Un experimento elimina la molécula motora de miosina de tipo salvaje de la planta y la reemplaza con una molécula de miosina más rápida que se mueve a lo largo de los filamentos de actina a 16 micrones/seg. En otro conjunto de plantas, la molécula de miosina se reemplaza con la molécula motora de miosina Vb del homo sapiens, que es más lenta. La miosina humana Vb solo se mueve a una velocidad de 0,19 micrones/seg. Las velocidades de flujo citoplasmático resultantes son de 4,3 micras/seg para el tipo salvaje y de 7,5 micras/seg para las plantas implantadas con la proteína miosina de movimiento rápido. Las plantas implantadas con miosina humana Vb no exhiben flujo citoplasmático continuo. A continuación, se permite que las plantas crezcan en condiciones similares. Las tasas citoplasmáticas más rápidas produjeron plantas más grandes con hojas más grandes y abundantes.Esto sugiere que el almacenamiento mejorado de nutrientes demostrado por el modelo de Goldstein permite que las plantas crezcan más y más rápido.

Aumento de la actividad fotosintética en Chara corallina

La fotosíntesis convierte la energía luminosa en energía química en forma de trifosfato de adenosina (ATP). Esto ocurre en los cloroplastos de las células vegetales. Los fotones de luz interactúan con varias proteínas intermembrana del cloroplasto para lograr esto. Sin embargo, estas proteínas pueden saturarse con fotones, haciéndolas incapaces de funcionar hasta que se alivie la saturación. Esto se conoce como efecto Kautsky y es una causa de ineficiencia en el mecanismo de producción de ATP. Sin embargo, la transmisión citoplasmática en Chara corallina permite que los cloroplastos se muevan alrededor del tallo de la planta. Por lo tanto, los cloroplastos se mueven hacia regiones iluminadas y regiones sombreadas. Esta exposición intermitente a los fotones debido a la transmisión citoplasmática en realidad aumenta la eficiencia fotosintética de los cloroplastos.La actividad fotosintética generalmente se evalúa mediante análisis de fluorescencia de clorofila.

Gravisensing en Chara corallina

Gravisensing es la capacidad de sentir la fuerza gravitacional y reaccionar ante ella. Muchas plantas usan gravisensing para dirigir el crecimiento. Por ejemplo, dependiendo de la orientación de la raíz, los amiloplastos se asentarán de manera diferente dentro de una célula vegetal. Estos diferentes patrones de asentamiento hacen que la proteína auxina se distribuya de manera diferente dentro de la planta. Estas diferencias en el patrón de distribución hacen que las raíces crezcan hacia abajo o hacia afuera. En la mayoría de las plantas, la detección de gravedad requiere un esfuerzo multicelular coordinado, pero en Chara corallina, una célula detecta la gravedad y responde a ella. El movimiento del cloroplasto del polo de barbero resultante del flujo citoplasmático tiene un flujo hacia arriba y otro hacia abajo. El movimiento hacia abajo de los cloroplastos se mueve un poco más rápido que el flujo hacia arriba, lo que produce una relación de velocidades de 1,1.Esta relación se conoce como relación polar y depende de la fuerza de la gravedad. Este aumento de velocidad no es un resultado directo de la fuerza de la gravedad, sino un resultado indirecto. La gravedad hace que el protoplasto de la planta se asiente dentro de la pared celular. Por lo tanto, la membrana celular se pone en tensión en la parte superior y en compresión en la parte inferior. Las presiones resultantes sobre la membrana permiten la gravidetección que da como resultado las diferentes velocidades de flujo citoplasmático observadas en Chara coralina. Esta teoría gravitacional de la detección de gravedad se opone directamente a la teoría de los estatolitos exhibida por el asentamiento de los amiloplastos.

Aparición natural de flujo citoplasmático en Chara corallina

La transmisión citoplasmática se produce debido al movimiento de los orgánulos unidos a los filamentos de actina a través de las proteínas motoras de miosina. Sin embargo, en Chara corallina, la organización de los filamentos de actina es muy ordenada. La actina es una molécula polar, lo que significa que la miosina solo se mueve en una dirección a lo largo del filamento de actina. Por lo tanto, en Chara corallina, donde el movimiento de los cloroplastos y la molécula de mioína siguen un patrón de polo de barbero, los filamentos de actina deben estar todos orientados de manera similar dentro de cada sección.En otras palabras, la sección donde los cloroplastos se mueven hacia arriba tendrá todos los filamentos de actina orientados en la misma dirección hacia arriba, y la sección donde los cloroplastos se mueven hacia abajo tendrá todos los filamentos de actina orientados hacia abajo. Esta organización surge naturalmente de unos principios básicos. Con supuestos básicos y realistas sobre el filamento de actina, Woodhouse demostró que es probable la formación de dos conjuntos de orientaciones de filamentos de actina en una célula cilíndrica. Sus suposiciones incluían una fuerza que mantenía el filamento de actina en su lugar una vez colocado, una fuerza de atracción entre los filamentos que hacía más probable que se alinearan como un filamento que ya estaba en su lugar, y una fuerza repulsiva que evitaba la alineación perpendicular a la longitud de la celda cilíndrica.Las dos primeras suposiciones se derivan de las fuerzas moleculares dentro del filamento de actina, mientras que la última suposición se hizo debido a la aversión de la molécula de actina por la curvatura. Las simulaciones por computadora se ejecutan con estos supuestos con parámetros variables para las fuerzas supuestas que casi siempre conducen a organizaciones de actina altamente ordenadas. Sin embargo, ningún orden fue tan organizado y consistente como el patrón de barra de barbero que se encuentra en la naturaleza, lo que sugiere que este mecanismo juega un papel, pero no es totalmente responsable de la organización de los filamentos de actina en Chara corallina.

Flujos citoplasmáticos creados por gradientes de presión.

El flujo citoplasmático en algunas especies es causado por gradientes de presión a lo largo de la longitud de la célula.

En Physarum polycephalum

Physarum polycephalum es un protista unicelular que pertenece a un grupo de organismos denominados informalmente "mohos mucilaginosos". Las investigaciones biológicas sobre las moléculas de miosina y actina en este ameboides han demostrado sorprendentes similitudes físicas y mecánicas con las moléculas de miosina y actina del músculo humano. La contracción y relajación de estas moléculas conduce a gradientes de presión a lo largo de la célula. Estas contracciones fuerzan el fluido citoplasmático en una dirección y contribuyen al crecimiento.Se ha demostrado que mientras que las moléculas son similares a las de los humanos, la molécula que bloquea el sitio de unión de la miosina a la actina es diferente. Mientras que, en los humanos, la tropomiosina cubre el sitio y solo permite la contracción cuando hay iones de calcio presentes, en este ameboides, una molécula diferente conocida como calmodulina bloquea el sitio, lo que permite la relajación en presencia de niveles altos de iones de calcio.

En Neurospora crasa

Neurospora crassa es un hongo multicelular con muchas hifas disparadas. Las células pueden tener hasta 10 cm de largo y están separadas por un pequeño tabique. Pequeños orificios en el tabique permiten que el citoplasma y el contenido citoplasmático fluyan de una célula a otra. Los gradientes de presión osmótica ocurren a lo largo de la célula para impulsar este flujo citoplasmático. Los flujos contribuyen al crecimiento y la formación de subcompartimentos celulares.

Contribución al crecimiento

Los flujos citoplasmáticos creados a través de gradientes de presión osmótica fluyen longitudinalmente a lo largo de las hifas fúngicas y chocan contra el extremo provocando el crecimiento. Se ha demostrado que la mayor presión en la punta de la hifa corresponde a tasas de crecimiento más rápidas. Las hifas más largas tienen mayores diferencias de presión a lo largo de su longitud, lo que permite velocidades de flujo citoplasmático más rápidas y presiones más grandes en la punta de la hifa. Esta es la razón por la cual las hifas más largas crecen más rápido que las más cortas. El crecimiento de la punta aumenta a medida que aumenta la tasa de flujo citoplasmático durante un período de 24 horas hasta que se observa una tasa máxima de crecimiento de 1 micrón/segundo. Los brotes de las hifas principales son más cortos y tienen tasas de flujo citoplasmático más lentas y, en consecuencia, tasas de crecimiento más lentas.

Formación de subcompartimentos celulares

El flujo citoplasmático en Neurospora crassa lleva microtúbulos. La presencia de microtúbulos crea aspectos interesantes para el flujo. Modelar las células fúngicas como una tubería separada en puntos regulares con un tabique con un orificio en el centro debería producir un flujo muy simétrico. La mecánica de fluidos básica sugiere que los remolinos deberían formarse tanto antes como después de cada tabique. Sin embargo, los remolinos solo se forman antes del tabique en Neurospora crassa. Esto se debe a que cuando los microtúbulos ingresan al orificio septal, se disponen paralelos al flujo y contribuyen muy poco a las características del flujo; sin embargo, cuando salen del orificio septal, se orientan perpendiculares al flujo, lo que ralentiza la aceleración y evita la formación de remolinos.Los remolinos formados justo antes del tabique permiten la formación de subcompartimentos donde se agregan núcleos manchados con proteínas especiales. Estas proteínas, una de las cuales se llama SPA-19, contribuyen al mantenimiento del tabique. Sin él, el tabique se degradaría y la célula filtraría grandes cantidades de citoplasma a la célula vecina, lo que provocaría la muerte celular.

En ovocitos de ratón

En muchas células animales, los centriolos y los husos mantienen los núcleos centrados dentro de una célula para los procesos mitóticos, meióticos y de otro tipo. Sin tal mecanismo de centrado, la enfermedad y la muerte pueden resultar. Si bien los ovocitos de ratón tienen centriolos, no juegan ningún papel en el posicionamiento del núcleo; sin embargo, el núcleo del ovocito mantiene una posición central. Este es el resultado de la transmisión citoplasmática. Los microfilamentos, independientes de los microtúbulos y la miosina 2, forman una red de malla en toda la célula. Se ha demostrado que los núcleos, colocados en ubicaciones de células no centradas, migran distancias superiores a 25 micras hacia el centro de la célula. Harán esto sin desviarse del curso por más de 6 micrones cuando la red esté presente. Esta red de microfilamentos tiene orgánulos unidos por la molécula de miosina Vb.El líquido citoplasmático es arrastrado por el movimiento de estos orgánulos, sin embargo, ningún patrón de direccionalidad está asociado con el movimiento del citoplasma. De hecho, se ha demostrado que el movimiento cumple con las características del movimiento browniano. Por esta razón, existe cierto debate sobre si esto debería llamarse flujo citoplasmático. No obstante, el movimiento direccional de los orgánulos resulta de esta situación. Dado que el citoplasma llena la célula, se organiza geométricamente en forma de esfera. A medida que aumenta el radio de una esfera, aumenta el área de la superficie. Además, el movimiento en cualquier dirección dada es proporcional al área de la superficie. Entonces, pensando en la celda como una serie de esferas concéntricas, está claro que las esferas con radios más grandes producen una mayor cantidad de movimiento que las esferas con radios más pequeños. Por lo tanto, el movimiento hacia el centro es mayor que el movimiento que se aleja del centro, y existe un movimiento neto que empuja al núcleo hacia una ubicación celular central. En otras palabras, el movimiento aleatorio de las partículas citoplasmáticas crea una fuerza neta hacia el centro de la célula.Además, el mayor movimiento con el citoplasma reduce la viscosidad citoplasmática, lo que permite que el núcleo se mueva más fácilmente dentro de la célula. Estos dos factores del flujo citoplasmático centran el núcleo en la célula del ovocito.