Microtúbulo

Los microtúbulos son polímeros de tubulina que forman parte del citoesqueleto y proporcionan estructura y forma a las células eucariotas. Los microtúbulos pueden crecer hasta 50 micrómetros y son muy dinámicos. El diámetro exterior de un microtúbulo está entre 23 y 27 nm, mientras que el diámetro interior está entre 11 y 15 nm. Se forman por la polimerización de un dímero de dos proteínas globulares, alfa y beta tubulina en protofilamentos que luego pueden asociarse lateralmente para formar un tubo hueco, el microtúbulo. La forma más común de un microtúbulo consta de 13 protofilamentos en disposición tubular.

Los microtúbulos tienen un papel muy importante en una serie de procesos celulares. Participan en el mantenimiento de la estructura de la célula y, junto con los microfilamentos y los filamentos intermedios, forman el citoesqueleto. También forman la estructura interna de cilios y flagelos. Proporcionan plataformas para el transporte intracelular y participan en una variedad de procesos celulares, incluido el movimiento de vesículas secretoras, orgánulos y ensamblajes macromoleculares intracelulares. También participan en la división celular (mediante mitosis y meiosis) y son los principales componentes de los husos mitóticos, que se utilizan para separar los cromosomas eucariotas.

Los microtúbulos están nucleados y organizados por centros organizadores de microtúbulos, como el centrosoma que se encuentra en el centro de muchas células animales o los cuerpos basales de los cilios y flagelos, o los cuerpos polares del huso que se encuentran en la mayoría de los hongos.

Hay muchas proteínas que se unen a los microtúbulos, incluidas las proteínas motoras dineína y quinesina, proteínas que cortan los microtúbulos como la katanina y otras proteínas importantes para regular la dinámica de los microtúbulos. Recientemente, se ha encontrado una proteína similar a la actina en la bacteria grampositiva Bacillus thuringiensis, que forma una estructura similar a un microtúbulo llamada nanotúbulo, involucrada en la segregación de plásmidos. Otros microtúbulos bacterianos tienen un anillo de cinco protofilamentos.

Historia

Los primeros microscopistas, como Leeuwenhoek (1677), observaron procesos mediados por tubulina y microtúbulos, como la locomoción celular. Sin embargo, la naturaleza fibrosa de los flagelos y otras estructuras se descubrió dos siglos después, con microscopios ópticos mejorados, y se confirmó en el siglo XX con el microscopio electrónico y estudios bioquímicos.

Los ensayos in vitro para proteínas motoras de microtúbulos, como la dineína y la quinesina, se investigan marcando con fluorescencia un microtúbulo y fijando el microtúbulo o las proteínas motoras en un portaobjetos de microscopio, y luego visualizando el portaobjetos con microscopía mejorada con video para registrar el viaje de las proteínas motoras. Esto permite el movimiento de las proteínas motoras a lo largo del microtúbulo o el microtúbulo moviéndose a través de las proteínas motoras. En consecuencia, algunos procesos de microtúbulos pueden determinarse mediante kymograph.

Estructura

En los eucariotas, los microtúbulos son cilindros largos y huecos formados por dímeros de tubulina α y β polimerizados. El espacio interior de los cilindros de microtúbulos huecos se denomina lumen. Las subunidades de tubulina α y β son casi idénticas en un 50 % a nivel de aminoácidos, y ambas tienen un peso molecular de aproximadamente 50 kDa.

Estos dímeros de α/β-tubulina se polimerizan de extremo a extremo en protofilamentos lineales que se asocian lateralmente para formar un solo microtúbulo, que luego puede extenderse mediante la adición de más dímeros de α/β-tubulina. Normalmente, los microtúbulos están formados por la asociación paralela de trece protofilamentos, aunque se han observado microtúbulos compuestos por menos o más protofilamentos en varias especies, así como in vitro.

Los microtúbulos tienen una polaridad distinta que es crítica para su función biológica. La tubulina polimeriza de extremo a extremo, con las subunidades β de un dímero de tubulina en contacto con las subunidades α del siguiente dímero. Por lo tanto, en un protofilamento, un extremo tendrá expuestas las subunidades α mientras que el otro extremo tendrá expuestas las subunidades β. Estos extremos se designan como los extremos (-) y (+), respectivamente. Los protofilamentos se agrupan paralelos entre sí con la misma polaridad, por lo que, en un microtúbulo, hay un extremo, el extremo (+), con solo las subunidades β expuestas, mientras que el otro extremo, el extremo (-), tiene solo α -subunidades expuestas. Si bien la elongación de los microtúbulos puede ocurrir en los extremos (+) y (-), es significativamente más rápida en el extremo (+).

La asociación lateral de los protofilamentos genera una estructura pseudo-helicoidal, con una vuelta de la hélice que contiene 13 dímeros de tubulina, cada uno de un protofilamento diferente. En la arquitectura "13-3" más común, el dímero de tubulina número 13 interactúa con el siguiente dímero de tubulina con un desplazamiento vertical de 3 monómeros de tubulina debido a la helicidad del giro. Hay otras arquitecturas alternativas, como 11-3, 12-3, 14-3, 15-4 o 16-4, que se han detectado con una incidencia mucho menor. Los microtúbulos también pueden transformarse en otras formas, como los filamentos helicoidales, que se observan en organismos protistas como los foraminíferos.Hay dos tipos distintos de interacciones que pueden ocurrir entre las subunidades de los protofilamentos laterales dentro de los microtúbulos llamados redes tipo A y tipo B. En la red de tipo A, las asociaciones laterales de protofilamentos ocurren entre subunidades de tubulina α y β adyacentes (es decir, una subunidad de tubulina α de un protofilamento interactúa con una subunidad de tubulina β de un protofilamento adyacente). En la red de tipo B, las subunidades de tubulina α y β de un protofilamento interactúan con las subunidades de tubulina α y β de un protofilamento adyacente, respectivamente. Los estudios experimentales han demostrado que la red de tipo B es la disposición principal dentro de los microtúbulos. Sin embargo, en la mayoría de los microtúbulos hay una costura en la que interactúan las subunidades de tubulina α-β.

La secuencia y composición exacta de las moléculas durante la formación de los microtúbulos se puede resumir así: una β-tubulina se conecta en el contexto de un enlace covalente inexistente con una α-tubulina, que en forma conectada son un heterodímero, ya que consisten en dos polipéptidos diferentes (β-tubulina y α-tubulina). Entonces, después de que se forman los heterodímeros, se unen para formar largas cadenas que se elevan figurativamente en una dirección (por ejemplo, hacia arriba). Estos heterodímeros, que están conectados en una determinada dirección, forman protofilamentos. Estas largas cadenas (protofilamentos) ahora se acumulan gradualmente una al lado de la otra de modo que se forma una estructura similar a un tubo, que tiene un lumen típico de un tubo. En consecuencia, la mayoría de los 13 protofilamentos forman la pared exterior de los microtúbulos. También es importante señalar que los heterodímeros constan de un extremo positivo y otro negativo, con alfa-tubulina formando el extremo negativo y beta-tubulina el extremo positivo. Debido al hecho de que los heterodímeros se apilan unos encima de otros, siempre hay un extremo negativo y uno positivo. Los microtúbulos crecen mediante la adición de heterodímeros en el extremo positivo.

Algunas especies de Prosthecobacter también contienen microtúbulos. La estructura de estos microtúbulos bacterianos es similar a la de los microtúbulos eucariotas, que consisten en un tubo hueco de protofilamentos ensamblados a partir de heterodímeros de tubulina A bacteriana (BtubA) y tubulina B bacteriana (BtubB). Tanto BtubA como BtubB comparten características de tubulina α y β. A diferencia de los microtúbulos eucarióticos, los microtúbulos bacterianos no requieren chaperonas para plegarse. En contraste con los 13 protofilamentos de los microtúbulos eucarióticos, los microtúbulos bacterianos comprenden solo cinco.

Organización intracelular

Los microtúbulos son parte del citoesqueleto, una red estructural dentro del citoplasma de la célula. Las funciones del citoesqueleto de microtúbulos incluyen soporte mecánico, organización del citoplasma, transporte, motilidad y segregación cromosómica. En las neuronas en desarrollo, los microtúbulos se conocen como neurotúbulos y pueden modular la dinámica de la actina, otro componente del citoesqueleto. Un microtúbulo es capaz de crecer y encogerse para generar fuerza, y existen proteínas motoras que permiten que los orgánulos y otros componentes celulares se transporten a lo largo de un microtúbulo. Esta combinación de funciones hace que los microtúbulos sean importantes para organizar y mover los constituyentes intracelulares.

La organización de los microtúbulos en la célula es específica del tipo de célula. En los epitelios, los extremos negativos del polímero de microtúbulos están anclados cerca del sitio de contacto célula-célula y se organizan a lo largo del eje apical-basal. Después de la nucleación, los extremos negativos se liberan y luego se vuelven a fijar en la periferia mediante factores como ninein y PLEKHA7. De esta manera, pueden facilitar el transporte de proteínas, vesículas y orgánulos a lo largo del eje apical-basal de la célula. En los fibroblastos y otros tipos de células mesenquimales, los microtúbulos están anclados en el centrosoma e irradian con sus extremos positivos hacia la periferia celular (como se muestra en la primera figura). En estas células, los microtúbulos juegan un papel importante en la migración celular. Además, las proteínas motoras actúan sobre la polaridad de los microtúbulos, que organizan muchos componentes de la célula, incluidos el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi.

Polimerización de microtúbulos

Nucleación

La nucleación es el evento que inicia la formación de microtúbulos a partir del dímero de tubulina. Los microtúbulos normalmente están nucleados y organizados por orgánulos llamados centros organizadores de microtúbulos (MTOC). Dentro del MTOC se encuentra otro tipo de tubulina, la tubulina γ, que es distinta de las subunidades α y β de los propios microtúbulos. La γ-tubulina se combina con varias otras proteínas asociadas para formar una estructura similar a una arandela de seguridad conocida como "complejo de anillo de γ-tubulina" (γ-TuRC). Este complejo actúa como molde para que los dímeros de tubulina α/β comiencen la polimerización; actúa como una tapa del extremo (-) mientras que el crecimiento de los microtúbulos continúa alejándose del MTOC en la dirección (+).

El centrosoma es el MTOC principal de la mayoría de los tipos de células. Sin embargo, los microtúbulos también pueden nuclearse desde otros sitios. Por ejemplo, los cilios y los flagelos tienen MTOC en su base denominados cuerpos basales. Además, el trabajo del grupo Kaverina en Vanderbilt, así como otros, sugiere que el aparato de Golgi puede servir como una plataforma importante para la nucleación de microtúbulos. Debido a que la nucleación del centrosoma es inherentemente simétrica, la nucleación de microtúbulos asociada a Golgi puede permitir que la célula establezca asimetría en la red de microtúbulos. En estudios recientes, el grupo Vale de la UCSF identificó el complejo proteico augmin como un factor crítico para la generación de microtúbulos basados ​​en el huso y dependientes del centrosoma. Se ha demostrado que interactúa con γ-TuRC y aumenta la densidad de microtúbulos alrededor del origen del huso mitótico.

Algunos tipos de células, como las células vegetales, no contienen MTOC bien definidos. En estas células, los microtúbulos se nuclean desde sitios discretos en el citoplasma. Otros tipos de células, como los parásitos tripanosomátidos, tienen un MTOC pero se encuentran de forma permanente en la base de un flagelo. Aquí, la nucleación de microtúbulos para funciones estructurales y para la generación del huso mitótico no proviene de un MTOC canónico similar a un centríolo.

Polimerización

Después del evento de nucleación inicial, se deben agregar monómeros de tubulina al polímero en crecimiento. El proceso de agregar o eliminar monómeros depende de la concentración de dímeros de αβ-tubulina en solución en relación con la concentración crítica, que es la concentración de dímeros en estado estacionario en la que ya no hay ningún ensamblaje o desensamblaje neto al final del microtúbulo.. Si la concentración de dímero es mayor que la concentración crítica, el microtúbulo polimerizará y crecerá. Si la concentración es menor que la concentración crítica, la longitud de los microtúbulos disminuirá.

Dinámica de microtúbulos

Inestabilidad dinámica

La inestabilidad dinámica se refiere a la coexistencia de ensamblaje y desensamblaje en los extremos de un microtúbulo. El microtúbulo puede cambiar dinámicamente entre las fases de crecimiento y contracción en esta región. Los dímeros de tubulina pueden unirse a dos moléculas de GTP, una de las cuales puede hidrolizarse después del ensamblaje. Durante la polimerización, los dímeros de tubulina se encuentran en estado unido a GTP. El GTP unido a la α-tubulina es estable y desempeña una función estructural en este estado unido. Sin embargo, el GTP unido a la β-tubulina puede hidrolizarse a GDP poco después del ensamblaje. Las propiedades de ensamblaje de la GDP-tubulina son diferentes de las de la GTP-tubulina, ya que la GDP-tubulina es más propensa a la despolimerización.Una subunidad de tubulina unida a GDP en la punta de un microtúbulo tenderá a desprenderse, aunque una tubulina unida a GDP en el medio de un microtúbulo no puede salirse espontáneamente del polímero. Dado que la tubulina se agrega al final del microtúbulo en el estado unido a GTP, se propone que exista una tapa de tubulina unida a GTP en la punta del microtúbulo, protegiéndolo del desmontaje. Cuando la hidrólisis alcanza la punta del microtúbulo, comienza una rápida despolimerización y contracción. Este cambio de crecimiento a contracción se llama catástrofe. La tubulina unida a GTP puede comenzar a agregarse nuevamente a la punta del microtúbulo, proporcionando una nueva tapa y protegiendo al microtúbulo para que no se encoja. Esto se conoce como "rescate".

Modelo de "búsqueda y captura"

En 1986, Marc Kirschner y Tim Mitchison propusieron que los microtúbulos utilizan sus propiedades dinámicas de crecimiento y contracción en sus extremos positivos para sondear el espacio tridimensional de la célula. Los extremos positivos que encuentran cinetocoros o sitios de polaridad quedan capturados y ya no muestran crecimiento ni contracción. A diferencia de los microtúbulos dinámicos normales, que tienen una vida media de 5 a 10 minutos, los microtúbulos capturados pueden durar horas. Esta idea se conoce comúnmente como el modelo de "búsqueda y captura". De hecho, el trabajo desde entonces ha validado en gran medida esta idea. En el cinetocoro, se ha demostrado que una variedad de complejos capturan los extremos (+) de los microtúbulos. Además, también se ha descrito una actividad de protección del extremo (+) para los microtúbulos en interfase. Esta última actividad está mediada por forminas,la proteína de la poliposis coli adenomatosa y EB1, una proteína que se desplaza a lo largo de los extremos positivos en crecimiento de los microtúbulos.

Regulación de la dinámica de los microtúbulos

Modificaciones postraduccionales

Aunque la mayoría de los microtúbulos tienen una vida media de 5 a 10 minutos, algunos microtúbulos pueden permanecer estables durante horas. Estos microtúbulos estabilizados acumulan modificaciones postraduccionales en sus subunidades de tubulina por la acción de enzimas unidas a microtúbulos.Sin embargo, una vez que los microtúbulos se despolimerizan, la mayoría de estas modificaciones son rápidamente revertidas por enzimas solubles. Dado que la mayoría de las reacciones de modificación son lentas mientras que sus reacciones inversas son rápidas, la tubulina modificada solo se detecta en microtúbulos estables de larga duración. La mayoría de estas modificaciones ocurren en la región C-terminal de la tubulina alfa. Esta región, rica en glutamato cargado negativamente, forma colas relativamente desestructuradas que sobresalen de los microtúbulos y forman contactos con motores. Por lo tanto, se cree que las modificaciones de la tubulina regulan la interacción de los motores con los microtúbulos. Dado que estos microtúbulos modificados estables suelen estar orientados hacia el sitio de la polaridad celular en las células en interfase, este subconjunto de microtúbulos modificados proporciona una ruta especializada que ayuda a llevar las vesículas a estas zonas polarizadas.

• Destirosinación: la eliminación de la tirosina C-terminal de la tubulina alfa. Esta reacción expone un glutamato en el nuevo C-terminal. Como resultado, los microtúbulos que acumulan esta modificación a menudo se denominan microtúbulos Glu. Aunque todavía no se ha identificado la tubulina carboxipeptidasa, se conoce la tubulina-tirosina ligasa (TTL).
• Delta2: la eliminación de los dos últimos residuos del extremo C-terminal de alfa-tubulina. A diferencia de la destirosinación, se cree que esta reacción es irreversible y solo se ha documentado en neuronas.
• Acetilación: la adición de un grupo acetilo a la lisina 40 de la alfa-tubulina. Esta modificación ocurre en una lisina a la que solo se puede acceder desde el interior de los microtúbulos, y no está claro cómo acceden las enzimas al residuo de lisina. La naturaleza de la tubulina acetiltransferasa sigue siendo controvertida, pero se ha descubierto que en los mamíferos la principal acetiltransferasa es ATAT1. sin embargo, se sabe que la reacción inversa es catalizada por HDAC6.
• Poliglutamilación: la adición de un polímero de glutamato (típicamente de 4 a 6 residuos de largo) al grupo gamma-carboxilo de cualquiera de los cinco glutamatos que se encuentran cerca del final de la alfa-tubulina. Las enzimas relacionadas con TTL añaden el glutamato de ramificación inicial (TTL4,5 y 7), mientras que otras enzimas que pertenecen a la misma familia alargan la cadena de poliglutamato (TTL6,11 y 13).
• Poliglicilación: la adición de un polímero de glicina (de 2 a 10 residuos de largo) al grupo gamma-carboxilo de cualquiera de los cinco glutamatos que se encuentran cerca del final de la beta-tubulina. TTL3 y 8 agregan la glicina de ramificación inicial, mientras que TTL10 alarga la cadena de poliglicina.

También se sabe que la tubulina está fosforilada, ubiquitinada, sumoilada y palmitoilada.

Fármacos que se unen a la tubulina y efectos químicos.

Una amplia variedad de fármacos pueden unirse a la tubulina y modificar sus propiedades de ensamblaje. Estos fármacos pueden tener un efecto a concentraciones intracelulares mucho más bajas que la tubulina. Esta interferencia con la dinámica de los microtúbulos puede tener el efecto de detener el ciclo celular de una célula y puede conducir a la muerte celular programada o apoptosis. Sin embargo, hay datos que sugieren que la interferencia de la dinámica de los microtúbulos es insuficiente para bloquear las células en mitosis. Estos estudios han demostrado que la supresión de la dinámica se produce a concentraciones inferiores a las necesarias para bloquear la mitosis. Se ha demostrado que la supresión de la dinámica de los microtúbulos por mutaciones de tubulina o por tratamiento farmacológico inhibe la migración celular. Tanto los estabilizadores como los desestabilizadores de microtúbulos pueden suprimir la dinámica de los microtúbulos.

Los medicamentos que pueden alterar la dinámica de los microtúbulos incluyen:

• La clase de fármacos taxanos que combaten el cáncer (paclitaxel (taxol) y docetaxel) bloquean la inestabilidad dinámica al estabilizar la tubulina unida al GDP en los microtúbulos. Por tanto, incluso cuando la hidrólisis de GTP alcanza la punta del microtúbulo, no hay despolimerización y el microtúbulo no se contrae.

Los taxanos (solos o en combinación con derivados del platino (carboplatino) o gemcitabina) se utilizan contra tumores malignos de mama y ginecológicos, carcinomas de células escamosas (cánceres de cabeza y cuello, algunos cánceres de pulmón), etc.

• Los epotilones, por ejemplo, Ixabepilone, funcionan de manera similar a los taxanos.
• La vinorelbina, el nocodazol, la vincristina y la colchicina tienen el efecto contrario, bloqueando la polimerización de la tubulina en microtúbulos.
• La eribulina se une al extremo de crecimiento (+) de los microtúbulos. La eribulina ejerce sus efectos anticancerígenos al desencadenar la apoptosis de las células cancerosas luego de un bloqueo mitótico prolongado e irreversible.

Se ha informado que la expresión de β3-tubulina altera las respuestas celulares a la supresión inducida por fármacos de la dinámica de los microtúbulos. En general, la dinámica normalmente se suprime por concentraciones bajas y subtóxicas de fármacos microtúbulos que también inhiben la migración celular. Sin embargo, la incorporación de β3-tubulina en los microtúbulos aumenta la concentración de fármaco que se necesita para suprimir la dinámica e inhibir la migración celular. Por lo tanto, los tumores que expresan β3-tubulina no solo son resistentes a los efectos citotóxicos de los fármacos dirigidos contra los microtúbulos, sino también a su capacidad para suprimir la metástasis tumoral. Además, la expresión de β3-tubulina también contrarresta la capacidad de estos fármacos para inhibir la angiogénesis, que normalmente es otra faceta importante de su acción.

Los polímeros de microtúbulos son extremadamente sensibles a diversos efectos ambientales. Los niveles muy bajos de calcio libre pueden desestabilizar los microtúbulos y esto impidió que los primeros investigadores estudiaran el polímero in vitro. Las bajas temperaturas también provocan una rápida despolimerización de los microtúbulos. Por el contrario, el agua pesada promueve la estabilidad del polímero de los microtúbulos.

Proteínas que interactúan con los microtúbulos

Proteínas asociadas a microtúbulos (MAP)

Se ha demostrado que los MAP desempeñan un papel crucial en la regulación de la dinámica de los microtúbulos in vivo. Las tasas de polimerización, despolimerización y catástrofe de los microtúbulos varían según las proteínas asociadas a los microtúbulos (MAP) que estén presentes. Los MAP identificados originalmente del tejido cerebral se pueden clasificar en dos grupos en función de su peso molecular. Esta primera clase comprende MAP con un peso molecular por debajo de 55-62 kDa, y se denominan proteínas τ (tau). Se ha demostrado que las proteínas tau in vitro se unen directamente a los microtúbulos, promueven la nucleación y previenen el desensamblaje, e inducen la formación de matrices paralelas. Además, también se ha demostrado que las proteínas tau estabilizan los microtúbulos en los axones y se han implicado en la enfermedad de Alzheimer. La segunda clase está compuesta por MAP con un peso molecular de 200-1000 kDa, de los cuales hay cuatro tipos conocidos: MAP-1, MAP-2, MAP-3 y MAP-4. Las proteínas MAP-1 consisten en un conjunto de tres proteínas diferentes: A, B y C. La proteína C juega un papel importante en el transporte retrógrado de vesículas y también se conoce como dineína citoplasmática. Las proteínas MAP-2 se encuentran en las dendritas y en el cuerpo de las neuronas, donde se unen con otros filamentos del citoesqueleto. Las proteínas MAP-4 se encuentran en la mayoría de las células y estabilizan los microtúbulos. Además de los MAP que tienen un efecto estabilizador sobre la estructura de los microtúbulos, otros MAP pueden tener un efecto desestabilizador ya sea por escisión o por inducción de la despolimerización de los microtúbulos. Tres proteínas llamadas katanina, espastina, y se ha observado que fidgetin regula el número y la longitud de los microtúbulos a través de sus actividades desestabilizadoras. Además, se predice que KIAA1211L se localizará en los microtúbulos.

Proteínas de seguimiento de extremo positivo (+TIP)

Además, las proteínas de seguimiento de extremos son proteínas MAP que se unen a las puntas de los microtúbulos en crecimiento y desempeñan un papel importante en la regulación de la dinámica de los microtúbulos. Por ejemplo, se ha observado que los +TIP participan en las interacciones de los microtúbulos con los cromosomas durante la mitosis. El primer MAP que se identificó como un +TIP fue CLIP170 (proteína enlazadora citoplasmática), que se ha demostrado que desempeña un papel en los eventos de rescate de la despolimerización de los microtúbulos. Ejemplos adicionales de +TIP incluyen EB1, EB2, EB3, p150Glued, Dynamitin, Lis1, CLIP115, CLASP1 y CLASP2.

Proteínas motoras

Los microtúbulos pueden actuar como sustratos para las proteínas motoras que están implicadas en importantes funciones celulares, como el tráfico de vesículas y la división celular. A diferencia de otras proteínas asociadas a microtúbulos, las proteínas motoras utilizan la energía de la hidrólisis de ATP para generar trabajo mecánico que mueve la proteína a lo largo del sustrato. Las principales proteínas motoras que interactúan con los microtúbulos son la cinesina, que por lo general se mueve hacia el extremo (+) del microtúbulo, y la dineína, que se mueve hacia el extremo (-).

• La dineína se compone de dos cadenas pesadas idénticas, que forman dos grandes dominios de cabeza globular y un número variable de cadenas intermedias y ligeras. El transporte mediado por dineína tiene lugar desde el extremo (+) hacia el extremo (-) del microtúbulo. La hidrólisis de ATP se produce en los dominios de la cabeza globular, que comparten similitudes con la familia de proteínas AAA+ (ATPasa asociada a diversas actividades celulares). La hidrólisis de ATP en estos dominios está acoplada al movimiento a lo largo de los microtúbulos a través de los dominios de unión a microtúbulos. La dineína transporta vesículas y orgánulos por todo el citoplasma. Para hacer esto, las moléculas de dineína se unen a las membranas de los orgánulos a través de un complejo de proteínas que contiene una serie de elementos, incluida la dinactina.
• Kinesin tiene una estructura similar a la dineína. La cinesina participa en el transporte de una variedad de cargas intracelulares, incluidas vesículas, orgánulos, complejos de proteínas y ARNm hacia el extremo (+) de los microtúbulos.

Algunos virus (incluidos los retrovirus, los herpesvirus, los parvovirus y los adenovirus) que requieren acceso al núcleo para replicar sus genomas se adhieren a las proteínas motoras.

Mitosis

Centrosomas

El centrosoma es el principal MTOC (centro organizador de microtúbulos) de la célula durante la mitosis. Cada centrosoma está formado por dos cilindros llamados centriolos, orientados en ángulo recto entre sí. El centríolo está formado por 9 microtúbulos principales, cada uno con dos microtúbulos parciales unidos a él. Cada centriolo tiene aproximadamente 400 nm de largo y alrededor de 200 nm de circunferencia.

El centrosoma es fundamental para la mitosis ya que la mayoría de los microtúbulos involucrados en el proceso se originan en el centrosoma. Los extremos negativos de cada microtúbulo comienzan en el centrosoma, mientras que los extremos positivos se irradian en todas las direcciones. Por lo tanto, el centrosoma también es importante para mantener la polaridad de los microtúbulos durante la mitosis.

La mayoría de las células solo tienen un centrosoma durante la mayor parte de su ciclo celular, sin embargo, justo antes de la mitosis, el centrosoma se duplica y la célula contiene dos centrosomas. Algunos de los microtúbulos que irradian del centrosoma crecen directamente alejándose del centrosoma hermano. Estos microtúbulos se denominan microtúbulos astrales. Con la ayuda de estos microtúbulos astrales, los centrosomas se alejan unos de otros hacia lados opuestos de la célula. Una vez allí, pueden comenzar a formarse otros tipos de microtúbulos necesarios para la mitosis, incluidos los microtúbulos interpolares y las fibras K.

Una última nota importante sobre los centrosomas y los microtúbulos durante la mitosis es que, si bien el centrosoma es el MTOC de los microtúbulos necesarios para la mitosis, la investigación ha demostrado que una vez que se forman los microtúbulos y están en el lugar correcto, los centrosomas no son necesarios para que la mitosis se desarrolle. ocurrir.

Subclases de microtúbulos

Los microtúbulos astrales son una subclase de microtúbulos que solo existen durante y alrededor de la mitosis. Se originan en el centrosoma, pero no interactúan con los cromosomas, los cinetocoros ni con los microtúbulos que se originan en el otro centrosoma.En cambio, sus microtúbulos irradian hacia la membrana celular. Una vez allí, interactúan con proteínas motoras específicas que crean una fuerza que tira de los microtúbulos y, por lo tanto, de todo el centrosoma hacia la membrana celular. Como se indicó anteriormente, esto ayuda a los centrosomas a orientarse entre sí en la célula. Sin embargo, estos microtúbulos astrales no interactúan con el propio huso mitótico. Los experimentos han demostrado que sin estos microtúbulos astrales, se puede formar el huso mitótico, sin embargo, su orientación en la célula no siempre es correcta y, por lo tanto, la mitosis no se produce con tanta eficacia. Otra función clave de los microtúbulos astrales es ayudar en la citocinesis. Los microtúbulos astrales interactúan con las proteínas motoras en la membrana celular para separar el huso y toda la célula una vez que los cromosomas se han replicado.

Los microtúbulos interpolares/polares son una clase de microtúbulos que también se irradian desde el centrosoma durante la mitosis. Estos microtúbulos irradian hacia el huso mitótico, a diferencia de los microtúbulos astrales. Los microtúbulos interpolares son la subclase de microtúbulos más abundante y dinámica durante la mitosis. Alrededor del 95 por ciento de los microtúbulos en el huso mitótico se pueden caracterizar como interpolares. Además, la vida media de estos microtúbulos es extremadamente corta, ya que es inferior a un minuto. Los microtúbulos interpolares que no se adhieren a los cinetocoros pueden ayudar en la congregación cromosómica a través de la interacción lateral con los cinetocoros.

Las fibras K/microtúbulos cinetocóricos son la tercera subclase importante de microtúbulos mitóticos. Estos microtúbulos forman conexiones directas con los cinetocoros en el huso mitótico. Cada fibra K está compuesta por 20 a 40 microtúbulos paralelos, formando un tubo resistente que se une por un extremo al centrosoma y por el otro al cinetocoro, ubicado en el centro de cada cromosoma. Dado que cada centrosoma tiene una fibra K que se conecta a cada par de cromosomas, los cromosomas quedan atados en el centro del huso mitótico por las fibras K. Las fibras K tienen una vida media mucho más larga que los microtúbulos interpolares, entre 4 y 8 minutos.Durante el final de la mitosis, los microtúbulos que forman cada fibra K comienzan a disociarse, provocando un cortocircuito en las fibras K. A medida que las fibras K se acortan, el par de cromosomas se separa justo antes de la citocinesis. Anteriormente, algunos investigadores creían que las fibras K se formaban en su extremo negativo que se originaba en el centrosoma al igual que otros microtúbulos, sin embargo, una nueva investigación ha apuntado a un mecanismo diferente. En este nuevo mecanismo, las fibras K se estabilizan inicialmente en su extremo positivo por los cinetocoros y crecen desde allí. El extremo negativo de estas fibras K finalmente se conecta a un microtúbulo interpolar existente y finalmente se conecta al centrosoma de esta manera.

Microtúbulo nuclear en el huso mitótico

La mayoría de los microtúbulos que forman el huso mitótico se originan en el centrosoma. Originalmente, se pensaba que todos estos microtúbulos se originaban en el centrosoma a través de un método llamado búsqueda y captura, descrito con más detalle en una sección anterior; sin embargo, una nueva investigación ha demostrado que existen medios adicionales de nucleación de microtúbulos durante la mitosis. Uno de los más importantes de estos medios adicionales de nucleación de microtúbulos es la vía RAN-GTP. RAN-GTP se asocia con la cromatina durante la mitosis para crear un gradiente que permite la nucleación local de microtúbulos cerca de los cromosomas. Además, una segunda vía conocida como complejo augmin/HAUS (algunos organismos usan el complejo augmin más estudiado,

Funciones

Migración celular

Los extremos positivos de los microtúbulos a menudo se localizan en estructuras particulares. En las células en interfase polarizada, los microtúbulos están desproporcionadamente orientados desde el MTOC hacia el sitio de la polaridad, como el borde de ataque de los fibroblastos migratorios. Se cree que esta configuración ayuda a transportar vesículas unidas a microtúbulos desde el aparato de Golgi hasta el sitio de polaridad.

La inestabilidad dinámica de los microtúbulos también es necesaria para la migración de la mayoría de las células de mamíferos que se arrastran. Los microtúbulos dinámicos regulan los niveles de proteínas G clave, como RhoA y Rac1, que regulan la contractilidad celular y la propagación celular. También se requieren microtúbulos dinámicos para desencadenar el desmontaje de la adhesión focal, que es necesario para la migración. Se ha descubierto que los microtúbulos actúan como "puntales" que contrarrestan las fuerzas contráctiles que se necesitan para la retracción del borde de salida durante el movimiento celular. Cuando los microtúbulos en el borde posterior de la célula son dinámicos, pueden remodelarse para permitir la retracción. Cuando se suprime la dinámica, los microtúbulos no pueden remodelarse y, por lo tanto, oponerse a las fuerzas contráctiles.La morfología de las células con dinámica de microtúbulos suprimida indica que las células pueden extender el borde frontal (polarizado en la dirección del movimiento), pero tienen dificultad para retraer su borde posterior. Por otro lado, las altas concentraciones de fármaco o las mutaciones de los microtúbulos que despolimerizan los microtúbulos pueden restablecer la migración celular, pero hay una pérdida de direccionalidad. Se puede concluir que los microtúbulos actúan tanto para restringir el movimiento celular como para establecer la direccionalidad.

Cilios y flagelos

Los microtúbulos tienen un papel estructural importante en los cilios y flagelos eucarióticos. Los cilios y los flagelos siempre se extienden directamente desde un MTOC, en este caso denominado cuerpo basal. La acción de las proteínas motoras de la dineína en las diversas hebras de microtúbulos que corren a lo largo de un cilio o flagelo permite que el orgánulo se doble y genere fuerza para nadar, mover material extracelular y otras funciones. Los procariotas poseen proteínas similares a la tubulina, incluida FtsZ. Sin embargo, los flagelos procarióticos tienen una estructura completamente diferente a los flagelos eucarióticos y no contienen estructuras basadas en microtúbulos.

Desarrollo

El citoesqueleto formado por microtúbulos es esencial para el proceso morfogenético del desarrollo de un organismo. Por ejemplo, se requiere una red de microtúbulos polarizados dentro del ovocito de Drosophila melanogaster durante su embriogénesis para establecer el eje del óvulo. Las señales enviadas entre las células foliculares y el ovocito (como factores similares al factor de crecimiento epidérmico) provocan la reorganización de los microtúbulos para que sus extremos (-) se ubiquen en la parte inferior del ovocito, polarizando la estructura y dando lugar a la aparición de un eje anteroposterior. Esta participación en la arquitectura del cuerpo también se observa en los mamíferos.

Otra área en la que los microtúbulos son esenciales es el desarrollo del sistema nervioso en los vertebrados superiores, donde la dinámica de la tubulina y las proteínas asociadas (como las proteínas asociadas a los microtúbulos) se controlan finamente durante el desarrollo del sistema nervioso.

Regulación de genes

El citoesqueleto celular es un sistema dinámico que funciona en muchos niveles diferentes: además de dar a la célula una forma particular y apoyar el transporte de vesículas y orgánulos, también puede influir en la expresión génica. Los mecanismos de transducción de señales involucrados en esta comunicación son poco conocidos. Sin embargo, se ha descrito la relación entre la despolimerización de microtúbulos mediada por fármacos y la expresión específica de factores de transcripción, lo que ha proporcionado información sobre la expresión diferencial de los genes en función de la presencia de estos factores. Esta comunicación entre el citoesqueleto y la regulación de la respuesta celular también está relacionada con la acción de los factores de crecimiento: por ejemplo, esta relación existe para el factor de crecimiento del tejido conectivo.