Las increíbles proteínas que caminan
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Las increíbles proteínas que caminan

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Conozcan a las quinesinas y dineínas, que, literalmente "caminan" sobre los microtúbulos celulares llevando su carga (mitocondrias, vesículas y otras organelas). Adaptado de Cell Biology, de ...

Conozcan a las quinesinas y dineínas, que, literalmente "caminan" sobre los microtúbulos celulares llevando su carga (mitocondrias, vesículas y otras organelas). Adaptado de Cell Biology, de Becker.

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Las increíbles proteínas que caminan Document Transcript

  • 1. Movimiento intracelular basado en microtúbulos y proteínas motoras:quinesina y dineína (adaptado de Biología Celular – Becker)Los microtúbulos (MTs) constituyen un conjunto de pistas rígidas para eltransporte de varios orgánulos membranosos y de vesículas. El centrosomaorganiza y orienta los microtúbulos, debido a que el extremo menos (-) de lamayoría de los microtúbulos se encuentra embebido en el centrosoma. Éste seubica normalmente cerca del centro celular, por lo que se podría considerar eltráfico hacia el extremo (-) como tráfico entrante. El tráfico dirigido hacia losextremos positivos (+) podría ser considerado por la misma razón como“saliente”, porque se dirige hacia la periferia de la célula.Los microtúbulos proporcionan una serie de vías organizadas por las que sepueden mover los orgánulos, pero no son ellos los que generan la fuerzanecesaria para el movimiento. El trabajo mecánico que se necesita para elmovimiento depende de las proteínas motoras asociadas a losmicrotrlbulos (PMAs motoras), que se unen a los orgánulos y después“caminan” a lo largo del microtúbulo, siendo el ATP quien proporciona laenergía necesaria. Además, las PMAs motoras reconocen la polaridad delmicrotúbulo y cada proteína motora tiene una preferencia en la dirección delmovimiento.Hasta la fecha, se conocen dos familias principales de PMAs motoras:quinesinas y dineínasLas PMAs motoras desplazan orgánulos a lo largo de los microtúbulos, duranteel transporte axonal La neurona es un tipo celular con una gran importanciahistórica en el estudio delmovimiento intracelularbasado en los microtú-bulos. Especialmente, elaxón gigante de calamarha sido extremadamenteútil para la purificación delos componentes que inte-raccionan con los micro-túbulos Un receptor o unneurotransmisor que sesintetice en el soma de laneurona se debe transpor-tar a distancias de hastaun metro entre el soma yel terminal nervioso. Estetransporte es necesariodebido a que los ribosomas están presentes únicamente en el soma, por loque no puede haber síntesis proteica, ni en los axones, ni en los botonessinápticos.En su lugar, las proteínas y las vesículas se sintetizan en el soma y setransportan a lo largo de los axones hasta los botones sinápticos. Porsupuesto, se requiere algún mecanismo de transporte dependiente de energía,
  • 2. y éste Io proporciona el movimiento dependiente de los microtúbulos. Esteproceso se denomina transporte axonal rápido y consiste en el movimiento devesículas que contienen proteínas y otros orgánulos a lo largo de losmicrotúbulos. La participación de los microtúbulos en el transporte axonal sepropuso tras la observación de que este proceso se bloqueaba por la colchicinay otras drogas que inhiben la función de los microtúbulos, pero no se veíaafectado por drogas como las citocalasinas, que afectan a los microfilamentos.Desde entonces, los microtúbulos se han visualizado a lo largo del axónmediante la técnica del criograbado profundo, y se han perfilado comocomponentes importantes del citoesqueleto axonal. Es más, los microtúbulosaxonales tienen asociadas pequeñas vesículas membranosas y mitocondrias.Las pruebas de que una proteína motora asociada a un microtúbulo dirige losmovimientos de los orgánulos, se obtuvieron de unos experimentos en los quese observó que los orgánulos podían desplazarse a lo largo de unas finasestructuras filamentosas en el axoplama aislado (el citoplasma de los axones)en presencia de ATP. El movimiento de los orgánulos fue observado a travésde microscopía de contraste interferencial diferencial mejorada por video. Lavelocidad del movimiento del orgánulo fue aproximadamente de 2 u/seg, unvalor comparable al observado en neuronas intactas. Los investigadorescombinaron a continuación la fluorescencia y la microscopía electrónica parademostrar que los filamentos a lo largo de los cuales se desplazaban losorgánulos) eran los microtúbulos. Concluyeron de esta manera que eltransporte axonal dependía de la interacción de los orgánulos con losmicrotúbulos.Desde entonces se han purificado y caracterizado dos proteínas motorasasociadas a los microtúbulos, que son las responsables del transporte axonalrápido: la quinesina y la dineína citoplásmica. Con el fin de determinar ladirección del transporte por estas PMAs, se utilizaron proteínas purificadaspara dirigir el transporte de microesferas de poliestireno a lo largo demicrotúbulos con polaridad conocida. Para obtener estos microtúbulos depolaridad conocida, se indujo la polimerización de la tubulina usandocentrosomas y centros organizadores de microtúbulos, que aseguraban supolimerización con el extremo menos anclado al centrosoma. Cuando seañadían las esferas de poliestireno junto con quinesina y ATP a losmicrotúbulos polimerizados en los centrosomas, las microesferas se movíanhacia los extremos (+) (es decir, alejándose del centrosoma). Estedescubrimiento implica que en una célula nerviosa, la quinesina medía eltransporte desde el soma al terminal nervioso, a través del axón (estetransporte se denomina transporte axonal anterógrado). Cuando se llevaron acabo experimentos similares añadiendo dineína purificada, las partículas sedesplazaron en dirección contraria, hacia los extremos (-) de los microtúbulos(este transporte se conoce como transporte axonal retrógrado).
  • 3. Estas dos proteínas rnotoras transportan materiales en direcciones opuestasdentro del citoplasma.Las quinesinas se mueven a lo largo de los microtúbulos a través de lahidrólisis de ATP Las quinesinas se identificaron por primera vez en el axóngigante de calamar. Estas quinesinas “clásicas” constan de tres partes: unacabeza globular que se une a los microtúbulos y que está implicada en la hidró-lisis del ATP; una región helicoidal, y una cadena ligera que está implicada enla unión de la quinesina a otros orgánulos o proteínasEl movimiento de las moléculas de quinesina a lo largo de los microtúbulos seha estudiado mediante el uso de esferas unidas a la quinesina, o midiendo lafuerza ejercida por una única molécula de quinesina, utilizando fibra de vidriocalibrada o un tipo de rayos láser conocidos como “pinzas ópticas”. Es fácilvisualizar este movimiento si lo comparamos al caminar, con las cabezasglobulares actuando como pies. Las quinesinas clásicas se mueven a lo largode los Microtúbulos con pasos de 8 nm: una de las dos cabezas globulares seadelanta para contactar con una subunidad nueva de ß-tubulina, la cabezaglobular trasera se suelta, y queda libre para unirse a una nueva regiónIzquierda: Motilidad basada en los microtúbulos, Las quinesinas y las dineínas son familias de moléculas queutilizan la energía de hidrólisis del ATP para “caminar” a lo largo de los microtúbulos. Durante dicho proceso,transportan estructuras intracelulares a lo largo del microtúbulo. En general, los miembros de la familia de lasquinesinas transportan vesículas u orgánulos hacia los extremos (+) deI microtúbulo -es decir, desde el centro dela célula a la periferia-. La dineína se desplaza en dirección contraria, hacia los extremos (-) del microtúbulo, y portanto hacia el centro de la célula donde se Iocaliza el Centrosoma.Derecha: Movimiento de la quinesina. (a) Estructura básica de una molécula de quinesina. (b) Las quinesinas“caminan” a Io largo de los microtúbulos. El “pie” delantero, una de las dos cabezas globulares de la quinesina, sedespega de una subunidad de ßtubulina tras la hidrólisis de ATP, y avanza. Posteriormente el pie trasero se liberahidrolizando ATP y salta hacia delante, rebasando al otro pie (modelo “mano sobre mano”)
  • 4. del microtúbulo. Este movimiento en el que las dos cabezas se turnanalternativamente para ser el “pie” delantero, se conoce como “mano sobremano” (por analogía a la técnica pianística en la que una mano pasa porencima de la otra, quedando ambas cruzadas). El movimiento está acoplado alintercambio de ATP y ADP en sitios específicos de las cabezas. El resultadoes que la quinesina se mueve hacia el extremo (+) de un microtúbulo,consumiendo ATP. La quinesina manifiesta procesividad, es decir, una únicamolécula puede cubrir grandes distancias antes de despegarse de unmicrotúbulo. Se ha calculado que el recorrido puede llegar a ser de 1 μm, loque constituye una gran distancia, si tenemos en cuenta su tamaño.La quinesina parece ser un motor molecular bastante eficaz: su eficiencia en latransformación de la energía de la hidrólisis del ATP en trabajo útil, se sitúa entorno al 60-70%.Las quinesinas son una gran familia de proteínas, confunciones y estructuras variadasDesde el descubrimiento de la primera quinesina implicada en el transporteanterógrado en las neuronas, se han descrito muchas proteínas que presentansimilitudes estructurales con la quinesina. Estas proteínas o KlFs; queconforman la familia de la quinesina, presentan un dominio motor similar peroque puede localizarse en diferentes lugares, dependiendo de la molécula encuestión. En algunos casos, las KIFs se asocian con otra KIF idéntica o conotra diferente. Existe una clase de KIFs que funcionan como motores condirección al extremo (-), en vez de al extremo (+), una propiedad que nodepende de la región motora, sino de otras regiones.En diversos estudios bioquímicos e inmunocitoquímicos, así como el estudio deorganismos mutantes, se ha puesto de manifiesto que las KIFs participan enmuchos procesos celulares diferentes. Por ejemplo, están implicados en elmovimiento y localización de determinadas sustancias dentro de la célula.Algunas KIFs se encuentran en el huso mitótico o meiótico o los cinetocoros,donde desempeñan un papel en las etapas tempranas de la mitosis y de lameiosis. Otras quinesinas participan en la finalización de la mitosis y en lacitoquinesis. Por ejemplo, las células de la mosca de la fruta o de nematodosque sean mutantes para una de estas KIFs, son capaces de iniciar lacitoquinesis, pero el surco de segmentación no acaba de profundizar y ladivisión celular fracasa.Las dineínas pueden agruparse en dos clases principales: delaxonema y citoplasmáticasLa familia de las PMAs motoras de la dineína está formada por dos tiposprincipales: las dineínas citoplásmicas y las dineínas del axonema (ver tabla enpágina anterior) A diferencia de las quinesinas y de las KIFs, sólo se hanidentificado unas pocas dineínas. Las dineínas citoplásmicas poseen doscadenas pesadas que pueden interaccionar con los microtúbulos, tres cadenasintermedias y cuatro cadenas ligeras. En contraste con la mayoría de lasquinesinas, las dineínas citoplásmicas se desplazan hacia el extremo (-) de losmicrotúbulos. Otra diferencia con las quinesinas y las KIFs, es que las dineínas
  • 5. citoplásmicas no puedenunirse de una manera eficaza los orgánulos por símismas. Para ello, necesitanasociarse a un complejoconocido como dinactina Ladinactina ayudaría la dineínaa unirse a su carga (porejemplo, una vesícula) quetransporta a lo largo de losMicrotúbulos, mediante launión a proteínas de lamembrana de la carga, comola espectrinaSe han identificado al menoscuatro tipos de dineínas delaxonema, las que tambiénintervienen en la formaciónde los cilios y los flagelos.Las PMAs motoras participan en el transporte intracelular devesículasHemos visto que la célula posee un sistema de transporte de vesículaselaborado que está dirigido por la quinesina y la dineína citoplásmica o porPMAs motoras similares. Una pregunta lógica es ¿para qué es necesario dichotransporte y cómo se usa? Hasta el momento hemos visto que sonimprescindibles para el transporte axonal rápido y la división celular. Las PMAsmotoras desempeñan además un papel fundamental en la distribución yestructura del retículo endoplásmico, la formación del complejo de Golgi, elmovimiento de los lisosomas y gránulos secretores, la internalización devesículas desde la membrana plasmática, y en una variedad de movimientosde vesículas en las células animales.Examinaremos ahora más detalladamente una de estas funciones, laformación del complejo de Golgi. El complejo de Golgi consiste en una pila demembranas aplanadas localizadas en la región del centrosoma. La función delcomplejo de Golgi es recibir las proteínas fabricadas en el retículoendoplásmico (RE), procesarlas y empaquetarlas para su distribución a laszonas celulares correspondientes. En cada una de las etapas de este proceso,las proteínas se transportan en vesículas. Existe, por lo tanto, un flujo continuode vesículas hacia y desde el complejo de Golgi. Las vesículas sontransportadas sobre los microtúbulos gracias a PMAs motoras (Ver figura).Figura Esquema de la dineína citoplásmica/dinactina. La dineínacitoplásmica se une a la membrana de su carga indirectamente através del complejo multiproteico dinactina. La dinactina se une a laespectrina situada en la membrana de la vesícula de carga
  • 6. Las vesículas que viajan desde elRE hasta el complejo de Golgiparecen ser transportadas pormotores similares a la dineína, quelas mueven hacia los extremos (-)de los microtúbulos. Los extremos(-) están anclados en elcentrosoma, por lo que todas lasvesículas fabrica-das por el RE envarias partes de la célula, se des-plazan hacia el centrosoma.Estas vesículas se fusionan yentran a formar parte de la pila demembranas que conforman unacara del complejo de Golgi. Se hademostrado en varios expe-rimentos que el transporte depen-diente de microtúbulos es crucialpara el mantenimiento de las cis-ternas del complejo de Golgi.Por ejemplo, si se induce la despo-limerización de los microtúbuloscon la droga nocodazol, se produ-ce la dispersión del complejo deGolgi. Cuando se retira el noco-dazol y se lava, el complejo deGolgi se vuelve a formar.Igualmente, si se induce a lascélulas a sobre expresar una de las subunidades del complejo dinactina, sebloquea su función, con el correspondiente colapso del complejo de Golgi y lainterrupción del transporte de intermediarios desde el RE al complejo del Golgi.Una vez dentro del complejo de Golgi, las proteínas son procesadas a medidaque se desplazan a través de las cisternas. La proteína terminada emerge-todavía empaquetada en vesículas- por el otro lado del complejo de Golgi.Las PMAs motoras de movimiento dirigido hacia el extremo (+) llevan lasvesículas terminadas lejos del complejo de Golgi y con destino a la periferia dela célula.Se ha observado que el transporte de vesículas es defectuoso, en organismosque presentan mutaciones en varias KIF, lo que proporciona una evidenciadirecta de la importancia de estas PMAs en el transporte de vesículas dirigidohacia el extremo (+).Por Io tanto, las PMAs y los microtúbulos posibilitan untráfico bidireccional de vesículas desde y hacia el complejo de Golgi.Además de las proteínas motoras asociadas a los microtúbulos, existen otrasque también participan en el transporte de vesículas, las miosinas nomusculares. La manera en que el citoesqueleto de microtúbulos y de actinainteraccionan para dirigir el movimiento de vesículas, constituye un áreainteresante de investigación hoy en día.En la imagen: Microtúbulos, PMAs y el complejo de Golgi.Un modelo de movimiento. Las vesículas que viajan haciay desde el complejo de Golgi están unidas a losmicrotúbulos y se piensa que son transportadas por PMAsmotoras como la quinesina, la dineína o proteínassimilares. La dineína es una MAP con movimiento dirigidohacia el extremo (-), mientras que la quinesina lo es haciael extremo (+). De esta manera, las vesículas originadas enel RE o en la membrana plasmática son transportadashacia el complejo de Golgi y el Centrosoma por la dineína,mientras que las vesículas originadas en el complejo deGolgi se transportan hacia el RE o la periferia celular, pormedio de las quinesina
  • 7. Las vesículas que viajan desde elRE hasta el complejo de Golgiparecen ser transportadas pormotores similares a la dineína, quelas mueven hacia los extremos (-)de los microtúbulos. Los extremos(-) están anclados en elcentrosoma, por lo que todas lasvesículas fabrica-das por el RE envarias partes de la célula, se des-plazan hacia el centrosoma.Estas vesículas se fusionan yentran a formar parte de la pila demembranas que conforman unacara del complejo de Golgi. Se hademostrado en varios expe-rimentos que el transporte depen-diente de microtúbulos es crucialpara el mantenimiento de las cis-ternas del complejo de Golgi.Por ejemplo, si se induce la despo-limerización de los microtúbuloscon la droga nocodazol, se produ-ce la dispersión del complejo deGolgi. Cuando se retira el noco-dazol y se lava, el complejo deGolgi se vuelve a formar.Igualmente, si se induce a lascélulas a sobre expresar una de las subunidades del complejo dinactina, sebloquea su función, con el correspondiente colapso del complejo de Golgi y lainterrupción del transporte de intermediarios desde el RE al complejo del Golgi.Una vez dentro del complejo de Golgi, las proteínas son procesadas a medidaque se desplazan a través de las cisternas. La proteína terminada emerge-todavía empaquetada en vesículas- por el otro lado del complejo de Golgi.Las PMAs motoras de movimiento dirigido hacia el extremo (+) llevan lasvesículas terminadas lejos del complejo de Golgi y con destino a la periferia dela célula.Se ha observado que el transporte de vesículas es defectuoso, en organismosque presentan mutaciones en varias KIF, lo que proporciona una evidenciadirecta de la importancia de estas PMAs en el transporte de vesículas dirigidohacia el extremo (+).Por Io tanto, las PMAs y los microtúbulos posibilitan untráfico bidireccional de vesículas desde y hacia el complejo de Golgi.Además de las proteínas motoras asociadas a los microtúbulos, existen otrasque también participan en el transporte de vesículas, las miosinas nomusculares. La manera en que el citoesqueleto de microtúbulos y de actinainteraccionan para dirigir el movimiento de vesículas, constituye un áreainteresante de investigación hoy en día.En la imagen: Microtúbulos, PMAs y el complejo de Golgi.Un modelo de movimiento. Las vesículas que viajan haciay desde el complejo de Golgi están unidas a losmicrotúbulos y se piensa que son transportadas por PMAsmotoras como la quinesina, la dineína o proteínassimilares. La dineína es una MAP con movimiento dirigidohacia el extremo (-), mientras que la quinesina lo es haciael extremo (+). De esta manera, las vesículas originadas enel RE o en la membrana plasmática son transportadashacia el complejo de Golgi y el Centrosoma por la dineína,mientras que las vesículas originadas en el complejo deGolgi se transportan hacia el RE o la periferia celular, pormedio de las quinesina