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 el transporte de varios orgánulos membranosos y de vesículas. El centrosoma organiza y orienta los microtúbulos, debido a que el extremo menos (-) de la mayoría de los microtúbulos se encuentra embebido en el centrosoma. Éste se ubica normalmente cerca del centro celular, por lo que se podría considerar el tráfico hacia el extremo (-) como tráfico entrante. El tráfico dirigido hacia los extremos 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 se pueden mover los orgánulos, pero no son ellos los que generan la fuerza necesaria para el movimiento. El trabajo mecánico que se necesita para el movimiento depende de las proteínas motoras asociadas a los microtrlbulos (PMAs motoras), que se unen a los orgánulos y después “caminan” a lo largo del microtúbulo, siendo el ATP quien proporciona la energía necesaria. Además, las PMAs motoras reconocen la polaridad del microtúbulo y cada proteína motora tiene una preferencia en la dirección del movimiento.

Hasta la fecha, se conocen dos familias principales de PMAs motoras: quinesinas y dineínas

Las PMAs motoras desplazan orgánulos a lo largo de los microtúbulos, durante el transporte axonal La neurona es un tipo celular con una gran importancia

histórica en el estudio del movimiento intracelular basado en los microtú-bulos. Especialmente, el axón gigante de calamar ha sido extremadamente útil para la purificación de los componentes que inte-raccionan con los micro-túbulos Un receptor o un neurotransmisor que se sintetice en el soma de la neurona se debe transpor-tar a distancias de hasta un metro entre el soma y el terminal nervioso. Este transporte es necesario

debido a que los ribosomas están presentes únicamente en el soma, por lo que no puede haber síntesis proteica, ni en los axones, ni en los botones sinápticos. En su lugar, las proteínas y las vesículas se sintetizan en el soma y se transportan a lo largo de los axones hasta los botones sinápticos. Por supuesto, se requiere algún mecanismo de transporte dependiente de energía,

y éste Io proporciona el movimiento dependiente de los microtúbulos. Este proceso se denomina transporte axonal rápido y consiste en el movimiento de vesículas que contienen proteínas y otros orgánulos a lo largo de los microtúbulos. La participación de los microtúbulos en el transporte axonal se propuso tras la observación de que este proceso se bloqueaba por la colchicina y otras drogas que inhiben la función de los microtúbulos, pero no se veía afectado por drogas como las citocalasinas, que afectan a los microfilamentos. Desde entonces, los microtúbulos se han visualizado a lo largo del axón mediante la técnica del criograbado profundo, y se han perfilado como componentes importantes del citoesqueleto axonal. Es más, los microtúbulos axonales tienen asociadas pequeñas vesículas membranosas y mitocondrias.

Las pruebas de que una proteína motora asociada a un microtúbulo dirige los movimientos de los orgánulos, se obtuvieron de unos experimentos en los que se observó que los orgánulos podían desplazarse a lo largo de unas finas estructuras filamentosas en el axoplama aislado (el citoplasma de los axones) en presencia de ATP. El movimiento de los orgánulos fue observado a través de microscopía de contraste interferencial diferencial mejorada por video. La velocidad del movimiento del orgánulo fue aproximadamente de 2 u/seg, un valor comparable al observado en neuronas intactas. Los investigadores combinaron a continuación la fluorescencia y la microscopía electrónica para demostrar que los filamentos a lo largo de los cuales se desplazaban los orgánulos) eran los microtúbulos. Concluyeron de esta manera que el transporte axonal dependía de la interacción de los orgánulos con los microtúbulos.

Desde entonces se han purificado y caracterizado dos proteínas motoras asociadas a los microtúbulos, que son las responsables del transporte axonal rápido: la quinesina y la dineína citoplásmica. Con el fin de determinar la dirección del transporte por estas PMAs, se utilizaron proteínas purificadas para dirigir el transporte de microesferas de poliestireno a lo largo de microtúbulos con polaridad conocida. Para obtener estos microtúbulos de polaridad conocida, se indujo la polimerización de la tubulina usando centrosomas y centros organizadores de microtúbulos, que aseguraban su polimerización con el extremo menos anclado al centrosoma. Cuando se añadían las esferas de poliestireno junto con quinesina y ATP a los microtúbulos polimerizados en los centrosomas, las microesferas se movían hacia los extremos (+) (es decir, alejándose del centrosoma). Este descubrimiento implica que en una célula nerviosa, la quinesina medía el transporte desde el soma al terminal nervioso, a través del axón (este transporte se denomina transporte axonal anterógrado). Cuando se llevaron a cabo experimentos similares añadiendo dineína purificada, las partículas se desplazaron en dirección contraria, hacia los extremos (-) de los microtúbulos (este transporte se conoce como transporte axonal retrógrado).

Estas dos proteínas rnotoras transportan materiales en direcciones opuestas dentro del citoplasma. Las quinesinas se mueven a lo largo de los microtúbulos a través de la hidrólisis de ATP Las quinesinas se identificaron por primera vez en el axón

gigante de calamar. Estas quinesinas “clásicas” constan de tres partes: una cabeza 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 en la unión de la quinesina a otros orgánulos o proteínas

El movimiento de las moléculas de quinesina a lo largo de los microtúbulos se ha estudiado mediante el uso de esferas unidas a la quinesina, o midiendo la fuerza ejercida por una única molécula de quinesina, utilizando fibra de vidrio calibrada o un tipo de rayos láser conocidos como “pinzas ópticas”. Es fácil visualizar este movimiento si lo comparamos al caminar, con las cabezas globulares actuando como pies. Las quinesinas clásicas se mueven a lo largo de los Microtúbulos con pasos de 8 nm: una de las dos cabezas globulares se adelanta para contactar con una subunidad nueva de ß-tubulina, la cabeza globular trasera se suelta, y queda libre para unirse a una nueva región

Izquierda: Motilidad basada en los microtúbulos, Las quinesinas y las dineínas son familias de moléculas que utilizan 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 las quinesinas transportan vesículas u orgánulos hacia los extremos (+) deI microtúbulo -es decir, desde el centro de la célula a la periferia-. La dineína se desplaza en dirección contraria, hacia los extremos (-) del microtúbulo, y por tanto 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, se despega de una subunidad de ßtubulina tras la hidrólisis de ATP, y avanza. Posteriormente el pie trasero se libera hidrolizando ATP y salta hacia delante, rebasando al otro pie (modelo “mano sobre mano”)

del microtúbulo. Este movimiento en el que las dos cabezas se turnan alternativamente para ser el “pie” delantero, se conoce como “mano sobre mano” (por analogía a la técnica pianística en la que una mano pasa por encima de la otra, quedando ambas cruzadas). El movimiento está acoplado al intercambio de ATP y ADP en sitios específicos de las cabezas. El resultado es que la quinesina se mueve hacia el extremo (+) de un microtúbulo, consumiendo ATP. La quinesina manifiesta procesividad, es decir, una única molécula puede cubrir grandes distancias antes de despegarse de un microtúbulo. Se ha calculado que el recorrido puede llegar a ser de 1 μm, lo que constituye una gran distancia, si tenemos en cuenta su tamaño. La quinesina parece ser un motor molecular bastante eficaz: su eficiencia en la transformación de la energía de la hidrólisis del ATP en trabajo útil, se sitúa en torno al 60-70%.

Las quinesinas son una gran familia de proteínas, con funciones y estructuras variadas

Desde el descubrimiento de la primera quinesina implicada en el transporte anterógrado en las neuronas, se han descrito muchas proteínas que presentan similitudes estructurales con la quinesina. Estas proteínas o KlFs; que conforman la familia de la quinesina, presentan un dominio motor similar pero que puede localizarse en diferentes lugares, dependiendo de la molécula en cuestión. En algunos casos, las KIFs se asocian con otra KIF idéntica o con otra diferente. Existe una clase de KIFs que funcionan como motores con dirección al extremo (-), en vez de al extremo (+), una propiedad que no depende de la región motora, sino de otras regiones.

En diversos estudios bioquímicos e inmunocitoquímicos, así como el estudio de organismos mutantes, se ha puesto de manifiesto que las KIFs participan en muchos procesos celulares diferentes. Por ejemplo, están implicados en el movimiento 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 la meiosis. Otras quinesinas participan en la finalización de la mitosis y en la citoquinesis. Por ejemplo, las células de la mosca de la fruta o de nematodos que sean mutantes para una de estas KIFs, son capaces de iniciar la citoquinesis, pero el surco de segmentación no acaba de profundizar y la división celular fracasa.

Las dineínas pueden agruparse en dos clases principales: del axonema y citoplasmáticas

La familia de las PMAs motoras de la dineína está formada por dos tipos principales: las dineínas citoplásmicas y las dineínas del axonema (ver tabla en página anterior) A diferencia de las quinesinas y de las KIFs, sólo se han identificado unas pocas dineínas. Las dineínas citoplásmicas poseen dos cadenas pesadas que pueden interaccionar con los microtúbulos, tres cadenas intermedias y cuatro cadenas ligeras. En contraste con la mayoría de las quinesinas, las dineínas citoplásmicas se desplazan hacia el extremo (-) de los

microtúbulos. Otra diferencia con las quinesinas y las KIFs, es que las dineínas citoplásmicas no pueden unirse de una manera eficaz a los orgánulos por sí mismas. Para ello, necesitan asociarse a un complejo conocido como dinactina La dinactina ayudaría la dineína a unirse a su carga (por ejemplo, una vesícula) que transporta a lo largo de los Microtúbulos, mediante la unión a proteínas de la membrana de la carga, como la espectrinaSe han identificado al menos cuatro tipos de dineínas del

axonema, las que también intervienen en la formación de los cilios y los flagelos.

Las PMAs motoras participan en el transporte intracelular de vesículas

Hemos visto que la célula posee un sistema de transporte de vesículas elaborado que está dirigido por la quinesina y la dineína citoplásmica o por PMAs motoras similares. Una pregunta lógica es ¿para qué es necesario dicho transporte y cómo se usa? Hasta el momento hemos visto que son imprescindibles para el transporte axonal rápido y la división celular. Las PMAs motoras desempeñan además un papel fundamental en la distribución y estructura del retículo endoplásmico, la formación del complejo de Golgi, el movimiento de los lisosomas y gránulos secretores, la internalización de vesículas desde la membrana plasmática, y en una variedad de movimientos de vesículas en las células animales.

Examinaremos ahora más detalladamente una de estas funciones, la formación del complejo de Golgi. El complejo de Golgi consiste en una pila de membranas aplanadas localizadas en la región del centrosoma. La función del complejo de Golgi es recibir las proteínas fabricadas en el retículo endoplásmico (RE), procesarlas y empaquetarlas para su distribución a las zonas celulares correspondientes. En cada una de las etapas de este proceso, las proteínas se transportan en vesículas. Existe, por lo tanto, un flujo continuo de vesículas hacia y desde el complejo de Golgi. Las vesículas son transportadas sobre los microtúbulos gracias a PMAs motoras (Ver figura).

Figura Esquema de la dineína citoplásmica/dinactina. La dineína citoplásmica se une a la membrana de su carga indirectamente a través del complejo multiproteico dinactina. La dinactina se une a la espectrina situada en la membrana de la vesícula de carga

Las vesículas que viajan desde el RE hasta el complejo de Golgi parecen ser transportadas por motores similares a la dineína, que las mueven hacia los extremos (-) de los microtúbulos. Los extremos (-) están anclados en el centrosoma, por lo que todas las vesículas fabrica-das por el RE en varias partes de la célula, se des-plazan hacia el centrosoma.

Estas vesículas se fusionan y entran a formar parte de la pila de membranas que conforman una cara del complejo de Golgi. Se ha demostrado en varios expe-rimentos que el transporte depen-diente de microtúbulos es crucial para el mantenimiento de las cis-ternas del complejo de Golgi. Por ejemplo, si se induce la despo-limerización de los microtúbulos con la droga nocodazol, se produ-ce la dispersión del complejo de Golgi. Cuando se retira el noco-dazol y se lava, el complejo de Golgi se vuelve a formar. Igualmente, si se induce a las

células a sobre expresar una de las subunidades del complejo dinactina, se bloquea su función, con el correspondiente colapso del complejo de Golgi y la interrupción del transporte de intermediarios desde el RE al complejo del Golgi. Una vez dentro del complejo de Golgi, las proteínas son procesadas a medida que 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 las vesículas terminadas lejos del complejo de Golgi y con destino a la periferia de la célula.

Se ha observado que el transporte de vesículas es defectuoso, en organismos que presentan mutaciones en varias KIF, lo que proporciona una evidencia directa de la importancia de estas PMAs en el transporte de vesículas dirigido hacia el extremo (+).Por Io tanto, las PMAs y los microtúbulos posibilitan un tráfico bidireccional de vesículas desde y hacia el complejo de Golgi. Además de las proteínas motoras asociadas a los microtúbulos, existen otras que también participan en el transporte de vesículas, las miosinas no musculares. La manera en que el citoesqueleto de microtúbulos y de actina interaccionan para dirigir el movimiento de vesículas, constituye un área interesante de investigación hoy en día.

En la imagen: Microtúbulos, PMAs y el complejo de Golgi. Un modelo de movimiento. Las vesículas que viajan hacia y desde el complejo de Golgi están unidas a los microtúbulos y se piensa que son transportadas por PMAs motoras como la quinesina, la dineína o proteínas similares. La dineína es una MAP con movimiento dirigido hacia el extremo (-), mientras que la quinesina lo es hacia el extremo (+). De esta manera, las vesículas originadas en el RE o en la membrana plasmática son transportadas hacia el complejo de Golgi y el Centrosoma por la dineína, mientras que las vesículas originadas en el complejo de Golgi se transportan hacia el RE o la periferia celular, por medio de las quinesina