Biología Celular 06: El Citoesqueleto Parte II: Tubulina

Estas son notas de la conferencia 6 del curso de Biología Celular de Harvard Extension.

La semana pasada cubrimos microfilamentos, que están hechos de actina. Esta semana: microtúbulos, hechos de tubulina. ¿Por qué, se preguntan, el citoesqueleto necesita dos sistemas separados? Considere que los microfilamentos son solo cadenas de subunidades individuales, mientras que los microtúbulos son literalmente tubos (como veremos en breve): cilindros huecos con paredes hechas de cadenas hechas de dímeros. Estas diferentes estructuras significan diferentes capacidades: los microfilamentos pueden formarse más fácilmente de forma espontánea, y pueden ramificarse (con la ayuda de Arp2 / 3 y otros complejos discutidos la última vez) para formar diferentes formas de red y conectar diferentes partes de la célula. Los microtúbulos dependen más de la nucleación para formarse, y son básicamente una red de radios que conecta el centrosoma con la periferia de la célula. En la práctica, los microfilamentos son abundantes en la corteza celular y están muy involucrados en los movimientos contráctiles y la motilidad celular, mientras que los microtúbulos están más involucrados en la organización de los orgánulos y sirven como pistas para el transporte anterógrado y retrógrado.

Microtúbulos

(Imagen gracias al usuario de Wikimedia Commons Jeffrey81)

Además de Wikipedia, las ediciones anteriores de los libros de texto de biología celular Lodish y Cooper disponibles en NCBI también son excelentes referencias.

La estructura tubular de los microtúbulos es más resistente que los microfilamentos, lo que permite tirar y empujar mucho trabajo pesado. Aunque son robustos, los microtúbulos dependen de la temperatura: se despolimerizan si se enfrían a 4 ° C y se repolimerizan de nuevo si se calientan a 37°C, siempre que haya GTP disponible.

El componente básico de los microtúbulos es un dímero α-tubuilina/β-tubulina (codificado por genes TUBA_ y genes TUBB_ respectivamente). Las proteínas de tubulina individuales pesan ~55 kDa, por lo que en ~110Da / aminoácido es del orden de 500 aminoácidos. Tanto la α-como la β-tubulina se unen al GTP, pero α prácticamente se aferra a él para siempre, mientras que en β puede intercambiarse o hidrolizarse al PIB y luego intercambiarse por un nuevo GTP de nuevo.

Las hebras de dímeros α/β consecutivos forman protofilamentos, y 13 protofilamentos dispuestos uno al lado del otro en un cilindro forman un microtúbulo. El espacio entre los protofilamentos se llama «costura». Todo el microtúbulo tiene un diámetro de ~25 nm. Se puede ver su estructura (hecha de dímeros y protofilamentos) en la Vida Interna del segmento Celular sobre los microtúbulos:

Dentro de cada dímero, la subunidad β es el extremo ( + ), favorecido para la polimerización y el α es el extremo ( – ), favorecido para la despolimerización. Los microtúbulos se forman básicamente en los mismos tres pasos que los microfilamentos: nucleación, elongación y estado estacionario. Pero a diferencia de los microfilamentos, no se nuclean fácilmente por sí solos, por lo que la nucleación requiere centros organizadores de microtúbulos (MTOC). Cada una de las células que no se dividen tiene solo un COT, llamado centrosoma. (Esto también se muestra en el video de arriba). Situado cerca del núcleo, el centrosoma es el centro de una configuración radial de microtúbulos con extremos (-) apuntados hacia adentro y extremos (+) apuntando a la periferia celular.

El centrosoma se compone de 2 cilindros llamados centriolos. Cada centriolo consta de 9 conjuntos de 3 microtúbulos fusionados lateralmente, rodeados por un ‘material pericentriolar’ amorfo rico en cosas que promueven la nucleación, en particular complejos de anillos de γ – tubulina (la tubulina gamma está codificada por los genes TUBG_). la γ-tubulina se considera una «lavadora dividida»:

El modelo es que los extremos partidos permiten que la γ-tubulina se una a la α-tubulina, es decir, el extremo ( – ) de un microtúbulo que se va a formar, proporcionando la semilla de nucleación para que se forme un microtúbulo.

Se pueden formar microtúbulos in vitro. La dinámica depende principalmente de concentraciones críticas. El extremo ( – ) está menos inclinado hacia la polimerización que el extremo ( + ), por lo que tiene una concentración crítica más alta. Si la concentración está entre los dos extremos » concentraciones críticas, treadmilling ocurre.

Cuando un microtúbulo de repente comienza a disociarse, esto se denomina «catástrofe». Las catástrofes tienen una dinámica energética interesante. Recordemos que la beta-tubulina, que es el extremo (+) donde ocurre la elongación, puede estar ligada al GTP o al PIB. Es una parte más estable de su microtúbulo cuando se une al GTP; la tubulina unida al PIB es propensa a disociarse. Los microtúbulos se forman principalmente por adición de beta-tubulina unida a GTP en el extremo ( + ), pero después de ser agregados, las moléculas de beta-tubulina hidrolizan posteriormente su GTP, dejándolas unidas al PIB. Así que hay una especie de «punta» del microtúbulo que está unido al GTP, mientras que la beta-tubulina más abajo del microtúbulo, agregada hace más tiempo, está unida al PIB. Si la frontera de la hidrólisis de GTP alcanza la punta, o si algo sucede para cortar el microtúbulo, entonces la beta-tubulina menos estable, unida al PIB, queda expuesta, y los protofilamentos comenzarán a desprenderse como «cuernos de carnero». Si esto sucede, el microtúbulo se desmonta hasta que golpea una «isla» de beta-tubulina unida a GTP en algún lugar más abajo de la paja. La catástrofe puede ser «rescatada» mediante la adición de nuevos dímeros de tubulina unidos a GTP que taparán los extremos y estabilizarán los protofilamentos, permitiendo que el microtúbulo se vuelva a formar. Puedes ver en este video que la despolimerización de microtúbulos puede ser mucho más rápida que la polimerización:

Aquí hay algunos compuestos útiles para estudiar microtúbulos. La colchicina, un medicamento contra la gota, se une a los dímeros alfa-beta libres, reduciendo su suministro para la formación de microtúbulos y, por lo tanto, promoviendo la despolimerización. El nocodazol también interfiere con la formación de nuevos microtúbulos, y debido a que la formación de nuevos microtúbulos es importante para la mitosis, el nocodazol es un medicamento antineoplásico para el cáncer. Por el contrario, el paclitaxel (taxol), otro medicamento contra el cáncer, actúa estabilizando los microtúbulos, ya que la descomposición de los microtúbulos existentes también es importante para la mitosis.

Las proteínas asociadas a microtúbulos (MAP) tienen varias funciones. Cabe destacar MAP4 (en células no neuronales), MAP2 (en neuronas) y Tau (en neuronas; codificadas por el gen MAPT). Todos estos tienen en común que actúan para estabilizar los microtúbulos, cambiando la cinética a favor del crecimiento de los microtúbulos y en contra de la catástrofe. Cada uno contiene un estiramiento de 18 aminoácidos con aminoácidos cargados positivamente que se unen a la parte negativa de los microtúbulos. Pueden actuar para agrupar múltiples microtúbulos juntos, con MAP2 sosteniendo los microtúbulos a una mayor distancia debido a su brazo más largo (en comparación con Tau).

Los mapas están regulados por fosforilación: las proteínas quinasas MARK se unen covalentemente a los grupos fosfato con los aminoácidos S, T o Y de las proteínas MAP, reduciendo su capacidad para unirse a los microtúbulos. (Las quinasas dependientes de ciclina también regulan los mapas durante la mitosis). Se cree que estos mapas actúan para determinar la estructura física de las células. En las neuronas, MAP2 se encuentra en las dendritas y Tau está principalmente en el axón. Las mutaciones en el gen MAPT que codifica para Tau causan demencia frontotemporal (FTD). El Tau hiperfosforilado se encuentra (aunque no sabemos por qué) en el cerebro de los pacientes con Alzheimer. Los modelos de ratón de ambas enfermedades muestran degeneración axonal, consistente con que Tau no es capaz de hacer su trabajo de estabilizar los microtúbulos en el axón.

Otra clase de proteínas, llamadas Puntas +por su unión al extremo ( + ) de los microtúbulos, puede proteger contra catástrofes. Parecen extenderse bastante hacia abajo en el microtúbulo. Este video muestra a EB-1 siendo empujado hacia afuera porque los extremos de los microtúbulos están creciendo:

Otras proteínas de unión final promueven la catástrofe en lugar de la estabilidad. La cinesina-13 actúa para curvar el extremo de los protofilamentos, reduciendo el umbral de catástrofe. La estatmina (gen STMN1; también conocido como Op18, donde Op significa oncoproteína) se une a los dímeros de tubulina dentro de un protofilamento, promoviendo tanto una catástrofe inmediata como posiblemente también la hidrólisis de GTP, lo que al eliminar «islas» de beta-tubulina unida a GTP representaría más una inversión a largo plazo a favor de la catástrofe. La estatmina está regulada por fosforilación. Katanin (después de la katana de espada japonesa) corta literalmente microtúbulos.

Las proteínas motoras de microtúbulos son en gran medida similares a las proteínas motoras de microfilamento. Vienen en dos familias: cinesinas, la mayoría de las cuales se mueven anterógradas, es decir, hacia el extremo ( + ); y dineínas, la mayoría de las cuales se mueven retrógradas, es decir, hacia el extremo ( -). Caminan así:

La cinesina y la dineína participan en orgánulos móviles, endocitosis y exocitosis, y segregación cromosómica durante la meiosis & mitosis.

La cinesina-1, la mejor estudiada de las cinesinas, es una cinesina «convencional» en el sentido de que funciona como un tetrámero compuesto de dos unidades de cadena pesada (genes KIF1, p. ej. KIF1A) que comprenden los dominios de «cabeza» que hidrolizan el ATP y se unen a los microtúbulos, y dos unidades de cadena ligera (genes KLC, por ejemplo, KLC1) que comprenden una «cola» que une la carga, en este caso las vesículas. Un dominio enlazador (¿de qué proteína forma parte?) permite la dimerización de dos cadenas pesadas.

Aquí hay un video en acción. Tenga en cuenta que el video lo llama un dímero en lugar de un tetrámero; creo que eso es porque solo están considerando las cabezas y no discutiendo las colas.

Algunas de las otras cinesinas difieren un poco:

• La kinesina-2, que también transporta orgánulos de vesículas &, es un heterotrimmer con dos cadenas pesadas diferentes (aunque relacionadas) y otro polipéptido que utiliza para regular su carga.
• La kinesin-5 tiene cabezas en ambos extremos en lugar de una cabeza y una cola, de modo que camina en direcciones opuestas en dos microtúbulos diferentes, uniéndolos. Esto se denomina «movimiento bipolar».
• La kinesina-14 es la única kinesina conocida que se mueve hacia el extremo ( – ) y está involucrada en la mitosis.

Los principios del movimiento «caminando» son prácticamente los mismos para todas las kinesinas, sin embargo, y son lo que se muestra en el último video de arriba. Cuando no está unido a un microtúbulo, las ‘cabezas’ están ligadas a ADP. Una cabeza se encontrará con un microtúbulo y se unirá a él, liberando su ADP, permitiendo que un ATP lo reemplace. La unión de ATP induce un cambio conformacional que tira del enlazador, balanceando la otra cabeza «rezagada» hacia adelante hasta la posición de liderazgo donde se une al microtúbulo. La cabeza original luego hidroliza ATP que libera fosfato (que se abrevia como Pi en el video) y proporciona la energía para el paso energéticamente ascendente en este proceso, que se está separando del microtúbulo.

La miosina (la proteína motora que camina sobre microfilamentos) y la cinesina tienen estructuras muy similares, pero no tienen similitud de secuencia de aminoácidos. Por lo tanto, se cree que no son paralogos, sino más bien un ejemplo de evolución convergente.

La gente habla mucho de las quinesinas, en parte porque no entendemos las dineínas tan bien. Las dineínas son proteínas enormes, compuestas de 2 subunidades grandes, 2 intermedias y 2 pequeñas. Su tamaño ha hecho que sea difícil aislarlos y caracterizarlos, y su funcionamiento no se comprende bien. Sabemos que el complejo de dinactina (un complejo de proteínas múltiples; las dinactinas en sí son los genes DTCN_) está involucrado como un «adaptador» que une la dineína a la carga.

Este video resume todo el citoesqueleto y las cuerdas en gran parte del material de la semana pasada y esta conferencia:

PrP

Como se menciona en las notas de la vía secretora, PrP está anclado a la membrana y se somete a endocitosis muy regularmente, creando vesículas endocíticas con PrP en ellas. Encalada 2011 encuentra que la kinesina-1C y la DHC1 (cadena pesada de dineína 1) son responsables del transporte de estas vesículas PRP anterógradas y retrógradas, respectivamente. Cuando Encalada noqueó, derribó o inhibió la cinesina-1C, el movimiento anterógrado y retrógrado se redujo, y de manera similar cuando se interrumpió la DHC1. Así que parece que estos dos complejos, aunque se mueven en direcciones opuestas, se activan entre sí. Y, curiosamente, interrumpir estas proteínas motoras no impidió que las vesículas de PrP se asociaran con los motores, simplemente no se movían tan rápido o con tanta frecuencia. El artículo tiene una serie de otras conclusiones de biología celular sobre la naturaleza de cómo las vesículas activan las proteínas motoras y cómo se determina la dirección de transporte.