Microtúbulo

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Sección de microtúbulos de pocos dímeros de longitud.

Los microtúbulos son estructuras tubulares de 25 nm de diámetro exterior y unos 12 nm de diámetro interior, con longitudes que varian entre unos pocos nanómetros a micrómetros, que se originan en los centros organizadores de microtúbulos y que se extienden a lo largo de todo el citoplasma. Se hallan en las células eucariotas y están formadas por la polimerización de un dímero de dos proteínas globulares, la alfa y la beta tubulina.

Los microtúbulos intervienen en diversos procesos celulares que involucran desplazamiento de vesículas de secreción, movimiento de orgánulos, transporte intracelular de sustancias, así como en la división celular (mitosis y meiosis) y que, junto con los microfilamentos y los filamentos intermedios, forman el citoesqueleto. Además, constituyen la estructura interna de los cilios y los flagelos.

Estructura

Los microtúbulos son heteropolímeros de α- y β-tubulina, los cuales forman dímeros, que son su unidad estructural. Los dímeros polimerizan en protofilamentos, que luego se agregan para formar estructuras cilíndricas huecas. Para polimerizar se requiere la presencia de monómeros, aunque el proceso se acelera por la adición de núcleos, que son elongados.

Una importante característica de los microtúbulos es su polaridad. La tubulina polimeriza por adición de dímeros en uno o ambos extremos del microtúbulo. La adición es por unión cabeza con cola, en la formación de los protofilamentos. Así, se forman filas sesgadas de monómeros de α y β-tubulina en la pared, lo que provoca una polaridad global al microtúbulo. Debido a que todos los protofilamentos de un microtúbulo tienen la misma orientación, un extremo está compuesto por un anillo de α-tubulina (denominado extremo -) y, el opuesto, por un anillo de β-tubulina (denominado extremo +).

Organización citológica

Los microtúbulos se nuclean y organizan en los centros organizadores de microtúbulos (MTOCs), como pueden ser el centrosoma o los cuerpos basales de los cilios y flagelos. Estos MTOCs pueden poseer centríolos o no.

Además de colaborar en el citoesqueleto, los microtúbulos intervienen en el tránsito de vesículas (véase la dineína o la kinesina), en la formación del huso mitótico mediante el cual las células eucariotas segregan sus cromátidas durante la división celular, y en el movimiento de cilios y flagelos.

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Técnica de inmunofluorescencia para mostrar los microtúbulos mediante anticuerpos marcados contra β-tubulina

Dinámica

La polimerización de los microtúbulos se nuclea en un centro organizador de microtúbulos. En ellos existe un tipo de tubulina, llamada γ-tubulina, que actúa nucleando la adición de nuevos dímeros, con intervención de otras proteínas reguladoras. Así, se considera la existencia de un complejo anular de γ-tubulina, siempre situado en el extremo + del microtúbulo.

Inestabilidad dinámica

Durante la polimerización, ambas unidades de tubulina se encuentran unidas a una molécula de guanosín trifosfato. El GTP desempeña una función estructural en la α-tubulina, pero es hidrolizado a GDP en la β-tubulina. Esta hidrólisis modula la adición de nuevos dímeros. Así, el GTP se hidroliza tras un lapso del tiempo, lo que permite que, si la adición de dímeros es rápida, se forme en el extremo (+) un casquete de β-tubulina unida a GTP, mientras que, de ser lenta, lo que se expone es tubulina unida a GDP. Pues bien: esta unión a uno u otro nucleótido es la que determina la velocidad de polimerización o despolimerización del microtúbulo. Así, un casquete en el extremo (+) con GTP favorece la elongación, mientras que uno de GDP, la despolimerización.

Ahora bien, este proceso, de adición o no de nuevos monómeros, depende de la concentración de dímeros de αβ-tubulina; si su concentración es mayor de un parámetro conocido como concentración crítica (Cc) (que define el punto de inflexión entre la polimerización y despolimerización) , el microtúbulo crece, y si es menor, decrece. Y según la presencia de un casquete de GTP o GDP, la Cc es distinta, lo cual define que el extremo (+) y (-) tiengan valores distintos, lo que a su vez redunda que la actividad dinámica del extremo (+) sea mayor debido a una menor Cc específica. El microtúbulo, por tanto, puede crecer por ambos extremos o sólo por uno, dependiendo de la concentración de dímeros de αβ-tubulina. La interacción del extremo (-) con el MTOC disminuye mucho su actividad.

Estos hechos se ven modulados por proteínas MAPs, que intervienen en las catástrofes y rescates.

Propiedades de la polimerización de la tubulina

Resumen global de dichas propiedades:

1. A concentraciones de αβ-tubulina superiores a la Cc los dímeros se polimerizan para formar microtúbulos; por debajo de la Cc, los microtúbulos se despolimerizan.
2. El nucleótido, GTP o GDP, unido a la β-tubulina hace que la Cc para el ensamblaje en los extremos (+) y (-) de un microtúbulo sea diferente; por analogía con eel ensamblaje de actina filamentosa, se define el extremo (+) como el preferido por el ensamblaje.
3. Con concentraciones superiores de αβ-tubulina a la Cc para la polimerización, los dímeros se agregan en mayor cantidad al extremo (+).
4. Cuando la concentración de αβ-tubulina es más elevada que la Cc del extremo (+) pero menor que la Cc del (-), se puede dar un crecimiento en una sóla dirección agregando subunidades a un extremo y disociando subunidades del extremo opuesto.

Estas características derivan en la exitencia de una inestabilidad dinámica de los microtúbulos, que consiste en que, en una misma célula, algunos microtúbulos están despolimerizándose (catástrofe) y otros elongándose (rescate).

Farmacología

Existen drogas que afectan a la estabilidad de los microtúbulos: El taxol, útil en los cánceres de ovario, a concentraciones bajas se une a los microtúbulos y los estabiliza, inhibiendo su acortamiento. La colchicina, o su derivado colcemida, se une a los dímeros de tubulina con alta afinidad, pero reversiblemente, lo que facilita que los dímeros envenenados se adhieran al extremo de un microtúbulo en crecimiento, impidiendo el agregado o pérdida de nuevas unidades. Así, el microtúbulo queda estabilizado. La colchicina se emplea ampliamente para sincronizar células, puesto que detiene la mitosis en metafase.

Los fármacos inhibidores de la polimerización de microtúbulos han sido muy usados en la terapia antitumoral. Al ser indispensables para la mitosis y detenerla, se logra actuar contra el tumor, pero también se ven afectados aquellos tejidos en continua proliferación (médula ósea, pelo...).

Proteínas motoras

Existen proteínas que aprovechan la hidrólisis de ATP para generar energía mecánica y desplazar sustancias sobre microtúbulos. Éstas son la dineína, transportador anterógrado, y la kinesina, transportador retrógrado.

Dineína

Las dineínas son una familia de proteínas motoras que median el transporte intracelular anterógrado sobre los microtúbulos.

La dineína es una molécula de estructura similar a la kinesina: consta de dos cadenas pesadas idénticas que conforman dos cabezas globulares y de un número variable de cadenas intermedias y de cadenas ligeras. Se sugiere que la actividad de hidrólisis de ATP, fuente de energía de la célula, se encuentra en las cabezas globulares. La dineína transporta vesículas y orgánulos, por lo que debe interaccionar con sus membranas, y, para interactuar con ellas, requiere de un complejo proteico, de cuyos elementos cabe destacar la dinactina.

Kinesina

Una kinesina unida a un microtúbulo

Las kinesinas o cinesinas son una familia de proteínas motoras que median el transporte intracelular anterógrado sobre los microtúbulos.

La mayoría de las cinesinas intervienen en el transporte anterógrado de vesículas, es decir, que implican un movimiento hacia la parte más distal de la célula o la neurita, hacia el extremo (+) de los microtúbulos, sobre los que se desplazan. Por contra, otra familia de proteínas motoras, las dineínas, emplean los mismos raíles pero dirigen las vesículas a la parte más proximal de la célula, por lo que su transporte es retrógrado.

Referencias

• Alberts et al (2004). «Biología molecular de la célula». Barcelona: Omega. ISBN 54-282-1351-8. 

• Lodish et al. (2005). «Biología celular y molecular». Buenos Aires: Médica Panamericana. ISBN 950-06-1974-3.