Issuu on Google+

• ecan1smos e comunicación celular

•rmar un organismo pluricelular las células tienen que comunicarse. tal como secom los humanos si se tienen que organizar formando sociedades complejas. Y tamomo en los humanos en los que las comunicaciones suponen algo más que la simple m'ión de ruidos desde la boca a los ofdos, la comw1icación de célula a célula supone n.l, que la transmisión de senales qufmicas a través del espacio comprendido entre lula y otra. Son necesarios complejos mecanismos intracelulares para controlar qué 'e emiten en qué momento, y para permitir que la célula receptora de la señal inter,tas senales y las ulilice para guiar su comportamiento. De acuerdo con el registro " organismos pluricelulares no aparecieron en la Tierra hasta unos 2,5 mil millones de l•·~pués de la aparición de los organismos unicelulares parecidos a los procariotas ' Este largo retraso puede reflejar la dificultad de la evolución de los sistemas de cou ión entre las células animales, las células vegetales y los hongos - la maquinaria que •ntlirfa a las células que compartran el mismo genoma colaborar y coordinar el comllt·nto y especializarse para subordinar s us posibilidades individuales de supervivenntt'rés del organismo pluricelular corno un todo. Estos mecanismos de comunicación • dula tan sofisticados constituyen el objeto de este capftulo. .-c1municación entre las células está mediada fundamentalmente por moléculas t'_, tracelulares. Algunas de ellas trabajan a largas distancias, senalizando células muy 1 )tras sólo señalizan las células inmcdimamente veci11as. La mayorfa de las células rganismos pluricelulares tamo emiten como reciben set'iales. La recepción de las sefll'nde de protelnas receptoras situadas casi siempre en la superficie celular, que se 1.1 molécula señal. La unión activa el receptor el cual, a su vez, activa una o más ufas ''lares de señalización. Estas cadenas de liberación de moléculas -principalmente ,,, se1ial itllracelulares- procesan la señal dentro de la célula receptora y la distribudianas intracelulares adecuadas. Por lo general, estas dianas son proteínas efecto.w al teran cuando se activa la vfa de señalización y provocan un cambio apropiado •portamiento celular. En función de la senal y de la naturaleza y del estado de lacé•·¡Jtora, estos efectores pueden ser pro ternas reguladoras de genes, canales iónicos, '"'ntes de una vfa metabólica, panes del citoesqueleto u otras formaciones celulares

En este capítulo PRINCIPIOS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN CELULAR

879

SEÑALIZACIÓN A TRAVtS 904 DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A PROTEfNAS G (GPCR} Y MEDIADORES INTRACELULARES PEQUEÑOS SEÑALIZACIÓN A TRAV~S DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS

922

VlAS DESEÑALIZACIÓN 946 DEPENDIENTES DE PROTEOLISIS REGULADA POR PROTEINAS LATENTES REGULADORAS DE GENES SEÑALIZACIÓN EN PLANTAS

955

t :->-1).

•·,te capítulo, se describirán en primer lugar los principios generales de la comwli•·lular. A continuación, se examinarán las principales familias de proteínas recepto•pcrficie celular y las principales cascadas de seflalización intracelular que activan. •·1capítulo se centra sobre todo en las células animales, finalizaremos considerando 11·rfsticas especiales de la comunicación celular en plantas.

NCIPIOS GENERALES LA COMUNICACIÓN CELULAR IIIICs de que los organismos pluricelulares aparecieran sobre la Tierra, los organis' •·lularcs ya habían desarrollado mecanismos que les permitran responder a camlllicos o ffsicos de su entorno. Casi con toda seguridad, estos mecanismos también 1111an responder a la presencia de otras células. Algunas evidencias de ello proceden ln1' reali7.ados en organismos unicelulares actuales como las bacterias o las levadu.tr de que estas células llevan una vida fundamentalmente independiente, pueden .tr~e entre sf y cada una de ellas puede influir en el comportamiento de otras célu-

879

880

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

PROTEINA RECEPTORA

membrana plasmática de la célula diana

l

• • l

PROTE[NAS SEÑALIZADORAS INTRACELULARES

Figura 15-1 Una vla sencilla de señalización intracelular activada por una molécula señal extracelular. La molécula señal normalmente se une a una protefna receptora situada en la superficie celular de la célula diana y activa una o más vías d señalización intracelular mediada por una serie de proteínas señalizadoras. Por último, una o más de estas protefnas intracelularl $ de señalización modifican la actividad de las protefnas efectoras y de este modo el comportamiento de la célula.

l

• / 1\ PROTEINAS EFECTORAS

enzima metabólica

l cambios en el metabol1~mo

protelna del protelna reguladora de la citoesqueleto expresión génica

~ cambios en la expresión géníca

l

cambios en la forma o en los movimientos celulares

las. Por ejemplo, muchas bacterias responden a señales qufmicas secretadas por sus vecinas y que aumentan de concentración cuando aumenta la densidad de lo población. Este proceso, denominado detección de quórum permite a la bacteria coordinar su comportamiento. incluyendo su motilidad, la producción de antibióticos, la formación de esporas y la conjugación sexual. De forma similar, las células de levadura se comunican entre sf en preparación para el acoplamiento sexual. La levadura de gemación Sacclzaromyces cereuisiae proporciona un ejemplo bien estudiado: cuando un individuo haploide está preparado para el acoplamiento, segrega un péptido denominado factor de acoplnmiellto que constituye una señal para que las células cuyo tipo de acoplamiento es el contrario dejen de proliferar y se preparen para el acoplamiento (Figura 15-2). La posterior fusión de dos células haploides de tipo de acoplamiento contrario produce una célula dip loide, la cual entonces puede sufrir meiosis y esporular, generando células haploides con una nueva dotación de genes (véase Figura 21 - 38). El mezclado de los genes cravésde la reproducción sexual ayuda a las especies a poder sobrevivir en un ambiente que varfa de forma impredecible (como se describe en el Capftulo 21). Estudios sobre levaduras mutan tes que son incapaces de acoplarse han permitido identificar muchas proteínas que son necesarias para este proceso de señalización. Estas proternas forman una red de señalización que incluye receptores de superficie celular, protefnas de unión a GTP y proteínas quinasa, cada una de las cuales tiene parientes cercanos entre las protefnas receptoras y las protefna intracelulares que panicipan en la señalización de las células animales. Sin embargo, a través de la duplicación génica y de la divergencia. los sistemas de señalización de los animales han llegado a ser mucho más elaborados que los de las levaduras; por ejemplo, e l genoma humano tiene más de 1500 genes que codifican proternas receptoras y el número de protefnas receptoras diferentes es todavfa mayor debido a la maduración alternativa del RNA y a modificaciones postraduccionaJes. El gran número de proteínas señal, de receptores y de protefnas señal intracelulares utilizadas por los animales se pueden agrupar en un número mucho menor de familias de proteínas, la mayoría de las cuaJes han sido muy conservadas durante la evolución. Las moscas, los gusanos y los mamíferos utilizan maquinarias de comunicación celular que son esencialmente idénticas, y muchos de los componentes clave y vfas de señalización se descubrieron a través de análisis mutacionaJcs en Drosophila y en C. elegans.

Figura 15-2 Las células de levadura responden a un factor de acoplamienttt (A) Por lo general, las células de levadurb son esféricas (B), pero en respuesta al 1 de acoplamiento secretado por células levadura vecinas, emiten una protu~r hacia la fuente del factor en preparación el acoplamiento. (Cortesia de Michael S

~u'ltl"\c GENERALES DE LA COMUNICACIÓN CELULAR

s moléculas señal extracelulares se unen a receptores específicos ~lulas

de los animales pluricelulares se comunican mediante centenares de tipos de ulas señal, incluyendo proteínas, pequeños péptidos, aminoácidos, nucleótidos, es,kJt-s, retinoides, derivados de ácidos grasos, e incluso gases disueltos como eJ óxido nítrirl monóxido de carbono. La mayorfa de estas moléculas señal son liberadas por las s señalizadoras al espacio extracelular mediante exocitosis (se describe en el CapftuJo Otras se liberan por difusión a través de la membrana plasmática, y otras quedan exla~ al espacio extracelular mientras permanecen fuenemente unidas a la superficie de ula señali7.adora y sólo constituyen una señal para las otras células cuando entran en •••cto con ellas. Las proteínas transmembrana pueden actuar como señalizadoras de esta 1\a o sus dominios extracelulares pueden ser liberados de la superficie celular mediante ru proteolltica y, asf, actuar a distancia. Sea cual sea la naturaleza de la molécula señal, la célula diana responde mediante un .-.,cor, que se une especfficamente a la molécula señal y entonces inicia una respuesta en ula diana. Muchas de las moléculas señal extracelulares actúan a concentraciones muy !típicamente s 10 8 M), y los receptores que las reconocen se w1en a ellas por lo gene"' una elevada afinidad (constante de afinidad Ka ~ 1o" litros/mol; véase la Figura 3-43). En la mayorfa de los casos, los receptores son proteínas transmembrana de la superficie .células diana. Cuando estas proteínas se unen a una molécula señal extracelular (un , se activan y generan varias señales intracelulares que alteran el componamiento rtllula. En otros casos, los receptores están situados en el interior de la célula diana y lc'cula señal tiene que entrar en la célula para activarlos: estas moléculas señal, por lo deben ser lo bastante pequeñas e hidrofóblcas para poder difundir a través de la plasmática (Figura 15-3).

moléculas señal extracelulares pueden actuar a corta larga distancia moléculas sciial permanecen unidas a la superficie de la célula señalizado m, inllu' o,ólo en las células con las que entran en contacto (Figura 15-4A). Esta señalización llflndlente de contacto es en especial importante durante el desarrollo y en respuestas inDurante el desarrollo. la señalización dependiente de contacto puede actuar a rusrelativamente grandes. cuando las células que se comunican emiten largos brazos ntrar en contacto entre sí. \in embargo, en la mayorfa de casos las células serial secretan moléculas señal al Ou ido t·htlar. Las moléculas secretadas pueden ser transponadas a largas distancias y actuar t·t'lulas diana muy alejadas, o pueden actuar como mediadores locales afectando únia células del ambiente inmediato a la célula señal. Este úlumo proceso se denornieeftallzaclón paracrina (Figura 15-46). Habitualmente en la señalización paracrina la 6f•rializadora y la célula diana son tipos celulares diferentes, pero las células también productr señales a las que responden ellas mismas. A este tipo de señalización se le seiinfización nwocrina. Por ejemplo, las células cancerosas utilizan a menudo estic> estrategia para estimular su propia supervivencia y proliferación. ua q ue las señales paracrinas sólo actüen de forma local es necesario que las molécusecretadas no puedan difundir muy lejos; por esta razón por lo general son captaptdamente por las células dtana vecinas, destruidas por enzimas extracelulares o -~~o·tlizadas por la matriz extracelular. Los proteogfuCllnos llepará11 sulfato (se tratan en eJ 19), tanto de la matriz extraceJular como los unidos a las superficies celulares, a mep.trticipan en la localización de la acción de proteínas señal secretadas. Tienen largas laterales de polisac.iridos que unen proteínas señal y las inmovilizan. También puemtrolar la estabilidad de estas proteínas, su transporte a través del espacio extraceluu interacción con los receptores de superficie celular. También existen protefnas istas secretadas, que modifican la distancia a la que actüa una señal paracrina. untagonistas se unen a la molécula señal o a su receptor de la superficie celular blosu actividad; este hecho desempeña un papel importante en la restricción del raneficiencia de una protefna señal secretada que influencia las decisiones de desarrollo ncran las células embrionarias (se describe en el CapftuJo 22). " organismos pluricelulares, grandes y complejos, necesitan mecanismos de señalil de largo alcance para coordinar el componan1iento de sus células en zonas remotas

881

(A)

RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR

proteína receptora de superficie celular

molécula sel'lal hidroflllca (B)

célula dtana

RECEPTORES INTRACELULARES

pequena molécula seí'lal hidrofób•ca

protelna transportadora

protefna receptora intracelular

núcleo

Figura 1S-3 Las moléculas señal ext.racelulares se unen a receptores de la superficie celular o a receptores intracelulares. (A) La mayorla de las moléculas señallzadoras son hidrofnicas y, por tanto, Incapaces de atravesar directamente la membrana plasmática de la célula dtana; por ello, se unen a receptores de la superficie celular que, a su vez. generan señales en el interior de la célula diana (véase la Figura 15 1). (B) Por el contrario, algunas moléculas señal pequenas difunden a través de la membrana plasmátrca y se unen a proteínas receptoras situadas en el interior de la célula diana - en el citosol o en el núcleo (como se muestra en la ilustración). Muchas de estas moléculas señal pequeñas son hidrofóbicas y casi insolubles en soluciones acuosas; por ello, son transportadas a través del torrente sangufneo y de otros fluidos extracelulares, unidas a protefnas transportadoras, de las que tienen que disociarse antes de entrar en la célula diana.

882

(A)

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

DEPENDIENTE DE CONTAGO

célula sei'lalízadora

I (B)

1

célula diana

PARACRINA

~)

célula sei'lalizadora

'-· mol~cula

mediador local

sei'lal unida a la membrana

(0

C.;..J-•"

SINÁPTICA

(O)

células diana

·-

ENDOCRINA

1

célula endocrina

receptor 1

r.:, M"~---_;r[l) .¡apsis l'")

\.1

Figura 15-4 Cuatro formas de señatizacíón intercelular. (A) La señalización dependiente de contacto requiere que las células esté11e contacto directo a través de sus membrana (B) La señalizaCión paracnna se basa en señales liberadas por las células al medio extracelular y que actuan de forma local sobre células ve<inas. (C) La señalización smáptica la realizan neuronas que transmítl señales eléctricas a lo largo de sus axones y liberan neurotransmisores en las sinapsis, l.l cuales pueden estar muy alejadas del soma celular. (D) La señalización endocrina se basa en células endocnnas, que se<retan hormonas al torrente sangutneo desde donde son dlstnbuidas por todo el organismo. En las señalizaciones paracrina, sináptlca y endocrina se utilizan muchos de los mismos t1pos de moléculas señalizadora Las diferencias cruciales radican en la velocidad y en la sele<tlvtdad con que las señales son liberadas a sus dianas.

r \ ---~ ./ axón / célula diana soma ansm1sor celular

¡ ,

circulación sangulnea l

de su cuerpo. Por ello han desarrollado tipos celulares especializados en la comunicación mtercelular a larga distancia. Los má!> sofisticados de ellos ~on las células nerviosas, o neuronas, que tfp1camente extienden largas prolongaciones (axones) que les pem1iten entrar en contacto con las células diana aunque estén situadas muy lejos. En estos lugares de contacto, las prolongaciones forman unas estructuras especializadas en la transmisión de seilales denominadas sinapsis qufmicas. Cuando se activan por estímulo!> procedemes del ambieme o de otras células nerviosas, las neuronas envran impulsos eléctricos (potenciales de acción) que avanzan con rapidez por el axón; cuando un impulso de este tipo llega a una sinapsis. al final del axón, provoca la secreción de una señal qufmica que actúa como un neurotran sm isor. La estructura organizada de forma tan compacta de una sinapsis asegura que el neurotransmisor sea liberado especfficameme a los receptores de la célula diana postsináptica (Figura 15-4C). Este proceso de señaU7..acióo slnáptlca se trata en detalle en el Capftulo 11 . Una estrategia bastante diferente de sci'lalización a larga distancia utlJi7.a las célu las endocrinas. Estas células secretan sus moléculas señal, denominadas hormonas, al torrente sanguíneo, que las transpona a largas distancias y las distribuye por todo el cuerpo, permitiendo que actúen sobre células diana que pueden encontrarse en cualquier lugar del organismo (figura 15-40). En la Figura 15-5 se comparan los mecanismos que permiten a las células endocrinal> y a las células nerviosas coordinar a largas distancias el componamiento celular en los animales. Dado que la señalización endocrina depende de la difusión y del flujo sanguíneo, es relativamente lenta. Por el contrario, la señalización sináptica es mucho más rápida y también mucho más precisa. Las células nerviosas pueden transmitir infom1adón a grandes distancias mediante impulsos eléctricos que viajan a velocidades de hasta 100 metros por segundo; una vez liberado por una terminación nerviosa, un neurotransmisor difunde no más de lOO nm hasta la célula diana, un proceso que dura menos de un milisegundo. Otra diferencia entre la señalización endocrina y la sináptica es que, mientras que las hormonas se dilu yen enormemente en la sangre circulante y en el líquido intersticial, por lo que tienen que poder actuar a concentraciones muy bajas (de forma característica < 1Q-8 M), los neurotransmisores se diluyen mucho menos y alcanzan concentraciones locales altas. Por ejemplo, la concentración del neurotransmisor aretilcolina en la henclidura sináptica de una unión neuromuscular activa es de alrededor de 5 x l04 M. Por lo tanto, en la señali7..ación sináptica los receptores de los neurotransmisores tienen una afmidad relativamente baja por sus ligandos, lo que significa que el neurotransmisor puede disociarse rápido del receptor y facilitar que la

..

NCIPIOS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN CELULAR

, .. 1S-5 Contraste entre la señalización endocrina y las estrategias neuronales para un amplio 1 de señalización. En animales complejos, las células endocrinas y las células nerviosas actúan •••lamente coordinando las actividades de células de diversas partes del cuerpo. Mientras que !fltes células endocrinas tienen que utilízar diferentes hormonas para comunicarse de forma ·fica con sus células diana, diferentes células nerviosas pueden utilizar el mismo neurotransmisor .arde ello, comunicarse también de este modo. (A) Las células endocrinas secretan hormonas a la •(IÓn y sólo actúan en aquellas células diana que tienen los receptores apropiados: los receptores ~·n específicamente a la hormona, que será asf •atrapada" por las células desde ellfquido extracelular. 1,1 señalización sináptica, por el contrario, la especificidad reside en los contactos entre la célula .a y las células diana especificas que señaliza. ·CTGA. Generalmente, sólo está expuesta al •ansmisor liberado por la terminación nerviosa la célula diana que se halla en contacto sináptico .. ~lula nerviosa (aunque algunos neurotransmisores actúan de una manera paracrina como dores locales que Influencian muchas células diana en un área).

883

(A)

SEÑALIZACIÓN ENDOCRINA

• células L.~ endocrinas

---¡. •

~

B

)

hormonas

,.,.,ta termine. Además, los neurotransmisores son retirados con rapidez de la hendidura plica, tanto por enzimas hidrolftícas espedficas que lo destruyen como por protefnas de l•hrana especrticas que transporran el neurotransmisor, bombeándolo de nuevo hacia la 1111ación nerviosa o hacia las células gliales vecinas. Asf pues, la señalización sináptica es l1o más precisa que la señalización endocrina, tanto en tiempo como en espacio. 1.1 velocidad de respuesta a una sena! ext:racel ular depende no sólo del mecanismo de lhución de la sefia.J, sino también de la naturaleza de la respuesta en la célula diana. En ) 'ns en los que la respuesta solamente requiere cambios en protefnas que ya están prec' en la célula, ésta puede darse muy rápidamente: por ejemplo, un cambio alostérico ''rana! controlado por un neurotransmisor (se analiza en el Capftulo 11) puede al terar :•r.•ncial eléctrico de la membrana en cuestión de milisegundos y las respuestas que sófll'nden de la fosforilación de protefnas pueden darse en cuestión de segundos. Sin em'· cuando la respuesta implica cambios en la expresión génica y en la sfntesis de nuevas 111as, por lo general requiere muchos minutos o incluso horas para producirse, indel,..ntemenle del sistema de transmisión de la señal (Figura 15-6).

circulación sanguinea

células diana

(B)

SEÑALIZACIÓN SINÁPTICA

neuronas molécula se"'al extracelular

1

ALTERACIÓN DE LA FUNCIÓN DE LA PROTEfNA

\

\ .. ALTERACIÓN DE lA MAQUINARIA CITOPLASMATICA

ALTERACIÓN DEL COMPORTAMIENTO CELULAR

• 1S-6 La señales extracelulares actúan de forma lenta o rápida cambiando el comportamiento célula diana. Ciertos tipos de respuesta señalizadoras, como el incremento del crecimiento y la • celulares, implican cambios en la expresión de genes y en la síntesis de nuevas proteínas; por ,, • ocurren lentamente, a menudo puede transcurrir una hora o más. Otras respuestas -como los ,, en el movimiento de la célula, la secreción o el metabolismo- no implican por necesidad ·~en la transcripción y, por lo tanto, se producen con mucha más rapidez. a menudo en cuestión utos o segundos; estos cambios pueden ser por ejemplo la fosforiladón rápida de proteínas •Js en el citoplasma. Las respuestas sinápticas mediadas por cambios en el potencial de membrana n ocurrir en cuestión de milisegundos (no mostrado aquQ.

WN

células diana

884

Capitulo 15: Mecanismos de comunicación celular

Las uniones de tipo gap permiten que las células vecinas compartan la información de señalización Las unJones de tJpo gap son canales muy estrechos llenos de agua que conectan directamente los citoplasmas de dos células epiteliales adyacentes o de algunos otros tipos celulares (véase la Figura 19-34). Los canales permiten el intercambio de iones inorgánicos y de otras pequei\as moléculas solubles en agua, pero no de macromoléculas como protefnas o ácidos nucleicos. Asf, las células que están conectadas por uniones de tipo gap pueden comunicarse entre sf de forma directa sin tener la dificultad de la barrera que supone la presencia de las membranas plasmáticas (figura 15-7). De esta forma, las uniones de tipo gap proporcionan la forma más fntima de todas las formas de comunicación celular, puentes citoplasmáticos (véase la Figura 21-31) o fusión celular. En contraste con otros sistemas de comunicación celular, por lo general las uniones de tipo gap permiten que la comunicación se produzca en ambos sentidos de forma simétrica y su efecto tfpico consiste en homogeneizar la!> condiciones de las células que se comunican. También pueden ser importantes diseminando el efecto de las senales extracelulares que actúan a través de mediadores intracelulares pequer1os, como el Ca2+ y el AMP cfclico (se describe más adelante), los cuales pasan fácilmente a través de los canales de las uniones de tipo gap. Por ejemplo, en el hfgado una cafda en la concentración de los niveles de glucosa en sangre estimula la liberación de noradrenalinn {norepinefrina) por las terminaciones nerviosas simpáticas. La noradrenalina estimula a los hepatocitos {células del hfgado) a que aumemcn la degradación de glucógeno y a que liberen glucosa a la sangre, una respuesta que depende de un incremento de los niveles intracelulares de AMP cfclico. Sin embargo. no todos los hepatocitos están inervados por terminaciones nerviosas simpáticas. Mediante las uniones de tipo gap que conectan los hepatocitos. los hepatociros inervados transm iten la senal a los no inervados, al menos en parte mediante el desplazamiento de moléculas de AMP cfclico a través de las uniones de tipo gap. Como era de esperar, los ratones que tienen una mutación en el gen de las uniones de tipo gap, que se expresa sobre todo en el hfgado, no pueden movilizar la glucosa normalmente cuando los niveles de glucosa en sangre caen. Las uniones de tipo gap se tratran en detalle en el Capftulo 19.

Cada célula está programada para responder a combinaciones específicas de moléculas señal extracelulares Una célula tfprca de un organismo pluricelular puede estar expuesta a cenlcnares de moléculas señal diferentes de su entorno. Estas moléculas pueden ser solubles, estar unidas a la matriz extracelular o esta r unidas a la superficie de las células vecinas; pueden ser estimuladoras o inhibidoras; pueden actuar en innumerables combinacrones diferentes y pueden afectar a casi cualquier aspecto del comportamlenlo de la célula. La célula puede responder selectivamente a este babel de señales selectivas, de acuerdo con su carácter especffico. Este carácter lo ha adqui rido mediante la progresiva especialización celular en el transcurso del desarrollo. Una célula puede estar programada para responder a un conjunto de sei\ales, diferenciándose; a otro conjunto de sen al es, creciendo y dividiéndose, y a otro grupo de senales, desarrollando alguna función especializada como la contracción o la secreción. Uno de los grandes retos de la biología celular consiste en llegar a conocer de qué forma las células integran todas esta información de señales para poder realizar las decisiones cruciales: dividirse, diferenciarc;e, etc. Para la mayorfa de las células de los tejidos animales, incluso la decisión de continuar viviendo depende de la interpretación correcta de una combinación específica de senales necesaria para sobrevivir. Cuando a una célula (p. ej. en cultivo) se la de priva de estas senales. activa un programa suicida y se mata, habitualmente por apoptosis, una forma de muerte celular programada {Figura 15-8), como se describe en el Capftulo 18. Debido a que diferentes tipos de células necesitan combinaciones diferentes de senales de supervivencia, cada tipo celular está restringido en el cuerpo a un juego específico de ambientes. Por ejemplo, muchas células epiteliales requieren señales de supervivencia procedentes de la lámina basal sobre la que están asentadas (se trata en el Capftulo 19); mueren por apoptosis si pierden el contacto con su lámina de matriz. En principio, los centenares de moléculas señal que produce cada animal pueden utili7..arse para generar un número casi ilimitado de combinaciones que permiten controlar los diferentes comportamientos de sus células de una manera muy específica. Son suficientes

unión de tipo gap

l molécula pequena Figura 15-7 Señalización a través de uniones de tipo gap. Las células que están conectadas por uniones de tipo gap comparten pequeñas moléculas, Incluidas las moléculas señalizadoras pequeñas intracelulares como el AMP del leo y el c.a2+, por lo que pueden responder a señales extracelulares de forma coordinada.

NCIPIOS GENERALES DE LA COMUNICACIÚN CELUlAR 885

A" B-

e/

®-::

A "@

i

B-

e-

r

CRECE V SE DE

DI~

- ,

'

SDBREVIV>

:. .

"1

,( !

o ~

(!)'J' w

.-

E

o

A"

a-@ e

1 F

\

SE DIFERENCIA

G

@ -,

MUERE

. ,. . .

~ '""'' ~

apoptótica

1Hnero relativamente pequeflo de tipos de moléculas señali?.adoras y de receptores. La 11lt•jidad radica en las maneras en las que las células responden a las combinaciones de 1,., que reciben.

r lo general diferentes tipos de células responden forma diferente a una misma molécula señal extracelular :lnera específica en la que una célula reacciona con su entorno depende no sólo de las lnas receptoras que posee sino también de la maquinaria imracelular a través de la cual '·'e interpreta las ser1ales que recibe. Asf, por lo general una misma molécula serial tie' tos diferentes sobre diferentes tipos de células diana. Por ejemplo, el neurotransmisor • «llína (Figura 15-9A) disminuye la frecuencia y la fuerza de contracción de las libras 1tl•tres del corazón (Figura 15- 98), pero estimula la contracción de las células del rnús,·,quelético (Figura 15-9C). En este caso, las proteínas receptoras de acetilcoli na de las musculares esqueléticas son diferentes de las de las fibras musculares cardíacas. Sin r ~o. las diferencias entre los receptores casi nunca explica las düerencias de efectos, ya 1 unión de una misma molécula ser1al a proteínas receptoras idénticas produce res"" muy diferentes en diferentes tipos de células diana, como en el caso de la unión de 11kolina al músculo cardiaco y a células de las glándulas salivares (compárense las " 15-9B y 15-9 0). En algunos casos, este fenómeno reneja diferencias en las proteínas .tdoras activadas mientras que en otros refleja diferencias en las proteínas efectoras o ~t·nes activados. Por lo tanto, una molécula seiial extracelular contiene en sf misma poca información; sencillamente induce a la célula a que responda de acuerdo con .u lo predeterminado, que depende de la historia de su desarrollo y de los genes que

•• 11 reto de entender de qué fonna las células integran, procesan y reaccionan a las dife•·ntradas de información que reciben es análogo en muchos aspectos al reto de en' de qué forma el cerebro integra y procesa la información para controlar el '"rtamiento. En ambos casos para entender cómo funcionan los procesos no es sufi1' nmocer el listado de los componentes y de las conexiones que hay en el sistema. En r lugar hemos de considerar algunos principios básicos relativos a la manera en la que ·lula responde a una señal sencilla de w1 tipo determinado.

Figura 15- 8 Dependencia de múltiples moléculas señalizadoras extracelulares de la célula animal. Cada tipo celular presenta un conjunto de receptores que le permite responder a un conjunto correspondiente de moléculas señal producidas por otras célula5. Estas moléculas señal actúan de forma combinada y regulan el comportamiento de la célula. Como se muestra aqul, una célula individual, a menudo requiere varias señales para sobrevivir (flechas azules) y señales adicionales para dividirse (flechas rojas) o diferenciarse (flechas verdes). Si se depriva a la célula de las señales de supervivencia apropiadas, inicia una forma de suicidio celular conocida como apoptosis o muerte celular programada. La situación real es incluso más compleja. Aunque no se muestra, algunas moléculas señalizadora5 extracelulares actúan Inhibiendo el comportamiento de éstas y otras células, y hasta pueden Inducir la apoptosis.

886

Capít ulo 15: Mecanismos de comunicación celular

(A) acet1lcolina

?!

(B) fibra muscular cardiaca

(C) fibra muscular esquelética

1~]

HlC-C-O-CH2-CH 2-N -CH, 1

CH 1

\\

acetilcoltna

• ·-

El destino de algunas células en desarrollo depende de su posición en un gradiente de morfógeno (O) célula de la gl.indula_salíval

Una misma señal que actúa sobre un mismo tipo de células puede e¡ercer sobre ellas efectos cualitativamente diferentes, dependiendo de la concentración de la señal Como se expone en el Capítulo 22, respuestas diferentes de este tipo de una célula a concentraciones diferentes de una misma molécula !>eñal son cruciales en el desarrollo de los animales, cuando las células empiezan a diferenciar~>e unas de otras. En estos casos, la molécula señal.i7..adora extracclular se denomina moñ ógeno y, en los caso!> más sencillos, difunde a partir de una fuente celular locafu.ada (un centro señafiwdor) generando un gradiente de concentración de la señal. Lru. células que responden adoptan diferentes destinos celulares de acuerdo con su posición en el gradiente: la!> células que están más cerca del centro senalizador y que, por tanto, estarán expuestas a las mayo re!> concentraciones del morfógeno, tendrán un número mayor de receptores activados y seguirán un vfa de desarrollo; las que están un poco más alejadas !>eguirán otra vfa de desarrollo, y así sucesivamente (11gura 15-10). Como se describe más adelante (y en el Capitulo 22), el diferente nivel de receptores activados genera diferencias en la concentración o en la actividad de una o más proteínas reguladoras de genes en el núcleo de cada célula, lo cual a su vez genera diferencias en el patrón de la expresión génica. Además, por lo general las interacciones de !>eñalización local entre las células de un gradiente facilitan la determinación y estabili7..an los diferentes destinos de estas células.

Figura 15- 9 Diferentes respuestas inducidat por el neurotransmisor acetilcolina. (A) Estructura qufmica de la acet1lcolina. (8-D) Diferentes tipos celulares están especializados en responder a la acetílcolina de manera distinta. En algunos casos (8 y C), los receptores son diferentes. En otros caso~ (8 y 0), la acetilcolina se une a proteínas receptoras similares, pero la ser'talización intracelular que produce se interpreta de manera d1ferente en células especializadas en realizar funciones d1ferentes.

Una célula sólo modifica rápidamente la concentración de una molécula intracelular si la vida media de esta molécula es corta Es natural pensar en los sistemas de se1ialización en témünos de los camb1os que se producen cuando se libem una se11al extracclular. Pero también resulta importante considerar qué ocurre cuando esta señal se elimina. Durante el desarrollo, a menudo ocurre que señales extracelulares transitorias producen efectos duraderos: pueden desencadenar un cambio en el desarrollo de la célula que persiste indefinidamente, a través de mecanismos de procesos de memoria celular como los que tratamos más adelante (y en los Capítulos 7 y 22). Sin embargo en la mayorfa de los cac;os, especialmente en los tejidos adultos, la respuesta se desvanece cuando cesa la señal. A menudo el efecto es transitorio porque la señal ejerce sus efectos alterando la concentración de un conjunto de moléculas de vida media corta (inestables), que está en continuo recambio continuo. Así. cuando la señal cesa el recambio de las moléculas viejas por moléculas nuevas borra las trazas de la acción de la señal. De ello se deduce que la velocidad a la cual una célula responde a la eliminación de la señal depende de la velocidad de destrucción, o recambio, de las moléculas intracelulares a las que afecta la señal. También es cierto, aunque puede no resultar tan obvio, que esta velocidad de recambio puede determinar la velocidad de la respuesta cuando llega una señal extracelular. Consideremos por ejemplo dos moléculas señalizado ras intracelulares X e Y. y que ambas se mantienen normalmente a una concentración de 1000 moléculas por célula. La célula sintetiza y degrada la molécula Ya una velocidad de 100 moléculas por segundo, de forma que cada molécula tiene una vida media de 10 segundos. A su vez, la molécula X tiene una velocidad

fuente de morfógeno

l gradiente de morfógeno ~

células no compro

<i)

células compro

l

A

B

e

Figura 15- 1 OLas células adoptan diferen destinos dependiendo de su posición en gradiente de morfógeno. Las diferentes concentraciones de morfógeno inducen la expresión de grupos de genes diferentes. W cual da lugar a diferentes destinos celular' ' (indicado en colores diferentes).

IPIOS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN CELULAR

887 · K<:::::

'

'

· 1200 min

'

11

10

r, mln

ll

40 min

8

6

10m1n

!Om1n

4

40min

2 ...........

,,

.:

11

~

1 mm

o despues de que la velocidad de sfntesls 'disminuido en un factor de 10 I•Js

(A)

2

11

' ' 200mm 1

4

6

8

10

minutos despues de que la velocidad de slntesis haya aumentado en un factor de 10 (B)

un bio l Oveces más lema: se sintetiza y degrada a una velocidad de 10 moléculas por Pdo. de forma que cada molécula tiene una vida media de 100 segundos. Si una señal • rtia sobre la célula genera un incremento de 10 veces en las velocidades de sfntesis tll' X como de Ysin alterar las vidas medias, al final del primer segundo la concentrael•· Yse habrá incrementado unas 900 moléculas en cada célula (JO x l 00 - 100) mientras b ronccnrración de X sólo se habrá incrementado 90 moléculas por célula. De hecho, u·, de que su velocidad de sfntesis haya aumentado o disminuido de forma abrupta. el pn necesario para que una molécula llegue a medio camino entre su concentración an' ' u nueva concentración de equilibrio es igual a su vida media, es decir, al tiempo que ,íH•resario para que su concentración bajara a la mitad si se parara por completo su sfnl'lgura 15-11). 11mismo principio se aplica tanto a protefnas como a pequeñas moléculas, tanto si se •·ntran en el espacio extracelular como si son intracelulares. Muchas protefnas in trace' tienen vidas medias muy cortas; algunas de ellas sobreviven menos de 10 minutos. 1nayorfa de los casos son protefnas que úenen un papel regulador clave y cuyas con'nones celulares están reguladas rápidamente mediante cambios en la velocidad de llt'Sis.

Mas adelante veremos que muchas respuestas celulares a señales extracelulares depend•· la transformación de protefnas señali7..adoras intracelulares de su estado inactivo a su '• activo y no de su síntesis o degradación. Por ejemplo, es habitual que la fosforilación 111ión de GTP activen protefnas señalizadoras. Sin embargo, incluso en estos casos la " tón se puede revertir de forma rápida y continua (en estos ejemplos mediante la des' 1lación y la hidrólisis del GTP a GDP. respectivamente) para que el proceso de señali•n sea lo más rápido posible. Estos procesos de inactivación desempeñan un papel ti determinando la magnitud, la velocidad y la duración de la respuesta.

óxido nítrico, un gas, actúa como una señal regulando ctamente la actividad de determinadas proteínas el interior de la célula diana tyor parte de este capftulo trata de vías de señali?.ación activadas por receptores de sul l' celular. Sin embargo, antes de estudiar estos receptores y sus vías de señalización, . a considerar brevemente algunas moléculas señalizadoras importantes que activan re-

Figura 1 S-11 Importancia de un recambio rápido. La figura muestra predicciones de las velocidades relativas de cambio de las concentraciones intracelulares de moléculas que tienen diferentes velocidades de recambio, cuando sus velocidades de sfntesis (A) disminuyen o (BJ aumentan repentinamente en un factor de 1O. En ambos casos, la concentración de las moléculas que normalmente son degradadas con rapidez en la célula (lfnea roja) cambia rápidamente mientras que la concentración de las moléculas que por lo general son degradadas de forma más lenta (lfneas verdes) cambian en proporción más despacio. los números (en azul) del lado derecho de las gráficas son las vidas medias asumidas para cada una de las diferentes moléculas.

888

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

(A)

e• •lula$ de la

mustulatura

(B)

Figura 15-12 Papel del óxido nítrico (NO) en la relajación de la musculatura lisa de la pared de los vasos sangulneos. (Al Dibujo sencillo de un nervio autónomo que conta•:tl con un vaso sanguíneo. (B) La acetilcolina liberada por las terminaciones nerviosas d•! la pared del vaso sanguíneo activa la enzirN NO sintasa en las células endoteliales que recubren el vaso sangufneo; el resultado es que producen NO a partir de arglnlna. El NO difunde fuera de las células endotellales, hacia las células vecinas de la musculatura lisa, donde se une y activa a la guanilato dclasa, que produce GMP dclico. El GMP dcllco desencadena una respuesta que hace relajar la fibra muscular lisa y aumenta asl el flujo de sangre a través del vaso sangulneo.

lámina basal

11~

J,. ,J ~~rminación

~rviosa activada

-

acet1lcolina

'

NO unido a la

.••---

DIFUSIÓN RÁPIDA DE NO A TRAV~S DE LAS MEMBRANAS

éélula endotelial

guanilato cidasa

RELAJACIÓN RÁPIDA DE LA dLULA DE LA MUSCULATURA USA

ce1Uid 111USCUiaf 11~ª

ceptores intracelulares. Entre estas moléculas se cuentan el óxido nftrico y las hormonas esteroideas, de las que trataremos por orden. A pesar de que la mayoría de las moléculas seiíal extracelulares son h.id.roffiícas y se unen a receptores situados en la superficie de la membrana de la célula diana, algunas de ellas son lo bastante hidrofóbicas, o pequeiías o ambas cosas a la vez, para atravesar fácilmente la membrana plasmática de la célula diana Una vez en el interior, regulan de forma directa la acrividad de prote[nas intracelulares determinadas. Un ejemplo importante y destacable lo constituye el gas óxido nltrico (NO: nitrie oxide), que actúa como una molécula seí\al tanto en animales como en plantas. Incluso algunas bacterias pueden detectar concentraciones muy bajas de NO y alejarse de él. En mamíferos, w1a de las funciones del NO es relajar la musculalura üsa. Por ejemplo, esta función la realiza sobre las paredes de los vasos sangurncos (Figura 15-12A). Las terminaciones nerviosas de los nervios autónomos en las paredes de los vasos sangurneos liberan acetilcolina. La acetilcolina actúa sobre las células endoteliales vecinas, que recubren el inlerior de los vasos, y las células endoteliales responden liberando NO, que relaja Las células musculares Usas de la pared y perrn.ite que el vaso se dilate. Este efecto del NO sobre los vasos sangufneos proporciona una explícación del mecanismo de acción de la nitroglicerina, que ha sido utilizada durante más de lOO aí\os para tratar pacientes con angina de pecho (dolor debido a un flujo sanguíneo inadecuado en el músculo cardíaco). La nitroglicerina es transformada en NO. el cual relaja los vasos sanguíneos. Este hecho reduce la carga de crabajo del corazón y, en consecuencia, reduce el requerimiento de oxígeno del músculo cardfaco. Muchos tipos de células nerviosas utilizan gas NO más directamente para señalizar a sus células vecinas. Por ejemplo, el NO liberado por los nervios autónomos en el pene provoca la dilatación local de los vasos sanguíneos, que son responsables de la erección. los macrófagos y los neutrófilos activados también producen NO como mediador local para colaborar en el proceso de eliminación de microorganismos invasores. En plantas, el NO está impl.icado en las respuestas defensivas al daño o a la infección. El gas NO se sintetiza mediante la desam.inación del aminoácido argin.ina, catalizada por enz.imas den ominadas NO sintasas (NOS) (Figura 15-12B). La NOS de las células endoteliales

GENERALES DE LA COMUNICACIÓN CELULAR

889 fl•llnina eNOS mientras que la de las células nerviosas y musculares se denominan '••~ ct'!Iulas nerviosas y musculares sintetizan nNOS de forma constitutiva, la cual es r., a producir NO mediante w1 ínnujo de Ca2-t cuando las células son estimuladas. Por ••:trio. los macrófagos sintetizan otra NOS, denominada NOS inducible (iNOS) ya que .mtetizan cuando están activados, habitualmente en respuesta a una infección. ).ado que el NO disuelto atraviesa fácilmente las membranas, difunde con rapidez al r de la célula que lo sintetiza y entra de forma directa en las células vecinas (véase 11-12B). Sólo actúa localmente debido a que en el espacioextracelularsu vida media corta -entre 5 y 1Osegundos- transformándose en nitratos y nitritos al combinarse ¡.:cnoyagua. • .algunas células diana, incluyendo las células musculares lisas, el NO se une de forma hit: a un átomo de hierro del lugar activo de la enzima guauilato ciclasa, esúmulánproducir la pequeiia molécula señalizadora intracelular GMP cfclico, de la que tratamas adelante. Asf, la guanilato ciclasa actúa como un receptor intracelu.lar de NO y una proteína señalizadora intracelular (véase la Figura 15-128). El NO puede increr lo~ niveles de GMP cfclico en el citosol en cuestión de segundos, ya que la velocidad 1de recambio del GMP dclico es alta: la rápida degradación a GMP por una[osfodiest·,ta compensada por la rápida producción de GMP cfclico a parlir de GTP por la gua' ldasa. El fármaco Viagra y los nuevos fármacos relacionados con ella inhiben la ··,terasa de GMP cfclico en el pene, por lo que aumenta el tiempo durante el cual los ,Jt, GMP cfclico se mantienen elevados en las células musculares lisas de los vasos m·os del pene después de que la producción de NO sea inducida por las terminado.\ rosas locales. El GMP cfclico, a su vez, mantiene los vasos sangufneos relajados y, 1111. el pene en erección. \0 también puede sei'ializar de forma independiente del GMP cfclico. Por ejemplo, •herar la actividad de una protefna intracelular mediante la nitrosilación covalente de uol (-ST-f) de determinadas cistefnas de la proteú1a. ,wn6xido de carbono (CO) es otro gas que también se uliliza como una molécu.la se1· •m extracelular semejante al NO. Puede actuar estimulando la guanilato ciclasa. Sin .u. estos gases no son las únicas moléculas serial que pueden pasar directan1ente a el·· la membrana plasmdlica de la célula diana, como describimos a cominuación.

receptores nucleares son proteínas reguladoras de la expresión lea moduladas por ligando nurlécu.las pequellas e hidrofóbicas difunden de forma directa a través de la mem'"•~mática de las células diana y se unen a pro terna~ receptoras intracelulares que son ,, reguladoras de genes. Estas moléculas señaJ incluyen las hormonas esteroideas, uonas tiroideas, los relinoides y la vitamina D. Aunque son moléculas muy diferentes l.rnto en estructura qurmica (Figura 15-13) como en función, todas ellas actúan a

Figura 1S- 13 Algunas de las moléculas señalludoras no gaseosas que se unen a receptores intracelulares. Nótese que rodas ellas son pequeñas e hldrofób1cas. Se muestra la forma activa, hldroxilada, de la vitamina D3. El estradíol y la testosterona son hormonas esteroideas sexuales.

011

OH

OH

HO estradíol

testosterona

_h_hH

HOyo-y_ -?-cooCH2

1

1

NH3+

VItamina DJ

HO

CH3 ~

Cll3 O

~~'o-

t1roxana acido retino•co

890

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

través de un mecanismo similar. Se unen a sus receptores intracelulares respectivos alterando la capacidad que tienen estas proteínas de controlar la transcripción de determinados genes. As(, estas proteínas actúan como receptores intracelulares y como efectores intracelulares de la señal. Todos estos receptores tienen estructuras relacionadas entre sí y constituyen la enorme supcrfamllia de receptores nucleares. Muchos de los miembros de esta c;uperfamilia sólo han sido identificados por secuenciación del DNA, y todavía no se conocen sus ligandos; por lo tanto, a estas proteínas se les conoce como receptores nucleares huérfanos. En la actualidad más de la mitad de los 48 receptores nucleares codificados en el genoma hwnano son huérfanos, como también Jo son 17 de los 18 de Drosopllila y los 278 del nematodo C. elegans {véase Figura 4 a5). Algunos receptores nucleares de mamíferos no están regulados por moléculas señal secretadas sino por metabolitos intracelulares; por ejemplo, los receptores acti-

l'adores de la proliferación de los peroxisomas CPPII.R: peroxisome proliferation-actil'ated receptors) se unen a mCLabolitos lipfdicos intracelulares y regulan la transcripción de genes involucrados en el metabolismo ltpfdico y en la diferenciación de las células adiposas (se trata en el Capítulo 23). Parece probable que los receptores nucleares de las hormonas evolucionaran a partir de estos receptores para metabolito!. intracelulares, lo cual ayudarfa a explicar su localización intracelular. Las hormonas este roldeas - incluyendo el cortisol, las hormonas esteroideas sexuales, la vitamina O (en los vertebrados) y la hormona de la muda ecdiSOIItl (en los insectos)- se sintetizan a partir del colesterol. El cortisol se produce en el cónex de las glándulas adrena les y afecta el metabolismo de muchos tipos celulares. Las l10rmonas esteroideas sexUllles se sintetizan en los teslfculos y en los ovarios y son responsables de los caracteres sexuales secunda nos que distinguen los machos de las hembras. La tJitmnina D se sinteti;r.a en la piel en respuesta a la luz solar; después de transformarse en una forma activa en el riñón o en el hígado, regula el metabolismo del Ca2 •, favoreciendo la captación de Ca2+ en el intestino y reduciendo su excreción por el riñón. Las hormonas tiroideas, que 'ion smtetizadas a partir del aminoácido rirosina, incrementan el metabolismo de muchos tipos celulares, mientras que los retinoides, como el ácido retinoico, se sinteti?..an a partir de la vitamina A y desempel'lan importantes papeles como mediadores locales durante el desarrollo de los vertebrados. A pesar de que todas estas moléculas señal son relativamente insolubles en agua, se hacen solubles para su transporte por el torrente sanguíneo y otros líquidos extracelulares mediante su unión a proteínas transportadoras c!.pedficas, de las que se disocian antes de entrar en la célula diana (véase la Hgura 15 -38). Los receptores nucleares se unen a secuencias e~pecíficas del DNA adyacentes a los genes que son regulados por el ligando correspondien te. Algunos de los receptores, como los del cortisol, se localizan principalmente en el citosol y sólo entran en el núcleo después de unirse al ligando; otros, como los de las hormonas tiroideas y de Jos retinoides, se localizan sobre todo e n el núcleo y se unen al DNA incluso en ausencia de ligando. En cualquier caso, los receptores inactivo<; están unidos por lo general a complejos proteicos inhibidores. La unión del ligando altera la conformac.ión de la proteína receptora, provocando la disociación del complejo inhibidor y haciendo que el receptor se una a proteínas coactivadoras que eMimulan la transcripción génica (Figura 15-14). En otros cac¡os, sin embargo. la unión del ligando a un receptor nuclear inhibe la transcripción: por ejemplo, algunos receptores de hormonas tiroidea<; actúan como activadores transcripcionales en ausencia de la hormona y se transforman en represores de la transcripción cuando se unen a la hormona. La respuesta transcripcional tiene lugar generalmente en varias etapas. Por ejemplo, en el caso en el que la unión del ligando activa la transcripción, en cuestión de 30 minutos se produce la estimulación directa de un pequeño número de determinados genes, lo cual se conoce como la re.spuesta primaria; a su vez, los productos proteicos de estos genes activan a otros genes, produciendo una respuesta retrasada, denominada respuesta secundaria, y asf sucesivamente. Además, algunas de las proteínas producidas en la respuesta primaria pueden actuar inhibiendo la transcripción de genes de la respuesta primaria, limitando asf esta respuesta -un ejemplo de retroalimentación negativa, de la que trataremos más adelante. De esta fom1a, un simple incremento hormonal genera un cambio muy complejo del patrón de expresión génica (Figura 15-15). Las respuestas a las hormonas esteroideas y tiroideas, a la vitamina D y a los retinoides están determinadas tanto por la naturaleza de la célula diana como por la naturaleza de la molécula señal. A pesar de que diferentes tipos celulares tengan receptores intracelulares idénticos, el conjwllo de genes que regula el receptor es diferente en cada tipo celular. Ello es

..

IPIOS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN CELULAR

891

a 1> 14 La superfamilia de receptores nucleares. Todos los receptores nucleares se unen al DNA na de homodímeros o de heterodímeros, pero para simplificar, aquí sólo se muestran en forma l<•meros. (A) Todos los receptores tienen una estructura similar. Se señalan en verde claro los cortos ·.de unión al DNA de cada receptor. (B) El receptor inactivo se encuentra unido a proteínas ,, ~s Experimentos de intercambio de dominios sugieren que en estos receptores la mayorfa de . de unión al ligando, de activación transcripcional y de unión al DNA pueden actuar como ~ •ntercambiables. (C) Activación del receptor. Habitualmente, la unión del ligando al receptor •¡ue el dominio de umón al ligando se cierre envolviendo al ligando, que las proteínas inhibidoras •n y que las proteínas coactivadoras se unan al dominio de activación de la transcripción del con lo cual se Incrementa la transcripción del gen. En otros casos, la unión del ligando tiene el •ntrario, provocando que la proteínas correpresoras se unan al receptor y disminuya de este transcripción (no mostrado). Aunque no se muestra aquí, la activrdad también se controla ,,,.un cambio en la localización del receptor: cuando está en su forma inactiva, puede estar ••n el citoplasma; la unión del ligando puede entonces dejar al descubierto la señal de t~on nuclear que provoca que sea Importado al núcleo para actuar sobre el DNA. (O) Estructura hiOnal de un dominio de unión a ligando con (derecha) o sin (izquierda) el ligando unido. t• que la hélice a azul actúa como una tapa que se cierra cuando se une el ligando old•J en rojo) y que atrapa en el sitio al ligando.

dominio de. unió,.. /

aiONA

e

N

receptor de cortisol

e

N

receptor de estrógeno N

e receptor de progesterona

N

N

proteínas coactiva doras ligando DNA

't PTOR INACTIVO

protelnas inhibidoras

COOH

----

elemento de unrón al receptor (C) RECEPTOR ACTIVO

N

e

-

11• que genera lmente, para que se active la transcripción de cada gen eucariota, es ne-

l.t unión de más de un tipo de protefna reguladora. Por ello, un receptor intracelular ILtivar un gen sólo si se produce la combinación adecuada de otras proteínas regulatk la expresión génica, siendo algunas de ellas espcdficas del tipo celular. 1 r.•,umen, existen dos razones principales por las que cada una de estas moléculas sen;ts hidrofóbicas induce un conjunto característico de respuestas en los animales. En Jugar, porque únicamente ciertos tipos celulares tienen receptores para eUas. En sellugar, porque cada uno de estos tipos celulares comienen una combinación diferente proteínas reguladoras de la expresión génica, que colaboran con el receptor activado •11do la transcripción de conjuntos específicos de genes. Es re principio también es vá' ·• todas las respues tas señalizado ras que dependen de proteínas reguladoras de geluyendo la gran cantidad de ejemplos que describimos en este capítulo. ··· detaUes moleculares sobre cómo los receptores intracelulares y otras proteínas regumntrolan la transcripción de genes de forma específica, se tratan en el Capítulo 7. proteínas receptoras nucleares a veces también están presentes en la superficie 'l11nde actúan a través de mecanismos completamente diferentes de los que acabadescribir. En lo que queda de capítulo consideraremos diferentes vfas a través de las ¡,,.,receptores de superficie celular transforman las señales extracelulares en señales ·u tares, un proceso denominado rrt.msducción de snial.

e

receptor de hormonas tiroideas

(A)

dominio de unión al ligando

e

N

receptor de vitamina O

receptor de ácido retinoico

e

892

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

(A) RESPUESTA PRIMARIA (TEMPRANA) A HORMONA ESTEROIDEA

(B) RESPUESTA SECUNDARIA (RETARDADA) A HORMONA ESTEROIDEA

hormona receptor de hormona esteroidea esteroldea

'T.-

•• A

.... ,. •••

~

protefnas de la respuesta secundaria

los complejos hormona esteroidea-receptor activan los genes de la respuesta primaria

'

••

~,-

~

l l l

DNA

r.~./.:.~ una proteina de la respuesta primaria inactiva los genes de la respuesta primana

Las tres clases principales de proteínas receptoras de superficie celular son los receptores acoplados a canales iónicos, los acoplados a proteínas G y los acoplados a enzimas l:n contraste con las pequeñas moléculas sciíalizadoras hidrofóbicas de las que acabamos de trcttar, que se unen a receptores intracelulares, la mayoría de las moléculas señalizado ras exrracelulares se w1en a protefnas receptoras específicas situadas en la superficie de las células diana a las que afectan y no entran ni en el citosol ni en el núcleo. Estos receptores de superficie actúan como transductores de setia/transfom1ando un evento de unión de la molécula seiial extracelular en sei\ales intracelulare!> que alteran el comportamiento de la célula diana. La mayoría de los receptores de la superficie celular pertenecen a una de estas tres da ses, que se definen en función del mecanismo de Lransducción que utilizan. Los receptores acoplados a canales Jónicos, también conocidos como canales iónicos regulados por transmisores o receptores ío11otr6picos, participan sobre todo en la ráp1da se11alización sináptica entre células excitables eléctricamente (Figura 15-IGA). Este tipo de seiialización está mediada por un pequeiío número de neltrotransrnisores que abren o cierran de forma transitoria un canal íó nico formado por una prorefna a la cual están unidos, alterando asi brevemente la permeabilidad iónica de la membrana plasmática y, por lo tamo. modificando la excitabilidad de la célula postsináptica diana. La mayoría de estos receptores acoplados a canales iónicos pertenecen a una gran lamilia de proteínas que tienen varios dominios transmembrana y que son homólogas entre sr. En el Capftulo 11 se estudian estos receptores, por lo que aquf no los trataremos en mayor profundidad. Los receptores acoplados a pro lemas G actúan regulando de forma indirecta la actividad de una protefna diana ligada a la membrana plasmática, que por lo general es una enzima o un canal iónico. La interacción entre el receptor y la pro tema djana está mediada por una tercera protema, denominada protefna rrimérica de unión a GTP (o protefna GJ (Figura 15-168). La activación de la proteína diana modifica la concentración de una o más pequeI1as moléculas señalizado ras intracelulares (si la proteína diana es una enzima) o la permeabilidad iónica de la membrana plasmática (si la proteína diana es un canal iónico). A su vez, los pequeños mediadore~ intracelulares alteran el comportamiento de otr.ts proteínas de señalización de la célula. Todos los receptores acoplados con proteínas G pertenecen a una gran familia de proteínas homólogas que son proteínas transmembrana de multipaso. Los receptores acoplados a enzimas actúan directamente como enzimas o están asociados a enzimas a las que activan (Figura 15-J6C). Por lo general son proteínas transmembrana de un solo paso que tienen el dominio de unión al ligando situado fuera de la célula y el lugar catalftico en el interior de la célula. Comparados con las otras dos clases de recepto-

t

DI

1 1

una proteína de la respuesta primaria activa los genes de la respuesta secundaria

Figura 1S· 1S Un ejemplo de respuestas primaria y secundaria inducidas por la activación de un receptor nuclear de hormonas. (A) Respuesta primaria tempr y (B) respuesta secundaria retardada. Alg de las protelnas de la respuesta primaria activan a los genes de la respuesta secundaria, mientras que otras inactivan 8 los genes de la respuesta pnmaria. El nu real de genes Involucrados en las respuest.t primaria y secundaria es mayor del que se indica. Los fármacos que inhiben la sintesh proteica supnmen la transcnpción de los genes de la respuesta secundaria pero no los de la respuesta primaria, permttiendo distinguir asl estos dos tipos de respuesta figura ilustra la respuesta a una hormona esterotdea, pero estos mismos principios pueden aplicar a muchos otros ligandos activan protelnas receptoras nucleares.

IPIOS GENERAlES DE LA COMUNICACION CElUlAR 893 :1~ 1~ceptores acoplados a enzimas son de estructuras heterogéneas. La gran mayorfa . ~on proternas quinasa o e:;tán asociados con protefnas quinasa, que cuando están

fosforilan específicamente conjuntos de pro temas de la célula diana. unhién existen algunos tipos de receptores de superficie celular que no son fáciles de 11 en ninguna de las clases anteriores pero que ejercen importantes funciones conclu la especialización de diferentes tipos celulares durante el desarrollo y que partid' la renovación y la reparación de los tejidos. Trataremos de ellos en la última sección ¡nntlo, después de explicar cómo actúan los receptores acoplados a protemas G y los •· •u's acoplados a enzimas. Sin embargo, en primer lugar se considerarán algunos prin:•·nerales de la señalización mediante receptores de superficie celular, con la inten,, ·preparar la descripción detallada de las principales clases de receptores asociados a r lkie celular. (fu,

mayoría de los receptores de superficie celular transmiten eñales a través de pequeñas moléculas y de una red proteínas de señalízación intracelulares \.tlcs recibidas en la superficie de la célula tanto por receptores asociados a proteínas •• .tsociados a enz.imas son transmitidas hacia el interior de la célu la mediante una tt.tc1ón de moléculas de seFwliznción imracelular de pequeño y de gran ramailo. La o de señalización intracelular resultante finalmente modifica protefnas efectoras que punsahles de la modificación del comportamiento de la célula (véase la Figura 15-J ). . moléculas señalizadoras intracelulares de pequeño tamaño se denominan lurcs intracelulares pequeños o segundos mensajeros (siendo los "primeros menlas señ~les extracelulares). Estos segundos mensajeros se generan en gran cantidad "wsta a la activación del receptor y. a menudo, difunden rápidamente alejándose de

rFPTORES ACOPIADOS A CANALES fÓNICOS

Figura 15- 16 Tres clases de receptores de superfic.ie celular. (A) Receptores acoplados a canales iónícos (también llamados canales tónicos regulados por transmisor), (B) receptores acoplados a proteínas G y (C) receptores acoplados a enzimas. A pesar de que muchos receptores acoplados a enzimas tienen una actividad enzimátíca intrinseca, como se muestra a la Izquierda en (C), muchos otros actúan sobre enzimas asociadas, como se muestra a la derecha en (C).

;;. "' iones molécula señal

j

membrana Jplasmática

•• f EPTORES ACOPIADOS A PROTEfNAS G

molécula sei\al

enzima inactiva

enz1ma activada

receptor y proteína G activados

protelna G activada

fPTORES ACOPIADOS A ENZIMAS

señal -.. mJ de dlmero V

\lla

§fa

- - - molécula señal

o dominio • •lttico rnactivo

~ · l .cr enzima asedada activada

894

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

su fuente transmitiendo la señal hacia otras partes de la célula. Algunos, como el AMP cfclico y el (;a2+ son solubles en agua y difunden por el citosol, mientras que otros, como el ditlcilglicerol, son solubles en lípidos y difunden por el plano de la membrana plasmática. En ambos casos, transmiten la señal uniéndose o modificando la conformación y el comportamiento de determinadas proteínas seflaii?.adoras o proteínas efectoras. l.as moléculas sei'laJizadoras intracelularel> de gran tamru'lo son proteínas señallzadoras intracelulares, que participan en la liberación de la señal dentro de la célula generando pequeños mediadores intracelulares o activando la proteína señalizadora o efectora siguiente de la vía. Estas proteinas forman una red funcional en la que cada proteína colabora en el procesamiento de la señal de una u otra de las siguientes maneras, de forma que difunden la inlluencia de la seflal por toda la célula (figuro 15-17): l.

Las proteínas pueden transmitir la señal al siguiente componente de la cadena.

2.

Pueden actuar como un armazón wliendo y juntando dos o más proteínas señalizadoras de forma que puedan interactuar de una forma más rápida y eficiente.

3.

Pueden transformar, o transducir,la señal a una forma diferente, que es susceptible de transmitir la señal o estimular una respuesta celular.

4.

Pueden amplificar la serial que reciben y producir grandes cantidades de pequeños mediadores intracelulares o activar un gran número de copias de una proteína senalizadora corriente abajo. De esta forma, un pequeño numero de moléculas serial izado ras extracelulares pueden provocar una gran respuesta intracelular. Cuando una cadena de transmisión tiene múltiples etapas de amplificación generalme me se la denomina cascada de seilallzaclón.

5.

Pueden recibir señales proc<.>dentes de dos o más vías de señalil..ación e integmrlas antes de transmitir wm señal hacia delante. Una proteína qur para activarse requiere la llegada de dos o más vías de &eñalil..ación, a veces se denomina detector de coincidencia.

6.

Pueden difundir la serial desde una vía de se11ali7..ación a otra, generando ramas en el flujo de señalización e incrementando así la complejidad de la respuesta.

7.

Pueden ancltlr una o más proteínas señalizado ras de una vía a una estructura particular de la célula donde '>C requiere la proteína sefiaiizadora.

8.

Pueden modular la actividad de otra!> proteínas señalizadoras y, por tanto, regular la fuerta de la serial a lo largo de una vía de señali?..ación.

Vamos a considerar con más detalle algunas de las estrategias que utilízan las proteínas señalizadoras intracelulares para procesar la señal a medida que va pasando a lo largo de la vía de serialización. Vamos a encontrar de nuevo estas estrategias generales en secciones posteriores del capítulo, cuando se describan las clases de receptores específicos y las vías de señalización que activan.

Muchas proternas de señalización intracelulares actúan como interruptores moleculares que se activan por fosforilación o por unión a GTP Muchas prote(nas ser'lalizadoras intracelulares se comportan como imerruptores moleculares. Al recibir una señal, cambian de una forma inactiva a una conformación activa, hasta que oLro proceso las "apague" (las devuelva a su conformación inactiva). Como ya hemos mencionado, el proceso de "apagado" (mecanismo de inactivación) es tan importante como el proceso de "encendido" (mecanismo de activación). Una vía de señalización tiene que recuperarse después de transmitir una señal de manera que esté a punto para transmitir otra señal, por lo que cada molécula activada de la vía debe volver a su estado inactivo original. En dos importantes clases de interruptores moleculares que actúan en procesos de señalización intracelular, su activación o inactivación dependen de la ganancia o pérdida de grupos fosfato, a pesar de que el sistema de ganancia o pérdida de estos grupos fosfato es muy diferente en ambas clases. La clase mayoritaria la forman proteínas que se activan o inactivan por fosforUaclón (tratado en el Capítulo 3). En estas protcfnas, el cambio se dirige en uno de los sentidos por una pro tema quinasa, que añade covalenternente uno o más grupos fosfato a la proteína señalizad ora, y hacia el otro sentido por una proteúta fosfatasa, que elimina los grupos fosfato unidos a la proteina (Figura 15-18A). l.a actividad de cualquier proteina regulada por fosforilación depende del equilibrio en cualquier instante enLre las ac-

IPIOS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN CELULAR

895

molécula señal extracelular protelna receptora ............

1ma plasmática CITOSOL TRANSDUCCIÓN PRIMARIA PIIOTEfNA DE ARMAZÓN

TRANSMISIÓN

~

l ' ' ' ' ' ' ~

"'

"'

'H . ,. . ,

._~ ::

...,,

TRANSDUCCIÓN Y AMPLIFICACIÓN

~

¡

/

/ INTEGRACIÓN

,:::.. . . . . ._

~

~,

,,..~ ---+---+-

D IFUSIÓN

ANCLAJE

MODULACIÓN

rnvoltura nuclear

protelna efectora activada

DNA

elemento de respuesta a la señal

¡

ACTIVACIÓN DE LA PROTE[NA EFECTORA 1

TRANSCRIPCIÓN G~NICA

J,., de las quin:~sas que la fosforilan y de las fosfatasas que las desfosforilan. Cerca del lo~s proteínas humanas tienen fosfa tos unidos de forma covalente; el genoma huma-

fit·a cerca de 520 protefnas quinasa y unas l 50 proteína fosfatasas. Parece que una cépu a de mamífero utili7.a en cualquier momento centenares de tipos diferentes de •·•~ qu inasa. tul'has de las proteínas de señalización controladas por fosforilación son, en sí mismas, '·" qu inasa y. por lo general, se organi1.an en cascadas de fosforilaclón. En una cascada 11po, una proteína quinasa, activada por fosforilación, fosforila la proteína quinasa 1ft' en la secuencia, y así sucesivamente; transmitiendo la señal hacia delante y. dwantc •reso, amplificándola y a veces propagándola a otras vfas de señalización. Existen dos

figura 15- 17 Vfa hipotética de señalización intracelular desde un receptor situado en la superficie celular hasta el núcleo. En este ejemplo, una serie de protefnas señalizadoras y mediadores intracelulares pequeños transmiten la señal extracelular al núcleo de la célula, provocando un cambio en la expresión génica. La señal es modificada (transducida), amplificada, distribuida y modulada en ruta. Puesto que muchos de los pasos pueden ser afectados por otras señales extracelulares o intracelulares. el efecto final de una señal extracelular depende de muchos factores que afectan a la célula (véase la Rgura 15- 8). Finalmente. la cascada de señalización activa (o inactiva) a proteínas efectoras que modifican el comportamiento celular. En este ejemplo, el efector es una protelna reguladora de la expresión génica que activa la transcripción génica. Aunque la figura muestra protelnas señalizadoras individuales que realizan una sola función en realidad a menudo desempeñan más de una función; las protefnas de armazón, por ejemplo. a menudo también actúan anclando varias protefnas señalizadoras a una estructura intracelular particular. La mayorfa de las vías de señalización que van al núcleo son más directas que la que se muestra, que no está basada en ninguna vía conocida.

896

Capitulo 15: Mecanismos de comunicación celular

ENTRADA DE

LA

\."'~)

SEÑAL~ Dil _

tetna nasa

r

ENTRADA DE

P,;

prote fosfatasa

LA

SEÑAL~

--;-

~

_. p

unión a GTP

U.

AL

SALIDA DE LA SEN AL

SALIDA DE LA SEÑAL

(A)

\

SEÑALIZACIÓN POR FOSFORILACION

(B)

SE!ÍIAUZACIÓN MEDIANTE U NI~

Figura 15-18 Dos tipos de proteínas de señalización intracelular que actúan como interruptores moleculares. Aunque uno d los tipos es activado por fosforilación y el 0110 por unión a GTP. en ambos casos la adición de un grupo fosfato cambia el estado de activación de la proteína y la eliminación del fosfato la vuelve al estado inicial. (A) Un~ proteína quinasa añade covalentemente un fosfato del ATP a la proteína de señalización y una proteína fosfatasa elimina el fosfato Aunque no se muest ra en esta figura, algu proteínas señallzadoras son activadas por desfosforilación en lugar de serlo mediante fosforllaclón. (8) Una proteína de unión a GTP es inducida a cambiar el GDP que tient' unido por un GTP, lo que activa la protema, proteína activada se autoinactiva hidrolizando su GTP a GDP.

tipos principales de protefnas quinasa que actúan como proteínas señalizadoras intracelulares. La gran mayoría son serinas/treonlnas qulnasa, que fosforilan protefnas en residuos de serina y (menos a menudo) de treonina. Las otraS son tirosinas qulnasa, que fosforilan proteínas en residuos de tirosina. En ocasiones, alguna quinasa puede hacer ambas cosas. La oua clase principal de interruptores moleculares que acruan ganando o perdiendo grupos fosfato son las proteínas de unión a GTP (descritas en el Capítulo 3). Estas proteínas alternan entre un "estado activo", cuando tienen unida una molécula de GTP. y un "estado inactivo", cuando están unidas a GDP. En el estado ac tivo tienen una actividad intrínseca GTPasa por lo que se in activan a sf mismas al hidrolizar el GTP que llevan unido hasta GDP (Figura 15-IBB). Existen dos tipos principales de protefnas de u nión a GDP. Las grandes procefnas triméricas de unión a GTP (también denominadas proteínas G), que participan en la transmisión de la señal desde los receptores acoplados a proteínas G que las activan (véase la Figura 15-16B). Las pequenas GTPasas monomérlcas (también denominadas procefnas monoméricas de unión a GTPJ participan en la transmisión de señales a partir de muchas clases de receptores de superficie celular. Existen proteínas reguladoras espedficas que controlan ambos tipos de proteínas de unión a GTP. Las proteínas actlvadoras de GTPasa (GAP: GTPase-actil'ating proteinsl conducen las proteínas a su estado inactivo, ya que incrementan la velocidad de la hidrólisis del GTP que tienen unido estas protefnas; las GAP que acrúan de esta forma también se denominan reguladoras de las pro reinas G se11alizadoras (RGS: regulators o[G-prorein signalingl. En contraposición, los receptores acoplados a proteínas G activan proteínas G triméricas y los factores lntercambladores de nucleóddos de guanina (GEF: guanine rwcleotide exclwngefactors) activan GTPasas monoméricas favoreciendo la liberación del GDP unido al intercambiarlo por GTP. La Figuro 15-19 ilustra la regulación de las GTPasa monoméricas.

Figura 15- 19 Regulación de una GTP.u. monomérica. Las proteínas activa doras GTPasa (GAP: GTPase-actlvating proteins lnactivan la proteína al estimularla a qu• hidrolice el GTP que lleva unido para transformarlo en GDP, que permanece fuertemente unido a la GTPasa inactivad.t factores intercambladores de nucleótidc» guanina (GEF: guanine nucfeatide excha factors) activan la proteína inactiva al estimularla a que libere el GDP que lleva unido; puesto que la concentración de el citosol es 1Oveces mayor que la de GOP. proteína unirá rápidamente GTP cuando liberado su GDP, y asi quedará activada

897

GENERALES DE LA COMUNICACIÓN CELULAR

llmto las proteínas G triméricas como las GTPasa monoméricas también participan en ""otros procesos en las células eucariotas, como la regulación del tráfico vesicular y tu\ de la división celular. 1 umo hemos tratado previamente, los comportamientos celulares complejos, como la el crecimiento celular o la proliferación, no están estimulados por una sola t'\tracelular que actúa de forma individual sino que por lo general requieren combi"''' especfficas de señales (véase la Figura 15-8). Por tanto, la célula debe integrar la nadón que procede de varias señales, si es el caso, generando una respuesta apropia'' c¡emplo, muchas células de mamffero para poder crecer y proliferar requieren tanto 'olubles como señales procedentes de la matriz extracelular (se describe en el Capf1'11 La integración depende en parte de detectores de coincidencia intracelulares que ¡uivalentcs a las puertas AND de los microprocesadores de los ordenadores, ya que ncnte se activan si reciben varias señales convergentes (véase la Figura J5-J 7). En la 15-20 se ilustra un ejemplo hipotético sencillo de una de estas proteú1as. 11 embargo, no todos los interruptores moleculares de las vías de seiialización depenlosforilación o de unión a GTP. Veremos más adelante algunas proteínas señalizado,. pasan del estado activo al inactivo o viceversa mediante la unión de otras proteínas .,..,7.tdoras o de algún mediador intracelular pequei'lo, como puede ser el AMP cíclico o el mediante modificaciones covalentes diferentes de la fosforilación o la desfosforilaorno por ejemplo la ubiquitinación. Además, no todas las proteínas sen atizadoras inactúan como interruptores cuando se fosforilan o se modifican reversiblemente ma otra forma. Como se explicará más adelante, en muchos casos el grupo añadido 111.1 covaleme simplemente marca la proteina de forma que puede interactuar con J!llltemas señali7.adoras que reconocen esta modificación.

complejos de señalización intracelular incrementan locidad, eficiencia y especificidad de la respuesta :•·neral, incluso un solo tipo de sei\al extracelular activando un solo tipo de receptor tt·rflcie celular activa paralelamente varias vías de señalización e influye en varios astll•l comportamiento celular -como por ejemplo, la forma, el movimiento. el metay la expre1.ión génica. Dada la complejidad de lo'> sistemas de respuesta a señales, tfue a menudo participan varias cadenas de transmisión de proteínas de sellalización tt•ractúan, ¿cómo se las arregla cada célula para fabricar respuestas específicas a tan llo ...r.thles combinacíones de sei'tales extracelulare'i? La cuestión es especialmente compliporque muchas de las señales están relacionadas entre sí y se unen a tipos de ll!...t.,n•s íntimamente relacionado!.. Un mismo tipo de proteína liberadora intracelular Koplar un subtipo de receptor a un conjunto de efectores y otro subtipo de receptor onjunto de efectores. 1 , •.,tos casos, ¿cómo es posible conseguir que la respuesta sea específica y evitar los ntzamientos? Una estrategia utiliza las proteínas de armazó n o de agregación proteins) (véase Figura 15-17),las cuales organizan grupos de proteinas señaliza~lll' interactúan entre sf formando complejos de setltlli.znción a menudo antes de que rl•dbido la señal (Figura 15-21A). Dado que la protefna de agregación mantiene u niproteínas <,eñali7~doras.los componentes pueden interactuar a concentracione.c; lolll\' elevadas y ser rápidamente activadas de forma secuencial, eficiente y selectiva en a una se11al cxtracelular apropiada, e impidiendo los enrrecruzamientos de se•1autras vías de señalización. '\otros casos, los complejos de señalización sólo se forman transitoriamente en restuna señal ex:tracelular y cuando la señal decae con rapidez se desmontan. A menuromplejos transitorios se ensamblan alrededor de un receptor después de que una l•• señal extracelular lo haya activado. En muchos de estos casos, el dominio del receptor activado se fosforila durante el proceso de activación y los aminoáciforilados actúan como sitios de unión para el ensamblaje de otras proteínas sena(Figura 15-218). En otros casos, la activación del receptor conduce a la producción de fosfolJpido modificados (denominados fosfoinositoles) en la membrana 1ra adyacente, que reclutan prOLefnas señalizado ras intracelulares especfficas en •cm de la membrana, donde se han activado (figura 15-21 C). En el CapftuJo 13 se tra:•d de los fosfoinositoles en el tráfico a través de la membrana.

membrana plasmática

A

\

B

1 1

\

r-•

-~

ADI' _ . /\

l

SEÑAUZACIÓN CORRIENTE ABAJO

Agura 15-20 lntegradón de senales. las señales extracelulares A y B activan diferentes vías de señalización Intracelular, cada una de las cuales produce la fosforíladón de la proteína Y. pero en diferentes sitios de la proteína. La proteína Y sólo se activa cuando ambos lugares están fosforilados, por lo que su activación se produce cuando las señales A y B se hallan presentes simultáneamente. Las proteínas de este tipo se suelen denom1nar detectores de coincidencia.

898

Capitulo 15: Mecanismos de comunicación celular

(A) COMPLEJO DE SEÑAUZACIÓN PREFORMADO SOBRE UNA PROlE(NA DE ARMAZÓN

molécula seflal

receptor inactivo

receptor activado

membrana plasmática

CITOSOL

proteina de armazón

protefnas seflallzadoras ontraceiulares act1vas

protefnas seflalizadoras Intracelulares inactivas

+

(B) ENSAMBLAJE DE UN COMPLEJO DE SENALIZACIÓN SOBRE UN RECEPTOR ACTIVADO

molécula seflal

Flgura 15- 21 Tres tipos de complejos d e señalización intracelular. (A) Un reccp y algunas de las protefnas señallzadoras Intracelulares que se activan de forma secuencial están preensambladas por un, protefna de armazón de gran tamaño y forman un complejo de señalización unidO receptor inactivo. En otros casos, el comp' preensamblado se une al receptor sólo después de que este haya sido activado. (B) Complejo de señalizació n que se ensambla a un receptor tras la unión de u~ molécula señal extracelular que activa al receptor; en este caso, el receptor activadO autofosforila en varios sitos, los cuales act como lugares de unión para prote1nas señalizadoras Intracelulares. (C) ActivaciÓI1 un receptor como respuesta al aumento d() fosforilaclón de un fosfolípldo determinadO (un fosfoinositol) de la membrana adyac que entonces actúa como lugar de unión determinadas protefnas señalizadoras intracelulares, las cuales ahora pueden Interactuar entre sr.

receptor Inactivo

protelnas seflalizadoras intracelulares activas proteinas seflallzadoras intracelulares inactivas 2

(C)

l

Ir'~\,

receptor activado

3

ENSAMBLAJE DE UN COMPLEJO DE SEÑALIZACIÓN SOBRE LUGARES DE UNIÓN DE UN FOSFOINOSJTOL

moléculas especificas de fosfollpido (fosfoinosítoles)

/

..¿ proteinas seí'lalizadoras intracelulares Inactivas

molécula seflal receptor activado / fosfoinositoles hiperfosforllados

protefnas seflalizadoras intracelulares activas

seria lización corriente abajo

Las interacciones entre las proteínas de señalización intracelulares están mediadas por dominios de interacción modulares A veces resulta suficiente unir las protefnas senalizadoras intracelulares para activarlas. Así, la proximidad inducida. en la que una señal provoca el ensamblaje del complejo de señalización, se ulili7..a habitualmente para transmitir señales de una protefna a otra a lo largo de una vía de señalización. El ensamblaje de estos complejos depende de varios dominios de interacción, pequeños y muy conservados que se hallan en muchas protefnas señalizadoras intracelulares. Cada uno de estos módulos proteicos compactos se une a un motivo estructural especffico de otra molécula proteica (o lipfdica) con el cual interactúa la proteína seña-

..

IPIOS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN CELULAR

899

membrana plasmática

1 CITOSOL

IRS1 (protefna de unión)

''·'-El motivo reconocido en la pro tema con la que interacciona puede ser una corta se1.1 peptídica, una modificación covaleme (como un aminoácido fosforilado o ubiquido) u otro dominio proteico. Probablemen te la utilización de dominios modulares de •'l"ión facilita la evolución de nuevas vfas de señalización; dado que se pueden insertar n rualquier sitio de una pro tema sin alterar ni su plegamiento ni su función, la adición 1 nuevo dominio de interacción a una proteína señalizadora ya existente puede conec' pro tema a una nueva vfa de señalización. 1 \1!-.ten muchos tipos de dominios de interacción en las protefnas señalizadoras. Por 1•lo, los dominios de lzomologfa Src2 (SH2: Src lwmology 2) y los dominios de unión a trrosinas (PTB: pfwspf1otyrosine bindíng) se unen a tirosinas fosforiladas de una r111nada secuencia peptfdica de receptores activados o de proteínas señali.zadoras in••lares. Los dominios de homologfa Src3 (SH3) se unen a cortas secuencias de aminoáricas en prolina. Algunos dominios de flomologla a Plecstrina (PH: P/eckstrin >Jo¡zy) se unen a los grupos cabeza cargados eléctricamente de fosfoinositoles que se ••••n en la membrana plasmática en respuesta a una señal extracelular, facilitando que Jldna de la que forman parte se fije en la membrana y que pueda interactuar con otras HHls de sefiali7.ación reclutadas de forma similar (véase Figura 15-21 C). Algunas pro'Cflalizadoras únicamente están formadas por dos o más dominios de interacción y mcionan como adaptadores que mantienen juntas a otras dos proteínas de una vía de

Figura 15-2.2 Un complejo de señalización especifico formado utilizando dominios modulares de interacción. Este ejemplo está basado en el receptor de la insulina, que es un receptor acoplado a enzima (un receptor tirosina quinasa, se explica más adelante). Primero, el receptor activado se autofosforila sobre tirosinas y una de las fosfotirosinas recluta una protelna de acoplamiento llamada IRS 1 ( insu/in recepror subsrrare-1 ; sustrato 1 del receptor de insulina) a través de un dominio PTB de IRS 1; el dominio PH de IRS1 también se une a fosfoinositoles específicos de la cara Interna de membrana plasmática. Después, el receptor activado fosforila a IRS1 en tirosinas y una de estas fosfotirosinas recluta la proteína adaptadora (Grb2) a través del dominio SH2 de Grb2. Entonces, Grb2 utiliza uno de sus dos dominios SH3 para unir una región rica en prolinas de la protefna activadora de GTPasa monomérica denominada Sos (una Ras-EGF, se explica más adelante) que también se une a varios fosfoinositoles de la membrana plasmática a través de su dominio PH. Grb2 utiliza su otro dominio SH3 para unir una protelna de armazón rica en prolinas. Esta protelna de armazón une vanas protefnas señalizadoras y las otras tirosinas fosforlladas de IRS1 reclutan otras proteínas señalizadoras que tienen dominios SH2 (no se muestra aquO.

llóiCÍÓn.

l~otunos receptores de s uperficie celular y algunas proteínas seftalil'..adoras intracelula·•~rupan de forma transitoria y forman microdominios especf.ficos de la bicapa lipfdila membrana plasmática, enriquecidos en colesterol y glucolfpidos (véase Figura l:stas balsas LipfdictiS pueden promover una seiiafu..ación eficiente al actuar como ' donde las moléculas de señali1..ación pueden ensamblarse e interaccionar pero s u rr.mcia en la sefiali.zación sigue siendo controvertida. Cl1m sistema de unir receptores y prOLeínas señalizadoras intracelulares co nsiste en r 1trarlas en regiones específicas de la c~lula Un importante ejemplo es el cilio prima,,. se proyecta como una antena desde la superficie de varios tipos celulares de vene•se describe en el Capílulo16). Es muy corto y no es móvil, y tiene microtúbulos en su 11 y sobre él se concentran varios receptores de superficie y proteínas de señalización. "''más adelante que en cilios especializados se presentan elevadas concentraciones ··ptores a la luz y a los olores.

.

~ :>

~ 1!:.'

concentración de la molécula señal

células pueden utilizar varios mecanismos para responder forma súbita a incrementos graduales de la concentración una señal extracelular .• , respuestas celulares a moléculas señal exuacelulares aumentan gradualmente de do con la concentración de la molécula señal. En otros casos la relación entre la señal y puesta puede ser discontinua, o del tipo "todo o nada", con un cambio súbito de la res• cuando la concentración de la scfiaJ sobrepasa un cierto valor umbral (Figura 15-23).

Figura 15-23 Respuestas graduales de señalización y respuestas semejantes a un Interruptor. Algunas respuestas celulares aumentan de forma gradual con el incremento de la concentración de una molécula señal extracelular (linea azuQ. En otros casos, cuando la señal aumenta más allá de cierto valor crftico, la respuesta celular cambia bruscamente a un estado diferente (línea roja) .

902

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

RETROALIMENTACIÓN POSITIVA

quínasa seflal S

r

RETROAUMENTACIÓN NEGATIVA

·oa: "Ticntaclon positiva

quinasa seflal

S

lLirJ quinasa E inactiva

(A)

fosfatasa 1 muy activa

quínasa E activada (C)

negativa

CONTRO:...~

t

.. ~

'RETROAUMHlTAOON

.

1

'

tiempo -

e

t

SEÑAl

POsrTIVA

"-----

___ ,

5 a

w

..

~

"ti

"O

..

"ti "ti

.,

S:

B

r tiempo -

SEN AL

e

LU

"ti "ti

rL

..

a

.. .,......,.,._.1 .,

tiempo -

~

5

~

quinasa E activada

tiempo -

SEFlA[

'S:

sef.I_AL

..

B

(B)

tiempo -

(O)

, SEÑAL

sufrir nmguna alteración en la secuencia de su D"'IA; esta alteración de ~u estado c,e transmite a las células hijas. Este tipo de mecanismos de herencia se denominan e¡Jigenéticos, en contraposictón con los mecanismos genéticos. en los que participan mutaciones del DNA. De ellos tratamos con más detalle en el Capítulo 7 (véase Hgura 7--aG) En contrapostción con la retroalimentación positiva, un circuito de retroalimentación negativa contrarresta el efecto del estimulo y, por tanto, abrevia y limita el nivel de respuesta. haciendo que el ~istcma sea menos sensible a las perturbaciones. Sin embargo, como en el caso de la retroalimentación positiva, cuando la retroalimentación actúa de fonna potente se pueden obtener fenómenos cualitativamente diferentes. Una retroalimentación negativa retras;¡da con un periodo de reLraso suficiente puede producir respuestas oscilatorias. Las oscilaciones pueden persistir mientras dure el estímulo (Figura 15 28\.) o, incluso, pueden generarse espontáneamente sin necesidad de que ninguna señal externa las inicie (véase figura 22-82). Al fmal de este capítulo encontraremos \'arios ejemplos de comportamientos oscilatorios de este tipo en respuestas intrncelulares a ~eñales cxtracelularcs; todos ellos dependen de retroalimentaciones negativas. Si la retroalimentación negativa actli.a con un retra~o breve, el sistema .,e comporta como un detector de cambios. Genera una amplia respuesta a un estímulo, pero la respuesta decae con rapidez aunque el estímulo persista; sin embargo, sr el estímulo aumenta abruptanlente el sistema vuelve a responder de forma amplia y, de nuevo, la respuesta volverá a decaer. Se trata del fenómeno de la adapwción. del que hablaremos a cominuación.

Las células pueden ajustar su sensibilidad frente a una señal En respuesta a muchos tipos de cstímuJos, las células y los organismos tienen la capacidad de detectar el mismo porcentaje de cambio en una sei'lal sobre un rango muy amplio de intensidades de dichos estímulos. Las células diana consiguen hacerlo a través de un proceso reversible de adaptació n, o desenslbillzaclón , mediante el cual una exposición prolongada a un estímulo disminuye la respuesta de las células a este nivel de esllmulo. En la seiializacitín quúnica, esta adaptación permite a las células responder a cambios en la concentración dl' una molécula scñalizadora extracelular (y no a una concentración absoluta de esta molécula) demro de un amplio rango de concentraciones de ser'ialización. El mecanismo

A gura 1S-28 Algunos de los efectos de una retroalimentación send lla. Las gráficas muestran los efectos de circuitos sencillos de retroalimentación positiva o negativa. En cada caso la señal de entrada es una protef"' qulnasa (S) activada, que fosforlla y, por tan activa a otra protelna qulnasa (E); una protelna fosfatasa (1) desfosforila, e Inactiva, a la qulnasa Eactiva. En las gráficas, la linea roja Indica la actividad de la quinasa Eal~ largo del tiempo; la barra azul horizontal Indica el tiempo durante el cual está prese la señal de entrada (la qulnasa Sactivada) (A) Diagrama del circUito de retroalimentación positiva en el que la quinasa activada Eactúa sobre la reacción anterior estimulando su propia fosforllación activación; la actividad basal de la fosfatas.J desfosforila la quinasa Eactivada a una baja velocidad (8) La gráfica superior muestra que sin retroalimentación la actividad de la quínasa Ees sencillamente proporcional (con un Intervalo de tiempo corto) al nivel de estimulación por la qulnasa S. La gráfiCll inferior muestra que con el circuito de retroalimentación negativa el sistema es biestable (es decir, es capaz de existir en dos estados diferentes): la estímulación transitoria por la quinasa Scambia el slstemt del estado "no· al estado •si: el cual entone se mantiene después de que el est1mulo haya eliminado. (C) Diagrama del circuito de retroalimentación negativa en el que la quinasa Eactivada fosforlla y activa la fosfatasa 1, incrementando asr la velocidad. la que la fosfatasa desfosforila e inactiva la quinasa Efosforllada. La gráfica superior muestra de nuevo la respuesta de la acti de la quinasa E sin retroalímentación. Las otras dos gráficas muestran el efecto sobrr la actividad de la quinasa E de una retroalimentación negat1va que actúa con retraso corto o largo. En el caso de un retra corto, el sistema da una respuesta fuerte pero corta cuando la señal cambia de forrm abrupta, entonces. la retroalimentación d~rige la respuesta de nuevo hacia abajo hasta un nivel menor Tras un corto retraso. la retroalimentación produce una serie de oscilaciones mantenidas mientras esté presente el estimulo. Pequenos cambios en los detalles de la retroalimentación pueden alterar de radiCal el modo en el que responde el sistema, incluso en este ejemplo tan la figura unicamente muestra un pequeno ejemplo de posibles comportamientos.

.rt'-•r•u~ GENERAlES DE lA COMUNICACIÓN CELUlAR

903 proteina sei'lalizadora intracelular

1

1

\

\

\•

\__

protefna mhibídora

,' ,' ,'

endosoma l1sosoma INACTIVACIÓN DEL RECEPTOR

INACTIVACION DE LA PROTEINA SENALIZADORA

'iln·nte consiste en una retroalimentación negativa que actúa con un retraso corto. Una -•Uhta intensa modifica la maquinaria responc;ablc de dicha re~puesta, de manera que la

se vuelve menos sens1ble a este mismo nivel de señal (véase Figura 15-28D, gní ntral). Sin embargo, debido al retraso, un incremento súbrto de la ser1al es capa1 de 11rlar la célula de nuevo durante un breve periodo de tiempo antes de que la retroali -...lt;ll'ión negativa tenga tiempo de actuar. l.u desensibilización a una molécula señal ocurre de diversas maneras. Puede producirbrdo a una inactivación de los propios receptores. Por ejemplo, la unión de moléculas _Jl,.tdoras a receptores de la superficie celular induce su endocitosis y el secuestro tcmde los receptores en endosornas. En algunos ca~os, esta cndocitosis del receptor indu por su ligando puede llevar a la destrucción de los receptores en los li sosomas, un denominado n•gulaci611 por disminución (down -regulmton) del receptor, en otros '111 embargo. los receptores activados continúan la seiiali1.ación después de haber siulocitados, como se describirá más adelante. l.os receptores también M' desensibilizan 11\an) sobre la propia superficie celular, por ejemplo como con~ecuencia de una fosfo tlll o metilación del receptor que ocurra de manera retardada tra~ &u anivación. La deización también se produce en lugares corriente abajo del receptor, tanto por en las proteína3 señali7.adoras intracelulare~ que participan en la transducción de f\al extracelular, como por la produccrón de una proteína inhibidora que bloquea el prode transducción de la sellal En la figura 15-29 se comparan e&to~ diferentes mecanrsllt• desensibilización. 1lt•!.pués de explicar los princtpros generales de la ser1alización celular, a continuación arán los receptores acoplados a proteína G, que s<>n con diferencra la clase má~ abunde receptores de superficie y median re'>puesta<; a los má!> diversos tipos de ser1ales lares.

mra de lllS células de 1111 animal pluricelular ••std progmmadtl durante 1'1 desttrrollo para n>sa 1111 conjullto e:;perifico de moléculas se1ial extmcelulares pf'Ollucidas por arras células. r:sws serwliuuloras acflillll en l'<lrias combinaciones n-gultmdo el com¡xHWmiL•Ilto de la célula. 'II'Orín de lns moléculas M'lialiuuloras acrrill11 conw nwdíadores loca/e:; que son secretados y rdcaprados, deslntídos O111/IIOI'ifizados, de forma que rolo pueden acrtwr sobll? fas céfufns Otras moléwlas seiializadoras se mantienen1111idas a la cara extema de la célula selializamedumdo as( una sefllllización dl'/X!IIllieme de CO/ltacro. Existen además dos tipos difenmres de ._,,:.ación a larga disrancia. En/a sellaliulción endocrina, las llom1m1ns secreradllS por las células ~irras son traruponadas por la sangre hasta ltls células diana de todo el cuerpo. Fn la sellalizamáptir.a, los neurormrumisores M>cwrados por los axonrs de las células nen•iosas actúan local.~obw las células postsiwfprícas co11 las que los axones lwn emmdo en comacro. l.a sefmlización celular rr'quiere no sólo moléculas seiíal extmcelulares sino también 1111 oon.,complememario de protefnas receproras expresadas por las células diana que unen deforma las moléculas ser1aliuuloras. Algunas peque1las moléculas hidrofóbicas, incluyendo las

PRODUCCIÓN DE UNA PROTEINA INHIBIDORA

Figura 15- 29 Algunos mecanismos que permiten la desensibilizaclón (adaptación) de las células diana a una molécula señal extracelular. Los mecanismos que se muestran, que actúan a nivel de receptor, a menudo implican la fosforilación o ubiquitlnización de la proterna receptora. Sin embargo, en la quimiotaxis bacteriana, como se analizará posteriormente, la adaptación depende de la metilación de las proteínas receptoras.

904

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

lwnnonas esteroideas y tiroideas, difunden a trm-is de la membrana plasmática de la célula diana y actiiJllll protefnas receptoras intracelulares, que regulan directameme la transcripción de genes diann específicos. Algunos gases en solución, como el óxido nftriro y el nwndxido de carborw, acllían como mediadores locales difundiendo a tmt>és de la membrana de la célula duma y activando ww protefna intmcelttktrcomo la enzima guanilaro cíe/asa, que produce GMPcfclico etJia célula diana. Sin embargo, k1mayorfa de las molécuku se1ial extracelulares so11 llidrofllicas y no pueden atral'esar la membrana plasmática. Actioon proteínas receptoras de la superficie de la célula diana, que actlian como rransductores de la setial y con11ienen la setial e.xtracelular en sellales intracelulares que altera11 t•l comportamiento de la célula diana. l.as tres principalesfamilia.~ de receptores de superficie celular trcmsducen setlales extracelulares de una manera difen•me. Los receptores acoplodos a canales iómcos son canales iónicos reguktdos por rransm isor que se abren o se cierraniJrer>emellle etl respuesta tl la unión de Llll neu rotmnsm isor. Lo.~ n'Ceptores acoplatios a protefnn..~ G actlt'OII o ittactil'an de forma irulirecra enzimas unidas tt la membrana plasmática o cmwles iónicos, a rrtwés de protefnas trimtlrictu de unión a GTP (protefnas GJ. Los receptores acoplados a ellZimas acuímJ directamente como enzimas o están asociados a en zimas; estas ettzillza..~ son por lo general protefnas quinasa que fosforiltm los receptows y protefnas setlalizadoras especificas de la célula dimw. Una t>ez actir'lldos, los receptores acoplados a protefnas Gy los receptare.\ acoplatlos a ertzimas tmmmitenla ~eti.al por t'l i!llerior de la célula actiiJlmdo cadenas de proteínas imracelulore.\ de setllllización. Algwta.~ de ellas acttian como intemtptores que son transitoriamente actir•ados por[os· forilación o por unión a GTP. Se forman grande:. comple;os de setlnlización frmcionales mediame dominios modulnres de illlemcción presentes en/as proteütas se1ialiuuloras; estos dominios permiten que las protefnas formen complicadas redes funcionales de setllllización. LtlS células dimw¡meden utilizar una gran variedad de mecanismos intracelulares, incluyendo los circuitos dl' rl!rroalimemación, para aJtlStar la forma en la que responden a sena/es e.xtracelulares. l.tJs circuitos dR retroalimentación positil'a pueden ayudar ala ctllula a responder de forma todo o nada a 1111 incrememo gradual en la coll(e/1/ración de una se11al e.xtracelultu o tl COIII't'rtir 111UJ se1/al de corra duración en 1111a respuesta de larga duración o incluso irrer>ersibiC'. Lt1 reuoali me/Ilación negatil•a retrasada permite' a la célula desei!Sibilizarse a una molécula setial,lo cual posibilita responder a pequ(•tin..~ t'Oriaciones de la concemración de la molécula serial en 1111 amplio rango de concentraciones.

SEÑALIZACIÓN A TRAVÉS DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A PROTEfNAS G (GPCR) Y MEDIADORES INTRACELULARES PEQUEÑOS Todos los eucariotas utilizan receptores acoplados a proteínas G (GPCR: G-protem-coupled receptors). Consmuyen la mayor familia de receptores de su perficie celular y median lamayorfa de las respuestas celulares a seiiales del mundo exterior asf como a señales procedentes de otras células incluyendo hormonas, neurotransmiso res y mediadores locales. Nuestros sentidos de la vista, el olfato y el gusto (con la posible excepción del gusto ácido) dependen de ellos. En humanos exio;ten más de 700 GPCR y en el ratón más de 1000 t'micamente relacionados con el sentido del olfato. Las moléculas sei'laJ que actúan sobre GPCR son de estructura tan variada corno lo es su función, e incluyen: proteínas y pequeños péptidos asf como derivados de aminoácidos y de ácidos grasos. para no mencionar los fotones de la luz y todas las moléculas que podemos oler y degustar. Una misma molécula señalizadora puede activar muchos miembros diferemes de la familia GPCH; por ejemplo, la adrenalina activa al menos 9 GPCR diferentes. la acetilcolina a otros 5 y el neurotrammisor serotonina al menos a 14. Por lo general, los diferentes receptores para una misma seiial se expresan en tipos celulares diferentes y provocan respuestas diferentes. A pesar de la diversidad química y funcional de las moléculas señal que los activan, todos los GPCR tienen una estructura similar. Están formados por una sola cadena polipeptfdica que atraviesa siete veces, arriba y abajo, la bicapa lipídica (Figura 15-30). Además de su orientación caracterfs tica en la membrana plasmática. todos ellos utilizan las proteínas G para transmitir la señal hacia el interior de la célula. La superfamilia GPCR incluye la rodopsina, la proteína localizada en la retina de los ojos de los vertebrados y que es activada por la luz, así como una gran cantidad de receptores olfativos localizados en la nariz de los vertebrados. En los organismos unicelulares también se

Figura 15-30 Dibujo esquemático de un receptor acoplado a una protelna G (GPCR: G protein-coupled receprors). Los que unen ligandos proteicos tienen un gr, domimo extracelular de unión formado por la parte de la cadena polipeptidiCa q se muestra en verde claro. Este dom1nlo junto con algunos de los segmentos transmembrana une al ligando proteico. Los receptores para ligandos pequeno ~ como es la adrenalina, tienen domin1os extracelulares pequeños y por lo general lugar de unión se halla incrustado en el de la membrana, formado por ammoáddcH de varios de los segmentos transmembr

NALIZACIÓN A TRAVtS DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A PROTEfNAS G (GPCR)

:·: ~·:::_~

..

::::sr,~; :'t~·;

::·.:~~"':~~

,..~ (A)

a

(B)

wntran miembros de esta famma: un ejemplo de ellos son los receptores de las levadulos factores de acoplamiento. Es probable que los GPCR que median la se.tción célula-célula en los organismos pluricelulares hayan evolucionado a partir de ptores sensoriales de sus an tepasados unicelulares. 1 abe destacar que cerca de la mitad de los fármacos conocidos actúan a través de GPCR l.ts vías de señaliY.ación que activan los GPCR. De entre los varios cientos de genes que 1t:cnoma humano codifican GPCR, unos 150 codifican receptores huérfanos, es decir, de 111c todavía se desconoce su ligando. Muchos son susceptibles de ser diana de nuevos •.reos aún sin identificar. IIIC reconocen

s proteínas G triméricas transmiten señales intracelulares sdeGPCR t1do una molécula señalizadora extracelular se une a un GPCR, el receptor sufre un cambio ormacional que le permite activar una proteína trimérlca de unión a GTP (proteína G). pmtefna G está unida a la cara citoplasmática de la membrana plasmática, donde acopla •nnalmente el receptor a enzimas o a canales iónicos de esta membrana. En algunos casos ••tefna G está asociada de fonna física con el receptor antes de que el receptor sea activamientras que en otros sólo se une después de la activación del receptor. Existen diversos Li' 11! proteínas G, cada una de las cuales es específica de un conjunto determinado de GPCR un conjumo particular de pro temas diana de la membrana ptasmálica. Sin embargo, to··llos tienen una estructura similar y funcionan de una manera similar. 1~s proteínas G están compuestas por tres subunidades proteicas diferentes: a, ~ y y. o·l estado no estimulado, la subunidad a une GDP y la proteína Gen cambio está inactiva u ra 15-31). Cuando un GPCR es activado, actúa como un factor intercarnbiador de nu•tuJos de guanina (GEF: guanine nucloocide exchange factor) e induce a la subunidad a a ltbere e l GDP al que está unido permitiendo que en su lugar se una un GTP. Este interluo p rovoca un gran cambio conformacional en la protema G, que se activa. Al principio wyó que la activación siempre producfa que el trímero se disociara en dos componentes '·•dos: una subtmidad ay un complejo fJy. Sin embargo hoy tenemos evidencias de que, al '""en algunos casos, el cambio de conformación expone superficies que antes estaban •ndidas entre la subunidad a y el complejo ~y de forma que ahora tanto la subunidad a 10 el complejo ~y pueden imeractuar con sus dianas sin que sea necesario que las subuulcs se disocien (Figura J5-32). Estas dianas pueden ser enzimas o canales iónicos de la 1nbrana plasmática, que transmiten la señal siguiendo ta vfa de señalización. ,_., subunidad a es una GTPasa, que cuando hidroliza el GTP que Ucva unido hasta GDP, n.1ctiva. El tiempo durante el cual la proteína G permanece activa depende la velocidad a w· la sub unidad a hidroliza el GTP que Ueva unido. Por lo general este intervalo es muy " porque la actividad GTPasa aumenta mucho debido a ta unión de una segunda pro' que puede ser su proteí11a diana o reguJador de la señalización de proteínas G (RGS: 1/ator ofG protein signaling). Las proteínas RGS actúan como proteínas activado ras de '.1sa (GAP: GTPase-actiL,atingprotein) espccfficas de la subunidad a (véase Figura 15-19), •u.lan a "apagar" las respuestas mediadas por proteínas C en todos los eucariotas. En el ,, una hwnano existen unas 25 RGS, cada una de las cuales interacciona con un conjunto rminado de proteínas G.

905

Figura 15-31 Estructura de una proteína G inactiva. (A) Nótese que tanto la subunidad a como la y están unidas covalentemente a moléculas lipidicas (en rojo) que contribuyen a unirlas a la membrana plasmática y que la subunidad a une GDP. (B) Estructura tridimensional de una protefna G inactiva, basada en la transducina, la proteína G Implicada en la transducción visual (se tratará más adelante). la subunidad a contiene el dominio GTPasa, y se une a un extremo de la subunidad p, la cual fija el dominio GTPasa en una conformación inactiva que une GDP. la subunidad y se une aliado opuesto de la subunidad p, y las subunldades ~y y forman una unidad funcional. (B, basado en D.G. Lombright et al., Na ture 379:31 1-3 19, 1996. Con la autorización de Macmillan Publishers Ltd.)

906

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular GPCR inactiVO ESPACIO EXTRACELULAR

CITOSOL

--'

protelna G inactiva

GDP I

-{=

e moll!cula serial extracelular

~

Figura 1S-32 Activación de una protelna G mediante un GPCR activado. La unión de una señal extracelular a un GPCR cambia la conformación del receptor, lo que a su vez altera la conformación de la protelna G La alteración de la subunldad a de la protelna G permite que intercambie su GDP por un GTP. activando tanto la subunidad a. como el complejo ~y. y ambos puedan regular la actividad de proteinas diana en la membrana plasmática. El receptor permanece activo mient ras la moll!cula se externa se mantenga unida a él, de forma que puede catalizar la activación de muchas moll!culas de protelnas G, que una vez activadas se disocian del receptor (no mostrado aquQ. En algunos casos, cuando la protelna G está activada. la subunidad ex y el complejo ~Y se disocian una de otra.

subunidad o. activada

Las GPCR activan varias vías de señalización intracelular, incluyendo algunas que también están activadas por receptores acoplados a enzimas. En esta sección, sin embargo. nos centraremos sobre las vías activadas por GPCR que utilizan mediadores intracelulares peque nos.

Algunas protefnas G regulan la producción de AMP cíclico El AMP cfcllco (cAMP: cyclicAMP} es un pequei\o mediador intracelular de todas las células procariotas y de todos los animales en los que se ha estudiado. La concenuación intraceluLar normal de AMP cíclico es de alrededor de L0- 7 M, pero una señal exuacelular puede incrementarla más de veinte veces en cuestión de segundos (Figuro 15-33). Como hemos explicado antes (véase la Figura 15-ll), una respuesta tan rápida como ésta requiere que la molécula se siJ1teñce rápidamente y que esta alta velocidad de síntesis esté compensada por una rápida degradación o eliminación de ella. El AMP dclico se sintetiza a partir de ATP mediante una enzima unida a la membrana plasmática, la adenllato clclasa y es rápida y continuamente desuuido mediante varias fosfod.iesterasas de AMP cíclico, que hidrolizan el AMP cíclico a adenosina 5 •-monofosfato (5' -AMP) (Figura 15-34). Muchas moléculas señalizado ras extracelulares actúan controlando la concentración de AMP cíclico mediante el aumento de la actividad de La adenilato ciclasa sin variar la actividad de la fosfodiesterasa. La adenilato ciclasa es una gran proteína uansmembrana multipaso con el dominio catalítico en la cara citosólica de la membrana plasmática. En mamíferos al menos

tiempo Osegundos

tiempo 20 segundos

Figura 15-33 Aumento de AMP clclico en respuesta a una señal extracelular. Esta célula nerviosa en cultivo responde a t. unión del neurotransmisor serotonlna a un GPCR. aumentando los niveles lntracelula~ de AMP cicllco. El nivel de AMP dcllco Intracelular fue registrado mediante la administración a la célula de una protelna fluorescente cuya fluorescencia varia cua"' se une a AMP clclico. El color azul Indica niveles bajos de AMP cfclico; el amarillo niveles Intermedios, y el rojo, niveles altos. (A) En la célula en reposo, el nivel de AMP cíclico es de 5 x 1o- 8 M. (B) Veinte segundO) después de la adición de serotonina al m de cultivo, el nivel int racelular de AMP del en algunas zonas relevantes de la célula ha aumentado a más de 10-6M, un aumento más de veinte veces. (De Brian J. Bacskal et al., Science 260:222-226, 1993. Con la autorización de AMS.)

LIZACIÚN A TRAVtS DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A PROTEINAS G (GPCR)

,, ho isoformas, muchas de las cuales están reguladas tanto por protefnas G como por 1os GPCR que actúan aumentando el AMP cíclico están acoplados a una proteína G es,tludora (G5: stimultltory G proteln), que activa la adenilato ciclasa con lo que aumenta la ntración de AMP cíclico. Otra proteína G, denominada proteína G lnhlbldora (G1: inhi(; protein), inhibe la adenilato ciclasa, pero actúa sobre todo regulando de forma dlrecllllcs iónicos (como describiremos posteriormente). Thnto Gs como G¡ son diana de diversas toxinas bacterianas de importancia médica. La r·olérica, producida por la bacteria que causa el cólera, es una enzima que catal iza la ··renda de ADP-ribosa procedente de NAO+ intracelular a la subunidad ex de G5 • Esta r ihosilación altera la subunidad ex de G, haciendo que pierda la capacidad de hidrolizar 1' que tiene unido. Las moléculas de adenilato ciclasa activadas por estas subunidades ·:.das permanecen activas indefinidamente. La elevación prolongada de la concentrad•· \MP cíclico en las células epiteliales intestinales provoca un gran eflujo de Cl y de ··n e l intestino que es responsable de la grave diarrea característica del cólera. La '1 f1ertussis, sintetizada por la bacteria que causa la tos ferina, catali7.a la ADP-ribosilad•·la subunidad ex de G¡ impidiendo que la protefna pueda interaccionar con los recep··omo resultado de ello, la protefna G retiene el GOP que lleva unido y pierde la ldad de regular sus protei'nas diana. Ambas toxinas son herramientas muy utilizadas hnentalmente para detem1inar si una respuesta celular a una señal dependiente de 1de una célula está mediada por G, o por G¡. '' la Tabla 15- 1 se listan algunas de las respuestas mediadas por un incremento de la ntración de AMP dclico estinlulado por G,. Como muestra la tabla, diferentes células r•·sponden de forma muy diferente a un incremento de la concentración de AMP dStn embargo, generalmente cada tipo determinado de célula diana siempre responde nu...rna manera a este incremento con independencia de cuál sea la señal extracelular • < ause. Por ejemplo, por lo menos cuatro hormonas activan la adenilato ciclasa en las del tejido adiposo y todas ellas estimulan la degradación de triacilglicéridos Oa forma ,,,cenamiento de las grasas) hasta ácidos grasos (véase la Tabla 15-1) " individuos que son genéticamente deficientes en una determinada subunidad ex presentan respuestas disminuidas a ciertas hormonas. Como consecuencia de ello, l"·r•;onas presentan trastornos metabólicos y en el desarrollo de los huesos y retraso 1

proteína quinasa dependiente de AMP cíclico (PKA) dia la mayoría de los efectos del AMP cíclico fll.lyoría de las células animales, el AMP ejerce sus efectos principalmente activando la •·• proteína qulnasa dependiente deAMP cfciJco (PKA). Esta quin asa fosforila serinas runas de determinadas proteínas diana, incluyendo protefnas señalizado ras intraceluproteínas efectoms, regulando asr su actividad.

1s 1 Algunas respuestas celulares inducidas por hormonas, que son mediadas AMP cíclico

HORMONA

RESPUESTA PRINCIPAL

hormona estimuladora de la tiroides (TSH)

sfntesis y secreción de hormonas tiroideas

hormona adrenocorticotropa (ACTH)

secreción de cortisol

hormona luteinlzante (LH)

secreción de progesterona

adrenalina

degradación de glucógeno

parathormona

resorción del hueso

adrenalina

incremento de la frecuencia cardiaca y de la fuerza de contracción del corazón

glucagón

degradación de glucógeno

vasopresina

reabsorción de agua

adrenalina, ACTH, glucagón, TSH

degradación de triadlglicéridos

907

<JCNH~ o'- o-¡-o-~H,n ~ N) o-

O · OO - 0-P-0-P1 u

Ó-

1

aa

OH OH

CHLO.

o

<Ú ~

N

o

~ p--

\

o

OH

/

r

<óNHl

HO 2

f sfodiesterasa

:oAMP<klko ...J H

-o- r -o-cv Hz o. o

, N :::1

N S'•AMP

OH OH Agura 15 ·34 Sfntesls y degradación del AMP clcllco. En la reacción catallzada por la adenllato ciclasa, el AMP dclico (cAMP) se sintetiza a partir de ATP mediante una reacción de ciclación que elimina dos grupos fosfato en forma de plrofosfato !®-®>. Una pirofosfatasa hidroliza el pirofosfato que se libera en esta reacción (no se muestra) haciendo que la sintesis de AMP clclico sea un proceso irreversible. Como se Indica en la figura, el AMP clclico es una molécula de vida corta (inestable) en la célula porque es hldrolizado por fosfodlesterasas especificas formando S -AMP

908

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

las proteínas diana de la PKA son diferentes en diversos tipos celulares, lo cual explica por qué los efectos del AMP dclico varfan de fonna tan marcada en función de las células diana de que se trate (véase Tabla 15-1). En su estado inactivo, la PKA es un complejo formado por dos subunidades cataiJticas y dos subunidades reguladoras. La unión de AMP cíclico a las subunidades reguladoras altera su conformación , haciendo que se disocien del complejo. Las subunidades catalíticas liberadas resultan activas para fosforilar de forma especffica moléculas proteicas diana (Figuro 15-35). Las subunidades reguladoras de la PKA (también denominadas quinasa-A) tienen un papel importante en la locali7.ación intracelular de la quinasa: unas protefnas de anclaje de la quinasa-A (AKAP: A-k inase a nclloring proteillS) especiales se unen tanto a las subunidades reguladoras como a una membrana de un orgánulo o a un componentes del citoesqueleto, secuestrando asf al complejo enzimático en un determinado compartimiento celular. Algunas AKAP también se unen a otras proteínas scnali7.adoras formando un complejo que actúa como un módulo de se~ialización. Por ejemplo, una AKAP locali1.ada alrededor del núcleo de las células musculares del corazón se une a PKA y a una fosfodiesterasa que hidroliza cAMP. En células no estimuladas, la fosfodiesterasa mantiene baja la concentración local de AMP cfclico de forma que la PKA un1da es inactiva: en células esumuladas,la concentración de AMP cfclico aumenta rápidamente superando la actividad de la foc;fodiesterasa y activando la PKA. Entre las protcfnas diana que fosforita y activa la PKA en estas células, se encuentra la fosfodiesterasa adyacente, que hace disminuir de nuevo con rapidez la concentración de AMP cfclico. Esta distribución transforma lo que de otra manera <>ería una respuesta s uave y prolongada de PKA en un pulso breve y local de actividad PKA. Mientras que algunas respuestas mediadas por AMP cfclico ocurren en cuestión de segundos y no dependen de variaciones de la transcripción génica (véase la figura 15-33), otras sf que dependen de variaciones de la transcripción génica y tardan horas en desarrollarse plenamente. Por eJemplo, en las células que secretan la hormona peptfd1ca somatostatina, el AMP cfcl ico activa la expresión del gen que codifica esta hormona. La región reguladora del gen de la somatosta tina tiene una corta secuencia de DNA, denominada elemento de respuesta al AMP cfclico (CRE: cyclic AMP response elemellt), que también se encuentra en muchas otras zonas regu ladoras de genes activados por AMP cíclico. Esta secuencia es reconocida por una protema específica reguladora de la expresión génica denominada proteína de unión aCRE (CREB: CRE-b inding protein) . Cuando la PKA es activada por cAMP. fosforila CREB sobre una sola serina. Entonces, la CREB fosforilada recluta un coactivador transcripcionalllamado protefna de unión a CllEB (CBP· CRJ-.:B-binding protein), que es ti muJa la transcripción de los genes diana (Figura 15-36). Así, CRFB puede transformar una breve señal de AMP dclico en un cambio a largo plazo de una célula, un proceso que, en el cerebro, parece que desempei1a un importante papel en algunas formas de memoria y de aprendizaJe. L.a PKA no media todos los efecms celulares del AMP cídico. Como se explicará después, en las neuronas olfativas (responsables del sentido del olfato), el AMP cíclico también acUva de fonna directa canales iónicos especiales de la membrana plasmática. Además, en algunas otras células activa sin mediación un factor intercambiador de nucleólidos de guanina (GEF) que, a su vez, activa una GTPasa monomérica denominada Rapl, la cual a menudo provoca un incremento de la adhesión celular a través de la activación de las integrinas de la superficie celular (se trata en el capítulo 19).

....

AMP cíclico

PKA inact1va

subunidad reguladora

• ___L_ • subunidad catalltica inactiva

comple¡o de AMP cfclico y subunidades reguladoras

+ subumdades catallticas activas

A gura 1S -3S Activación de la proteína quinasa dependiente de AMP clclico (PKA La un1ón de AMP clclico a las subunidadt!S reguladoras del tetrámero PKA induce en ellas un camb1o de conformación que las hace disociarse de las subunidades catalíticas. act1vando asila act1v1dad quinasa de dichas subunidades catalíticas. La liberación de las subunldades catalítica\ requiere la unión de más de dos moléculd\ de AMP clclico al tetrámero. Este hecho hac que la respuesta de la qulnasa a los cambios en la concentraCión de AMP clclico sea aguda, como se Indicó anteriormente (véase la Figura 1S 25). En la mayoria de t. células de mamffero existen al menos do~ t1pos de PKA: la de tipo 1se halla sobre todo en el citosol, mientras que la de tipo 11 se halla unida a través de sus subunidades reguladoras y de prote1nas de anclaje especiales a la membrana plasmática, a la membrana nuclear, a la membrana m1tocondrial externa y a los microtúbulos. En ambos tipos de PKA. cuando las subunidades catalfticas son liberadas y activadas, pueden migrar al núcleo (dond pueden fosforilar proteínas reguladora de la expresión génica), mientras que las subunidades reguladoras permanecen ~n citoplasma. La estructura tridimensional dominio proteína qulnasa de la subun1dad catalítica de la PKA se muestra en la Figura 3-65.

1

ALIZACIÓN A TRAVÉS DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A PROTE[NAS G (GPCR) adenilato ciclasa activada

GPCR activado

PKA activada CITOSOL

NÚCLEO

poro nuclear •

T

~

CREB fosforilada activa

proteJna que une CREB (CBP)

/

_{ rL

-__¡

P

elemento de respuesta a AMP cíclico (CRE)

PKA activada

."'=

,

CREB inactivo

gen diana acttvado

'

TRANSCRIPCIÓN

111.1vez establecido de qué forma las prOLefnas G triméricas unen PGCH activadas a la 1··•clasa, se considerará a cominuación de qué forma acoplan GPCR a otra enzima crf[osfolipasa C. La activación de esta enzima incrementa la concentración de varios dores intracelulares pequeños, incluyendo el Ca2• , que participa en la transmisión de 2 ti El ea • es utili7..ado incluso más ampliamente que el AMP cfclico como mediador • pequeño.

unas proteínas G activan una vía de señalización fosfolípidos de inositol y activan la fosfolipasa C-J3 •" CPCR ejercen sus efectos principalmente vfa proteínas G que activan la enzima uniu•mbrana plasmática fosfolipasa c-p (PLCP: phospholipase c-p). En la Tabla 15-2 se 1.10 varios ejemplos de respuestas celulares activadas por esta vfa. La fosfolipasa actúa 1111 fosfolfpido de inositol fosforilado (un fosfatidilinosito() denominado fosfatidilino4,!1-bisfosfato (PI(4,5)P2 o PIP2J. que está presente en bajas camidades en la mitad inh· la bicapa lipfdica de la membrana plasmática (Figura 15-37). Los receptores que 1 esta mediante esta vía de señalización por fosfolfpidos de inositol activan sobre to' proteín a G denominada Gq. la cual a su vez activa la fosfolip asa C-~. de la misma ma¡uc la Gs activa la adenilato ciclasa. La fosfolipasa activada rompe el PlP2 generando uductos: inositol 1,4,5-rrisfosfato (JPJ) y diacilglicerol (Figura 15-38). En este punto, el u de seilali7.ación se bifurca en dos ramas.

909

Figura 15- 36 Cómo un aumento de la concentración de AMP cíclico intracelular puede alterar la transcripción de un gen. AGAT La unión de una molécula señal extracelular a sus GPCR provoca la activación de la adenllato ciclasa a través de G, y, por tanto, un incremento de la concentración de AMP dclico en el citosol. El aumento de la concentración de AMP cíclico activa la PKA y libera las subunldades catalíticas de PKA que pueden migrar al núcleo y fosforllar la proteína reguladora de la expresión génlca CREB. Una vez fosforilada, CREB recluta al coactívador CBP. estimulando la transcripción génlca. Al menos en algunos casos, la protefna CREB inactiva, antes de ser fosforilada, ya está unida al elemento de respuesta al AMP cfclico (CRE) sobre el DNA (no se muestra). Esta vía de señalización controla muchos procesos de la célula, desde la slntesis de hormonas en las células endocrinas hasta la producción de las proteínas necesarias para la memoria a largo plazo en el cerebro. Veremos más adelante que algunas CREB también pueden ser activadas por otras vlas de señalización, Independientes de cAMP.

91 O

Capitulo 15: Mecanismos de comunicación celular

Tabla 15-2 Algunas respuestas celulares en las que GPCR activa PLC~ TEJIDO OlA~

_ MOLÉCULA SEÑA_:

RESPUESTA PRINCIPAL

11

degradación del glucógeno

vasopresma

Hlgado Páncreas Músculo liso Plaquetas sanguíneas

acetilcolina

secreción de amilasa

acetilcollna

contracción muscular

trombina

agregación plaquetaria

Ellnositoll ,4,5-trisfosfato (IP3) es w1a molécula hidrosoluble que actúa como un mediador intracelular pequeño. Se libera de la membrana plru.mática y difunde con rapidez por todo el citosol. Cuando llega al retículo endoplasmático (ER). ~e une y abre los canales l.iberadores de Ca2• sensibles a JP3 (también denominados receptores de IP3) de la membrana del ER. Entonces, el Ca2• que está almacenado en el ER es liberado a través de los canales que se acaban de abrir, aumentando rápidamente la concentración de Cal• del citosol (Figura 15-39). Cuando las reservas de Ca2 • del ER se han vaciado, se vuelven a llenar mediante la activación de canales de c«t• sensibles a almacenamiento de la membrana plasmática y una protefna sensora de Ca2+ de la membrana del ER en regiones en las que ambas membranas están muy juntas. Después se describirá cómo el incremento de la concentración de cal• propaga la 2 señal y afecta la actividad de protefnas intracelulares sensibles a Ca •. Para dar por finalizada la respuesta inicial de ea:l.• actúan varios mecanismo~: (1) ci1P:1 es rápidamente desfosforilado a JP mediante una fosfawsa de lfpidos específica: (2) el IP 1 es fosforilado a IP1 2 mediante una quinasa de Hpidos especffica (que puede actuar como otro mediador intracelular pequeño); y (3) el Ca2• que entra en el citosol es rápidamente bombeado hacia el exterior, sobre todo hacia el exterior de la célula (véase Figura 15 11 ). Al mismo tiempo que ei1P:1 producido por la hidrólisis del PIPz incrementa la concentración de ea2+ en el cito5ol, el otro producto de hidrólisis del PIP2-el diacilgllcerol- ejerce efectos bastantes diferentes. También actúa como un mediador intracelular ¡>equet'\o, pero permanece imbricado en la membrana plasmática, donde ejerce algunas funciones seiíalizadoras potenciales. l'uede ser degradado liberando ácido araquidónico que a su vez puede acmar como una señal o ser utilizado en la sfntesis de otras pequefms moléculas señal lipfdicas denominadas eicosanoides. l.a mayoría de los tipos celulares de los vencbrados sintetizan eicosanoides, incluyendo las prostaglandinas, los cuales tienen una gran variedad de

cadenas de tlcidos grasos de la monocapa hpídica exterior de la membrana plasmtltica

ll

cadenas grasos dedelaácidos monocapa lipidíca interior de la membrana plasmat1ca

ll

C O C=O

o11

o11

ll'l"J!! -

CH,-CH -CH

1 .

2

() O

1

lillil

\. J.

Pdl

l1

C=O C=O

rut

Pl-quínasa

6 o1 1 1

l

1

lillil \.

Oll

inositol fosfatldilinositol (PI)

i

P-o :

PI 4-fosfato [PI(4)P)

1

J.

PIP-quinasa

<~OH HHO O o~

0

0

1

CITOSOL

1

CH -CH-CII

Wl"-'1 ~ l

o O-P:O

(=O

1

1

CH -CH-CH

1

c.-o

1

l

V 0=1'-0

() 1

o

:~ ·-= ~H -)

IIHO CJ 1

0=1_'-0 (

Pl4,5-bisfosfato [Pt(4,5)P21

Figura 15-37 Esquema de la slntesis de PI(4,5)P 2• Los fosfoinositoles PI(4)P y Pl(4. se producen mediante la fosforilación del fosfatidilinositol (PI) y PI(4)P. respectivam A pesar de que los tres fosfollpidos de in pueden romperse durante el proceso de respuesta a una señal, la degradación más predominante y más crítica es la de PI(4,5)P2 porque genera dos mediadores intracelulares, como se muestra en las Flgur 15-38 y 15-39. Sin embargo, PI(4,5)P2es el menos abundante, ya que constituye me dell 0% del total de fosfolípidos de inositQI y alrededor del1% del total de lípidos en 11 membrana plasmática. La numeración convencional de los átomos de carbono en el anillo inosítol se muestra con números rojos en la molécula de PI.

LIZACIÓN A TRAVt S DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A PROTE[NAS G {GPCR)

r1

cadenas de ácidos grasos de la monocapa llpfdica Interior de la membrana plasmática

l1

C=O C=O 1

C=O C=O

1

6 6

o1 o1

1

C11 2-CH -CH2 )

-

" _0 0'-1.'

()

1

OH dlacilglicerol

o

~

eiTOSOL

1

CH1·CH-CH2

r)

-

fosfolipasa e- ~

o~r-o

1

ACTIVA LA PROTEINA QUINASAe

o

()

911

Figura 15-38 Hidrólisis de P1(4,5)P2 por la fosfollpasa C-~- La hidrólisis de PIP2 produce de forma directa dos pequenos mediadores intracelulares: el ínosltol1,4,5trisfosfato (IP3), que difunde a través del citosol y provoca la liberación de Ca 2+ desde el retlculo endoplasmático, y el diacilgllcerol, que permanece en la membrana y colabora en la activación de la enzima protefna quinasa C(PKC; véase Figura 15- 39). Existen varias clases de fosfollpasas C; entre ellas se encuentra la clase p, que se activa por GPCR; como veremos mc\s adelante, la clase y es activada por otra clase de receptores unidos a enzima, denominados receptores tirosina quinasa (RTK).

1

LIBERA ea 2 ' DESDE EL RETieULO ENDOPLASMÁTieO

4. '• bisfosfato (PI(4,5)P2]

o inosítol 1.4.5-trisfosfato (IP})

'-•des biológicas. Por ejemplo, panicipan en la respuesta inOamatoria y a las lesiones; h1l'ión de su sfmesi~ es el mecanismo de acción, al menos en parte, de la mayoría de '·~ antiin1lamatorios (como la aspirina, el ibuprofeno y la cortisona] . lt1-1 segunda función del diacilglicerol consiste en activar una proteína serina/treonina 1 clave, la proteína quin asa C (PKC: protein kintlSe C) , denominada asf debido a que 2 ndiente de Ca •. El incremento inicial de la concentración citosólica de Ca 2• inducir IP_¡ al tera la PKC, traslocándola desde el citosol has ta la cara citoplasrnática de la r.ma plasmática. AJlf se activa por la combinación de Ca 2+, diacilgUcerol y el fosfolfpido mhrana cargado ncgativameme, fosfalidilserina (véase Figura 15-39). Una vez activa·~c fosforita proteínas diana que varían en función del tipo celular. Los principios son 'nos que los e.xpuestos anteriormeme para la PKA, aunque la mayorfa de las p ro1efnas ·m diferentes. ¡,ten diferentes clases de PKC, sólo algunas de lal. cuales (denominadas PCK CO!wen., ~on ac1ivadas por Ca2• y diacilglícerol; las otras se denominan PKC mfpicas. DifeI'J..:C fosforilan diferentes sustratos fundamentalmente porque difercmes proteínas law o de armazón mantienen las disLintos PKC en diferentes compartimientos de la

GPeR activada

fosfoilpasa e-~ activada

protelna Gq activada

lumen del retículo endoplasmático"

PI 4,5-bisfosfato [PI(4,5)P2J

inos1tol 1,4, 5-trisfosfato (IP¡)

Figura 15- 39 Cómo las GPCR incrementan el Ca 2 • citosóllco y activan la PKC. El GPCR activado estimula la fosfolipasa PLCP ligada a la membrana plasmática a través de una proteína G. Dependiendo de la isoforma de la PLCp, puede ser act1vada por la subunidad tt de Gq, como se muestra, por las subunrdades py de otra protelna G, o por ambas. Cuando la PLCP activada hidroliLJ PI(4,5)P,. se producen dos men.sa¡eros Intracelulares pequenos. El inositol 1,4,5-tnsfosfato (IP3) difunde a través del citosol y libera Ca2 ' del ER, al unirse y abrir los canales liberadores de Ca 2+ sensibles a IP3 (receptores IP3) en la membrana del ER. El marcado gradiente electroqufmico de CaH a través de esta membrana, hace que el (a2+ escape hacia el citosol cuando se abren los canales liberadores. El diacilglicerol permanece en la membrana plasmática y, junto con la fosfatidilserina (no mostrada) y el Ca 2 •, contribuye a activar la proteina quinasa C (PKC), que migra desde el citosol hasta la cara citosólica de la membrana plasmc\tica. De las 1Oo más !so formas de PKC de humanos, al menos 4 se activan por diacilglicerol.

912

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

tiempo Osegundos

10 segundos

20 segundos

40 segundos

El Ca 2+ actúa como un mediador intracelular ubicuo Una gran variedad de sei'talcs extracelulares (no sólo las que actuan vfa proteínas G) inducen un incremento de la concentración citosólica de Ca 2•. Por ejemplo en los oocitos de~pués de la fecundación por un espermatozoide se induce una ola citosólica de Ca2 + que es responsable del inicio del desarrollo embrionario (rigura 15-40). En la!> libras mu~culares, el Ca2 ' provoca la contracción y en muchas células secretoras, incluyendo las células nerviosas, provoca la ~ecreción. El Ca2 • puede actuar como ~eñal de este modo porque normalmeme su concentración en el citosol es muy baja ( 1O7 MJ, mientras que su concemración en el Ou ido extracelular (- 1O 3 M) y en el fumen del ER -y del retfculo sarcoplasmático (SR: sarcoplasmic reticulum) del músculo- es alta. Así pues, e:dste un enorme gradiente de Ca2 que tiende a empujar Ca2 hacia el citosol. tanto a través de la membrana plasmática como a través de la membrana del ERo del SR. Cuando una setial abre transitoriamente los canale!> de Ca2 en alguna de estas membrana!>, el Ca 2' nuye precipitadamente al citosol, incrementando de forma marcada la concentración local de Cal• en 10-20 veces y activando las proteínas sensibles a de la célula. 1 lt PI Ca 2• del exterior de la célula entra al citosol a través de varios tipos de canales de Ca 7 de la membrana plasmática, que se abren en respuesta a la unión de un ligando, a estiram iento o a despolarización de la membrana. Ll ca2 • procedente del ER entra en el cito-.ol a través de receptores de IP:1 (véase Figura 15-39) o de receptores de rlanodJna (llamados así porque son sensibles al alcaloide vegetal rianodina). lo~ recepto re!, de rianodina por lo general son sensibles a la unión de Ca2 ' por lo que amplifican la seflal de Ca2 . fJ caz. también activ<llos receptores de IP 1 pero sólo en presencia de IP 1; en cambio, concentraciones muy elevadas de Ca2 '1os inacrivan. En el Capítulo 16 ~e explica cómo se libera el Ca2• de!>de el retículo sarcoplasmático generando la contracción de las células musculares. La concentTación de Ca 2 ' en el citosol se mantiene baja en las célula~ en reposo mediante diversos mecanismos (figura J 5-41 ). Todas las células eucariotas tienen en <;u membrana pla'irn<llica una bomba de C'..a 2 • que utiliza la energía de la hidrólisis del Al P para bombear ea2· hacia el exterior del citosol. Células tales como las muscular!!!> y la~ nerviosas, que utilizan de forma intensa el si!>tema de sei'lali.t..ación por Ca2•, disponen en s u membrana plasmatica de otra proteína transportadora de Ca2• (un intercambiador de ea 2 • dirigido por Na·¡ que acopla el en ujo de Ca~· a un inOujo de Na•. rn la membrana del ~R existe otra homba de Ca2' que tamhién desempeña un papel importame en el mantenimiento de una concentración baja de Ca2 • en el citosol: esta bomba de C'..a2 + pcnnitc al ER captar grandes cantidades de Ca2 • del citosol, en contra de gradiente de concentración, aunque los niveles de Ca 2• en el citosol sean bajos. Además, una homba de Ca 2'. de baja actividad pero de gran capacidad, '>ituada en la membrana interna de la mitocondria, tiene un papel importante li rnitando y acabando la señal de Ca2 ·: utiliza el gradiente electroqufmico generado a través de esta membrana, du rante las etapas de transferencia de electrones de la fosfo rilación oxidativa, para eX1racr Ca2 • del citosol importándolo a la mitocondria. Así, aumenta la concentración de Ca2• en la mitocondria, lo que puede activar algunas enzimas del ciclo del ácido cítrico y. por tanto, aumenta la sfnresis de Al P. lo cual relaciona la activación celular con la producción de energía; sin emhargo, un incremento excesivo de la concentración de Ca2• en la mitocondria conduce a la muerte celular.

eaz.

la frecuencia de las oscilaciones de Ca 2+ afecta la respuesta celular Los investigadores a menudo utilizan indicadores nuorescentcs sensibles a Ca2 ', como la aewori11a o lafrtra-2 (se describe en el Capítulo 9), pard s eguir las variaciones de los niveles

Figura 15-40 la fecundación de un ood to maduro por un espermatozoide provoca un incremento en la concentración citosólica de ea1 +. AúG A este oocito de estrella de mar, antes de ser fecundado, se le ha Inyectado un marcador fluorescente sensible al Ca2 • Se ve como una ola de (a2+ citosólico (rojo),liberada desde el RE. recorre todo el oocito desde el punto de entrada del espermatozoide (flecha). Esta ola de Ca 2 • provoca un cambio en la superficie celular del oocito, ev1tando la entrada de otro espermatozoide, e Inicia el desarrollo embnonano (descnto en el Capitulo 21). Parece que el incremento micial de Ca2 está causado por una forma de PLC (PLCQ específica del espermatozoide, que este coloca sobre el citoplasma del oocito cuando se funde con el ooclto; la PLC~ rompe el P1(4,S)P2 en IP1. que libera Ca2' del ER del ooctto. (Cortesla de Stephen A. Strlcker.)

llZACIÓN A TRAVtS DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A PROTEINAS G (GPCR)

bomba de ca1• en la membrana del ret fculo endoplasmátíco

moléculas del citoplasma que unen Ca 1•

rm~lx

transporte activo de Ca 2• hacia la mitocondria

H•

AO

transportador de intercambio de Ca 1• impulsado por Na•

913

bomba de Ca 2 '

Ca 2 • C..¡.] • 10-1M

molécula que une calcio

\( Na•

[C.2']• 10

7M

retfculo endoplasmático

mitocondria

CITOSOL CITOSOL

(B)

2

,1Jros de Ca • en células individuales en las que se ha activado el proceso de señalización luHpidos de inosi rol. Cuando se observan de esta manera, la seiial inicial de eaz• apa¡wqueiia y localizada en una o más regiones discretas de la célula. Estas señales cresta, ~opios o chispas de Ca2• reflejan la apertura local de uno o pequeños grupos de ca2 lo· Ca • en la membrana del ER. Dado que varias proteínas de unión a Ca2• actúan como lnl's restringiendo la difusión de Ca2• , generalmente la señal permanece localizada en ' en el que el Ca2+ ha entrado en el citosol. Sin embargo, si la seiial extracelular es lo lit' fuene y persistente, esta seiiallocalizada de Ca 2+ se puede propagar a través del d omo w1a ola que se va regenerando (véase Figura 15-40), de modo parecido a como lo 1 potencial de acción en un axón. Por lo general, esta "espiga" inicial de Ca2+ viene se por series de espigas posteriores, cada una de las cuales tarda algunos segw1dos en • trse (Figura 15-42). Estas oscilaciones de ea2• persisten mientras los receptores se

Agura 15-41 Principales vlas de las células eucarlotas para mantener concentraciones muy bajas de ea2 • libre en su dtosol. (A) El ea2• es bombeado de forma activa desde el cltosol hacia el exterior de la célula. (B) El Ca2+ es bombeado desde el citosol al interior del ER y de la mitocondria y varios tipos de moléculas en el cltosol de la célula unen Ca2' 1ibre.

concentraciones de vasopresina 1

0,4 nM

1

1

0,6nM

-- - - - ,

p.9nM

1

600

1Ca2•¡ l•tM) 400

200

10

20

30

40

tiempo (minutos)

50

60

70

Figura 15-42 Inducción de oscilaciones de ea 2+ por vasopresina en una célula hepática.la célula fue cargada con la protelna sensible a Ca 2• , la aecuorina, y a continuación fue expuesta a concentraciones crecientes de la molécula péptldo señal vasopreslna, que activa una GPCR y la PLC~ (véase la Tabla 1S- 2). Nótese que la frecuencia de los picos de Ca2 + aumenta a medida que aumenta la concentración de vasopreslna, pero que la amplitud de los picos no se ve afectada. Cada pico dura unos 7 segundos. (Adaptado de N.M. Woods, K.S.R. Cuthbertson y P.H. Cobbold, Nature 319:600-602, 1986. Con la autorización de Macmlllan Publishers Ltd.)

914

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

mantengan activados en la superficie de la célula. Parece que tanto las olas como las oscilaciones de caz+ dependen, al menos en parte, de una combinación de retroalimentación positiva y negativa por caz+ sobre los receptores de rP 3 y los receptores de rianodina: el caz+ liberado inicialmente estimula la liberación de más caz+ por ambos receptores, un proceso conocido como liberación de Q¡l+ inducida por c,al•; entonces. cuando su concentración es lo bastante elevada, el caz+ inhibe su liberación y esta retroalimentación negativa retrasada provoca las oscilaciones (véase Figura 15-280). Podemos seguir los efectos de las oscilaciones de eaz• sobre las proteínas sensibles a Ca2• utilizando imágenes a tiempo real de células individuales que expresen proteínas re2 porteras fluorescentes. Se puede mostrar, por ejemplo, que cada espiga de ca • de una respuesta inducida de este tipo recluta transitoriamente PKC hacia la membrana plasmática, donde de forma transitoria fosforila una proteína reportera. La frecuencia de las oscilaciones de ca2+ refleja la intensidad del estímulo extracelular (véase Figura 15-42) y esta frecuencia puede traducirse en una respuesta celular dependiente de frecuencia. En algunos casos. dicha respuesta dependiente de frecuencia también es, a su vez, oscilatoria. Por ejemplo, en células de la pituitaria secretoras de hormona la estimu2 lación por una molécula señal extraceluJar induce picos repetidos de ca +, cada uno de los cuales está asociado con un pulso de secreción de hormona. En otros casos, la respuesta dependiente de frecuencia puede ser no-oscilatoria. Por ejemplo, en algunos tipos celulares una frecuencia de espigas de Ca2+activa la transcripción de un conjunto de genes, mientras que frecuencias más altas activan la transcripción de otro conjunto de genes. ¿De qué forma pueden las células captar la frecuencia de las espigas de caz+ y modificar su respuesta según 2 dicha frecuencia? El mecanismo probablemente depende de proteínas sensibles a ca +que 2 cambian su actividad en función de la frecuencia de los picos de ca •. Como se expone a continuación. existe una proteína quinasa que actúa como un dispositivo de memoria molecular que parece tener esta destacable propiedad.

En las células animales, las acciones del Ca2 + se producen a t ravés de proternas quin asa dependientes de Ca2+/calmodulina (CaM-quinasas) Varias proteínas que se unen a caz+ ayudan a transmitir la señal citosólica de caz+. La más importante de ellas es la calmoduUna, que se encuentra en todas las células eucariotas y constituye aproximadamente el l% de la masa total de proteína de la célula. La calmodulina actúa como un receptor intracelular polivalente de Ca 2+ que gobierna muchos procesos regulados por ea2+. Se trata de una cadena polipeptfdica muy conservada con cuatro lugares de unión con alta afmidad para el caz+ (Figura J5-43A). Cuando se activa por la unión a CaZ+, la calmodulina sufre un importante cambio de conformación. Dado que se tienen que unir dos o más iones de ea2• a la calmodulina para que ésta adopte su conformación activa, la proteína responde casi como un interruptor cuando se incrementa la concentración de

CaZ+

.)'4ip~

H2N

1

1

A J

(A)

f'

!{

2nm

-

_A

e~

COOH

(B}

-:oc

c=-i

t

;

;> NHz

Figura 15-43 Estructura del complejo Cal• /calmodulina, basada en est1Jdios d difracción de rayos X y de NMR. ( ·e ·

(Al la molécula se parece a una •pesa de gimnasia~ con dos cabezas globulares

terminales. que pueden unirse a muchas protelnas diana. Las cabezas globulares están conectadas mediante una larga héllct a expuesta, que le permite a la protefna adoptar varias conformaciones muy diferentes según con que protelna diana Interactúa. Cada una de las dos cabezas 1 dos dominios de unión al ea2 +. (8) Prindpal cambio estructural del complejo Ca 2+/calmodullna que ocurre cuando se a una protefna diana (en este ejemplo, un péptido que contiene un dominio de un!OII para ea2+Jcalmodullna de una protefna qulnasa dependiente de Ca 2+Jcalmoduh Nótese que el complejo Ca2 +JcalmoduliN se dobla como una · navaja de bolsillo· abrazando al péptido. Cuando se unen a otras dianas, pueden adoptar diferentes conformaciones. (A, basado en datos de cristalografía de rayos X de Y.S. Babu et di. Nature 315:37-40, 1985. Con la autorizac de Macmillan Publishers Ltd; 8, basado en datos de cristalografla de rayos X de W.E Meador, A.R. Means y F.A. Quiocho, Scien« 257:1251-1255, 1992, y en datos de NMR M. lkura et al. Sdence 256:632-638, 1992. Con la autorización de AAAS.)

LIZACIÓN A TRAVÉS DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPlADOS A PROTEINAS G (GPCR) 915 '''ase Figura 15-25): un incremento de 10 veces la concentración de Ca2• genera un rm•nto de 50 veces de la activación de la calmodulina. 1 activación alostérica de la calmodulina por el Ca 2 • es análoga a la activación aJos téla PKA por el AMP cíclico, con la diferencia de que la calmodulina no tiene actividad J.ltica sino que actúa uniéndose y activando a otras pro temas. En algunos casos, la cal"lina actúa como una subunidad reguladora permanente de un complejo enzimático, •·tterahnente la unión del Ca2• induce la unión de la calmodulina a varias protefrlas •lt•la célula y altera su actividad. 2 11ando el complejo Ca •tcaJmodulina activado se une a su pro tema diana la calmodulina 1.1 de nuevo de conformación, la naturaleza de la cual depende de la superficie de la célu"·' (Figura 15-438). De entre la gran cantidad de protefnas diana reguladas por la calmo"arias de eUas son enzimas o proteú1as de lranspone a lravés de la membrana. Como 2 ''"·el complejo Ca '/calmodulinase une, activándola, a la bomba de Ca2• de la membralllática, que utiliza la hidrólisis de ATP para bombear Ca2+ hacia el exterior de la célula l1gura 15-41 ). Así, cuando la concentración de Ca2+ en el citosol aumenta, la bomba se lo cual contribuye a que los niveles citosólicos de Ca2+ vuelvan a los valores de reposo. n ~·mbargo, la mayor pane de los efectos del Ca2• son más indirectos y están mediados lorilación de protemas catalizadas por una familia de serina/rreonina protefnas quil•·norninadas quin asa dependientes de Ca2 •tcalmodulina (CaM-quinasas). Algunas q11masas fosforilan protefnas reguladoras de la expresión génica, activando o inhi,, In transcripción de determinados genes, como en el caso de la protema CREB que visto ameriormente (véase Figura 15-36). 1111 de los ejemplos mejor estudiados de CaM-quinasas es la CaM-quinasa n, que se en·• en la mayoría de las células animales pero sobre todo en el sistema nervioso. Consd"·'' del 2% de la masa total de proteína en algunas regiones del cerebro y está muy 111rada en las sinapsis. La CaM-quinasa lJ tiene dos propiedades destacables, que están •nadas entre sr. Primera, puede acruar como un dispositivo de memoria molecular, col.,,e en un estado activo cuando es expuesta a Ca2+ /calmodulína y permaneciendo actiJ, 1\0 después de que la concentración de Ca2 + haya bajado. Este hecho es debido a que la .1 ~e fosforila a sí misma (un proceso denominado autofosforiladón) y también fosfori' ·" pro temas celulares cuando es activada por Ca2+ 1calmodulina. En su estado autofos'''· la enzima permanece activa incluso en ausencia de Ca2• y prolonga así la duración de •dad de la quinasa después de que acabe la sena! inicial activadora de Ca2•. La actividad 111enehasta que las serinas/treoninas fosfatasa sobrepasan la actividad autofosforilativa Figura 15-44 Pasos de la activación de la

dominio ínhlbídor

~~W cooH

~~

-

+Ca2• Ca 2 '/calmodulina

~-

\,._

autofosforilación COMPLETAMENTE ACTIVO

CaM-qulnasa 11. La enzima es un gran complejo proteico de 12 subunidades, aunque para simplificar el esquema sólo se muestra una subunldad (en gris). En ausencia 2 de Ca •tcalmodulina, la enzima es inactiva como consecuencia de una interacción entre un dominio inhibidor y el dominio catalftico. La unión de Ca 2+-Jcalmodulina altera la conformación de la protelna, activándola parcialmente. Los dominios catalftlcos del complejo fosforilan los dominios inhibidor es de subunídades vecinas, asl como otras protefnas de la célula (no se muestran). La autofosforilación del complejo enzimático (por fosforllación mutua de sus subunidades) activa por completo la enzima. Este hecho también prolonga la actividad de la enzima de dos maneras. Primero, atrilpa el complejo Ca2+Jcalmodulina unido, de forma que no se disocia del complejo enzimátlco hasta que los niveles citosólicos de Ca 2"' vuelven a los valores basales, unos 1Osegundos después (no se muestra). Segundo, transforma la enzima a una forma Independiente de ea 2•, ya que la qulnasa se mantiene activa Incluso después de que el complejo Ca 2+/calmodulina se disocie de ella. La actividad continúil hasta que el proceso de autofosforilación es contrarrestado por la acción de una protelna fosfatasa que sobrepasa la actividad de autofosforilación de la CaM-quinasilll.

916

Capftulo 15: Mecanismos de comunicación celular

~-«¡(((((M

:ada 2 segundos

cada 20 segundos

t =

.¡!'/

t

=

A

~

"'e~

:;

"'e ·:;

~

rr .:1

~

.!!!

u .!!!

Ji

f.¡

CT

"' Ql

Ql

-o -e

"'

-o

-o -o -e ·;;

"'

·;

'B

"il

"'

"'

o

20

40

60

80 sec

(A) baja frecuencia de oscilaciones de ca 2+

o (Bl

20

40

60

80 sec

alta frecuencia de oscilaciones de Ca2 •

e inacúvan la quinasa (Figura 15-44). Asf, la activación de la CaM-quinasa 11 puede actuar como una memoria traza de un pulso de Ca2+ anterior y al parecer participa en algunos tipos de aprendizaje y memoria del sistema nervioso de los vertebrados. Ratones mutantes que carecen de la isoforma específica del cerebro tienen defectos específicos en su capacidad de recordar la localización de un objeto. es decir, de aprendizaje espacial. La segunda propiedad destacable de la CaM -quinasa U se produce a continuación de la primera: la en7..ima puede utilizar su dispositivo de memoria intrínseca para actuar como un decodificador de la frecuencia de las oscilaciones de Ca2 • . Parece que esta propiedad tiene especial relevancia en la sinapsis de las células nerviosas, donde cambios en los niveles intracelulares de Ca2• en una célula postsináprica como resultado de la actividad neuraJ producen cambios a largo pla1..o en la efectividad posterior de esta sinapsis (se describe en el Capftulo 11). Cuando la CaM-quinasa 11 es inmovili1..ada en una superficie sólida y expuesta a la vez a una protefna fosfmasa y a pulsos repetitivos de Ca2 •/calmodulina a diferentes frecuencias mimetizando las observadas en células estimuladas. la actividad de la em:ima se incrementa abruptamente en función de la frecuencia de los pulsos (Figura 15-45). Además, la frecuencia de la respuesta de esta enzima formada por multisubunidades depende de la composición exacta de subunidades, de modo que una célula pued e diseñar su respuesta a las oscilaciones de Ca2 ' según sus particulares necesidades ajustando la composición de la en7..ima CaM-quinasa 11 que sintetiza.

Algunas proteínas G regulan directamente canales iónicos Las pro ternas G no sólo actúan regulando la actividad de enzimas unidas a membrana que

alteran la concentración de AMP cfclico o de Ca2+ en el citosol. Por ejemplo, la subunidad o: de un tipo de protefna G (denominada G12), activa un factor intercambiador de nucleótidos de guanina (GEF) que activa una GTPasa monomérica de !a familia Rho (se trata más adelante en el capftulo 16), que regula el citocsqueleto de actina. En algunos otros casos, las protefnas G activan o inactivan directamente canales iónicos de la membrana plasmática de la célula diana, alterando así su permeabilidad iónica y. por lo tanro, la excitabilidad eléctrica de la membrana. Por ejemplo, la acetilcolina liberada por el nervio vago reduce tanto la frecuencia como la fuerza de la contracción de la fibra muscular del corazón (véase la Figura 15-9B). Este efecto está mediado por una clase especial de receptores de acetilcolina que activan la proteína G inhibidora G¡, ya tratados. Una vez activada, la subunidad a de G¡ inhibe la adenilato ciclasa (como hemos descrito), mientras que las subunldades ~y se unen a canales de K+ de la membrana plasmática de la libra muscular y Jos abren. La apertura de estos canales de K• hace más diffcilla despolarización de la célula y, por tanto. contribuye a l efecto inhibidor de la acetilcolina sobre el corazón. (Estos receptores, que pueden ser activados por el alcaloide de hongos, muscarina, se denominan receptores muscarl11icos de aceticolina para distinguirlos de otros receptores. muy diferentes a éstos, denominados receptores nicotfnicos de

Figura 15-45 la CaM-qulnasa 11 actúa como un descodificador de frecuencia de 1 oscilaciones de Ca2•. (A) A bajas frecuencid) de picos de Ca2+,1a enzima se inactiva después de cada pico de Ca 2+, dado que la autofosforilación inducida por la unión de Ca 2 •tcalmodulina no mantiene la actividad de la enzima durante el tiempo suficiente que ésta permanezca activa hasta la llegadd del pico siguiente de Ca 2•. (B) Sin embargo.l altas frecuencias de picos de Ca 2+, la enzlma no se Inactiva completamente entre los pie de Ca 2+, de manera que su actividad aume con cada pico. SI la frecuencia es lo bastante alta, este Incremento progresivo de la actividad enzimática continuará hasta que autofosforilen todas las subunidades de la enzima y, por tanto, estará activada al máximo. Aunque no se muestra, cuando se han autofosforilado un numero suficiente df, subunidades. la enzima puede mantener un estado muy activo aunque la frecuencia de picos de ea2 • sea relativamente baja (una forma de memoria celular). La unión de ea2 •tcalmodullna a la enzima se incrementa por la autofosforllaclón de lll CaM -quinaX~ 11 (una forma adicional de retroalimentación positiva), ayudando a qut' la respuesta de la enzima a picos repet1dc» de Ca2• exhiba un umbral abrupto, tal como se ha señalado anteriormente. (De P.l. Han T. Meyer, L Stryer y H. Schulman, Neuron 12:943-956, 1994. Con la autorización de Elsevier.)

A TRAVts DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A PROTEINAS G (GPCR)

modificados

J~ m•u ·ona olfat >1a

célula basal lámina basal axón

(B)

fina, que son receptores acoplados a canales iónicos de las cél ulas del músculo esen y de células nerviosas que pueden ser activados tanto por la unión de nicotina ,¡,. acetilcolina.)

917

Agura 15-46 Neuronas receptoras del olfato. (A) Una sección del epitelio olfativo de la narlz. Las neuronas olfativas tienen cilios modificados que se proyectan desde la superficie del epitelio y que contienen los receptores olfativos y la maquinaria para la transducción de la señal. Cuando la célula es activada por un aroma, el axón, que se extiende desde el extremo opuesto de la neurona receptora, conduce las seiiales eléctricas hasta el cerebro, produciendo un potencial de acción. Al menos en roedores, las células basales actúan como células madre, produciendo nuevas neuronas receptoras a lo largo de toda la vida, que sustituyen las neuronas que mueren. (B) Electromicrografla de los cilios en la superficie de una neurona olfativa obtenida con un microscopio electrónico de barrido. (8, de E.E. Morrlson y R.M. Costanzo, J. Comp. Nevrol. 297, 1-13, 1990 Con la autorización de Wiley-llss.)

·r.1~ proteínas G triméricas regulan la actividad de canales iónicos de una forma mercTta, regulando la fosforilación de canales (mediante, p. ej .. la PKA, la PKC o la 111nasa) o causando la producción o la destrucción de nucleótidos cfclicos que activan :han directamente canales iónicos. Estos canales i6nicos regulados por nucle6tidos c/d··,empeñan un papel crucial en los procesos de la visión y del olfato, como se expli111\tinuación.

lfato y la vista dependen de GPCR que regulan canales iónicos ulados por nucleótidos cíclicos rnanos podemos distinguir más de 10.000 aromas diferentes, que detectamos mellt'tuonas especializadas receptoras del olfato del epitelio de la nariz. Estas células utiI'C R especfficas denominadas receptores olCaUvos para reconocer los olores; estos •~s se localizan en la superficie de cilios modificados que sobresalen de cada célula 15-46). Los receptores actúan a través de AMP cfclico. Cuando son estimulados por 1 de un aroma, activan una proteína G específica del olfato (conocida como Go1rl que, activa la adenilato ciclasa. El incremento resultante de los niveles de AMP cfclico 11111/es caliónicos regulados por AMP clclico, lo cual permite que se produzca un flujo oda de Na+ que despolariza la neurona olfativa e inicia un impulso nervioso que viaja t•• del axón hasta el cerebro. • d ratón hay unos 1000 receptores olfativos diferentes y en humanos unos 350, cada 1.,~ cuales está codificado por un gen diferente y reconoce un conjunto determinado 11.1s diferentes. C1da neurona receptora de olores produce un solo tipo de receptor 11 153); por tanto, cada neurona sólo responde a un conjunto especifico de aromas en n del tipo determinado de receptor olfativo que expresa y cada aroma activa un grupo n~tico de neuronas receptoras de olores. Un mismo receptor también colabora diri1.1 elongación del axón de cada neurona olfativa en desarrollo hacia las neuronas 'pecíf1cas con las que conectará en el cerebro. Existe otro conjunto de GPCR que do· manera similar mediando la respuesta aferomonas, señales químicas detectadas en 1c diferente de la nariz, que son uWizadas en la comunicación entre miembros de 'flla especie. Los humanos, sin embargo, carecemos de receptores funcionales de fe-

\ 1~ión en Jos vertebrados tBnlbién utiliza un proceso de detección de la señal tanela' ~ ~>ensible. TBnlbién participan canales iónicos regulados por nucleótidos cíclicos, •• t•ste caso el nucleótido que tiene un papel crucial no es el AMP cfclico sino el t ldlco (Figura 15-47). Como el AMP cíclico, las concentraciones de GMP cfclico en el 1'\tán controladas por una rápida velocidad de sfutesis (por la gurmiú:Uo ele/asa) y una 1(,•gradación (por lafosfodiesterasa de GMP c(c/ico). 1 la transducción visual, que constituye el conjunto de respuestas mediadas por pro' más rápido que se conoce en vertebrados, la activación de los receptores está csti-

GUANINA

o

H,J,~:C> ~N

o

~ o

-o-l,- .o o

OH

AZÚCAR

FOSFATO

Figura 1S-47 El GMP dclico.

918

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular Figura 15--48 Un bastón fotorreceptor. En el segmento exterior del bastón existen unos 1000 discos. Las membranas de estos discos no están conectadas a la membrana plasmática. Los segmentos interior y exterior tienen zonas especializadas de un cilio primario (se describe en el Capitulo 16); como hemos mencionado antes, y analizaremos después, un cilio primario se extiende desde la superficie de algunas células de vertebrados, donde actúa como un orgánulo de señalización.

mulada por la luz y genera una disminución (en lugar de un incremento) de los niveles del nucleótido cfclico. El proceso se ha estudiado especialmente bien en el caso de la respuesta a la luz de los fotorrcccptores tipo bastón (bastones) de la retina de los vertebrados. Los bastones son responsables de la visión monocromática con luz tenue, mienrras que losfotorreceptores tipo cono (conos) son responsables de la visión cromática con luz brillante. Un bastón fotorreceptor es una célula altamente especializada con un segmento exterior y otro interior, un cuerpo celular y una región sinápúca a través de la cual el bastón pasa una señal química a una célula nerviosa de la retina (Figura 15-48). Esta célula nerviosa transmite la señal a otra célula nerviosa, que a su vez la transmite al cerebro (véase Figura 23-16). El aparato foto transductor se halla en el segmento exterior del bastón y está constituido por discos apilados, cada uno de los cuales está formado por una especie de saco de membrana en el que se haUan embebidas Las moléculas fotosensibles de rodopslna. La membrana plasmática que envuelve el segmento exterior contiene canales cariónicos reg11/ados por GMP cfclico. Estos canales se mantienen abiertos en la oscuridad mediante la unión de moléculas de GMP cíclico al canal. Paradójicamente, la luz provoca una hiperpolari7..ación de la membrana plasmática (que inhibe la señal sináptica), en lugar de una despolari7.ación (que estimularía la señalización sináptica). La hiperpolari?,ación (es decir, el potencial de membrana adquiere valores más negativos -descrito en el Capítulo 11) se produce porque la activación producida por la luz de las moléculas de rodopsina en la membrana de los discos disminuye la concentración de GMP cíclico y cierra los canales catiónicos especiales de la membrana plasmática circundante (Figura 15-49). La rodopsina es un miembro de la familia de GPCR. pero la señal activadora ex:tracelular no es una molécula sino un fotón de luz. Cada molécula de rodopsina contiene un cromóforo unido covalentemente, el 11-cis retina!, el cual se isomeriza de forma casi instantánea a todo-trans retinal cuando absorbe un solo rotón. La isomerización altera la

segmento exterior

segmento Interior

;~~~soma

r.t:;¡:.t(:~;;:¡~

·.:oh.·~rfl

17:!!1

¡ !!5 I

rodopsina

;~; :::: r Inactiva

rodopsina activada

·: 2 T canales abiertos 1.'1 :::: t de cationes

canales cerrados de cationes

¡·::::: T

segmento exterior (sensible

ce!

nudeo

r~gi6n_ smapttCI

... :::: T

a la luz)

·----·

..... ~ 1··-

1 .... ..

···~

"'m'"" [ interior región nuclear

célula hiperpolarizada

célula despolarizada

[ [

región sináptíca (señaliza hacia las neuronas de la ret ina)

baja velocidad de liberadón del transmisor

alta velocidad de liberación del t ransmisor

li'!.WIT!I"WJ

~t~ LUZ

Figura 15-49 La respuesta a la luz de un bastó n foto rreceptor. Los fotones son captados por las moléculas de rodopsina situadas en los discos del segmento ext Esto cierra los canales de cationes de la membrana plasmática, lo que hiperpolarill la membrana y reduce la velocidad de liberación del neurotransmisor desde la región slnáptica. Debido a que el neurotransmisor inhibe muchas de las neuronas postslnápticas de la retina, la iluminación bloquea dicha inhibición, es decir q ue, de hecho, las excita.

A TRAVÉS DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A PROTEfNAS G (GPCR)

G, Ga~t

a

G,

Cl

inh1be adenilato detasa

lh

activa canales de K•

~y

activa canales de K•: inactiva canales de Ca2 •

Go

a Y ~Y

activa adenilato dclasa en neuronas sensoriales del olfato

activa fosfolipasa C· Ji

G¡ (transducina)

a

Gq G121u

o.

activa fosfollpasa C·Ji

(l

activa GTPasas monoméricas de la familia Rho (vía Rho-GEF) regulando el Cltoesqueleto de actina

activa fosfodiesterasa de GMP dclico en bastones fotorreceptores de vertebrados

ia~ se determinan por la relación entre las secuencias de amn1oácidos de la• subunidades a. Únicamente !.e fncluyt'n ejemplos seleccionados. nos se han descrito unas 20 subunldades a y. al menos. 6 subunidades ~ y 11 subunidades y.

mación del retina!, induciendo un cambio de conformación en la protefna (opsina). ..........,•.,, la molécula de rodopsina activada altera la conformación de la prote(na G transtG1), provocando que su subunidad a active una fosfodJestcrasa de GMP cfcllco. En· t•.. ta fosfodies terasa hidroliza GMP dclico de forma que los niveles de GMP cfclico ltlsol disminuyen. Esta baJada en la concentración de GMP cfdico disminuye la can ti· de CiMP cíclico que está unido a los canales catiónicos de la membrana plasmática y que muchos de estos canales sensibles a GMP dclico se cierren. De esta forma, la se" rápidamente de la membrana de los discos a la membrana plasmática y la señal !use transforma en una sei'tal eléctrica a través de una hiperpolarización de la na plasmática de la célula bastón. ,.,., bastones ulihzan varios circuitos de retroalimentación que le permiten a las células r rápidamente la situación hasta su estado de reposo, típico de la oscuridad, tras un .h·luz-un requerimiento necesario para percibir la cona duración del flash. Una qui pccffica de rodopsina denominada rodopsina quinasa (RK: rlzodopsin kinase) fosfoiduos serina de la cola c•tosólica de la rodopsina activada, inhibiendo parcialmente la 1tlad de la rodopsina para activar la transducina. Entonces, una proteína inhibidora mada arrestina se une a la rodopsina fosforilada, inhibiendo aún más su actividad. c•n humanos como en ratones en los que el gen que codifica RK se encuentra inactiva'r mutación, la respuesta a la luz &e prolonga mucho tiempo y los bastones finalmente 1\lrnismo tiempo que la arrestina inactiva a la rodopsina. una protefna RGS (véase M' une a la transducina activada, esrimulándola a hidroiizar su GTP unido a GDP. con la transducina retorna a su estado inactivo. Además, los canales catiónicos que se cie·n respuesta a la luz ran1bién son permeables tanto al Ca2 ' corno al Na+ de forma que c;e cierran se inhibe la entrada normal de calcio provocando la disminución de la ........ ,ración de Ca2 ' del citosol. Esta disminución de Ca2 • estimula la guanilato ciclasa a r GMP dclico recuperando rápidamente los niveles de GMP dclico y haciendo que recobre rápido el estado en el que estaba antes de que la luz la activara. La activade la guanilato ciclasa por la disminución de los niveles de Ca2~ está mediada por una especffica sensible al Ca2 +. A diferencia de la calmodulina, esta protPína es inactiva ~e haJJa unida a C<t2+ y activa cuando está libre de Ca2 •. Asf pues, estimula la ciclasa los niveles de ea2• son bajos tras la respuesta a la luz. to~ mecanismos de retroalimentación negativa no sólo retornan con rapidez el fotorrcn -;u estado de reposo tras un flash transitorio de luz, sino que ayudan a que el bastón '''''''• disminuyendo la intensidad de la respuesta cuando el bastón está expuesLO de mntinua a la luz. Como hemos explicado, la adaptación pennite que la célula receptll'da actuar como un detector sensible a cambios en la intensidad del estímulo en un rango de niveles basales de estimulación. Por eso podemos ver un flash de cámara _.6fica en un dfa muy luminoso. [nla Tabla 15-3 se resumen las principales protefnas G triméricas tratadas en este ca.tgrupadas en las principales familias.

919

920

Capftulo 15: Mecanismos de comunicación celular

Los mediadores intracelulares y las cascadas enzimáticas amplifican las señales extracelulares A pesar de las diferencias en detalles moleculares, las diversas vías de señalización intracelular

iniciadas por GPCR comparten ciertas caracterfsticas y obedecen a principios generales similares. Dependen de complejas cascadas de transmisión de protefnas señalizadoras intracelulares y pequeños mensajeros intracelulares. A diferencia de lo que ocurre con sistemas de señalización más directos utilizados por los receptores intracelulares analizados anteriormente, estas cascadas de transmisión proporcionan numerosas oportunidades para amplificar las respuestas a señales extracelulares. Por ejemplo, en la cascada de la transducción visual una sola molécula de rodopsina activada cataliza la activación de cientos de moléculas de transducina a una velocidad de unas 1000 moléculas de transducina por segundo. Cada molécula de transducina activada activa una molécula de fosfodiesterasa de GMP dclico, cada una de las cuales hidroliza unas 4000 moléculas de GMP cíclico por segundo. Esta cascada catalftica dura aproximadamente un segundo, produciendo la hidrólisis de más de 105 moléculas de GMP dclico por cada cuanto de luz absorbida; a su vez, la disminución en la concentración de GMP cfclico cierra de forma transitoria centenares de canales caliónicos de la membrana plasmática (Figura 15-50). Como resultado, una célula bastón puede responder incluso a un solo fotón de luz de un modo muy reproducible tanto en tiempo como en magnitud. De forma similar, cuando una molécula sei'lal ex:tracelular se une a un receptor que indirectamente activa la adeniiato ciclasa vía protefna G~. cada protefna receptora puede activar muchas moléculas de protefna G5 , cada una de las cuales puede activar a una molécula de adenilato ciclasa. Cada ciclasa puede catalizar la conversión de un gran número de moléculas de .KfP a AMP cíclico. Un tipo de amplificación como ésta funciona en la vía de seftali7..ación de los fosfolfpidos de inosito!. De esta forma, una variación nano molar (lO -9 M1 de la concentración de una señal extraceluiar induce cambios en el r'dllgo mkromolar (10 6 MJ en las concentraciones de mensajeros intracelulares como el AMP dclico o el Ca2 •. Dado que estas moléculas actúan como efectores alostéricos que activan enzimas o canales iónicos especfficos, una sola molécula senal extracelular puede modificar varios miles de moléculas proteicas en la célula diana. Cualquier cascada de señales estimuladoras de este tipo requiere mecanismos de contrapeso que en cada una de las etapas restauren el sistema hasta su estado de reposo cuando cesa la estlmulación. Como se ha destacado, la respuesta a la estimulación sólo puede ser rápida si los mecanismos de in activación también son rápidos. Por consiguiente, las células presentan mecanismos eficaces para la rápida degradación (y resfntesisl de los nuclcóridos cíclicos y para el amortiguamiento y secuestro del Cal • citosólico, así como para la inacUvación de las enzimas y canales iónkos que responden a la seiial, una vez han sido activados. Todo ello no sólo es esencial para frenar la respuesta, sino que también es importante para definir el estado de reposo a partir del cual la célula responde. Como veremos a continuación, cada una de las proteínas de la cascada de transmisión de la señal constituye una diana de regulación independiente, incluyendo el receptor.

La desensibilización de los GPCR depende de la fosforiladón del receptor Cuando las células diana están expuestas a elevadas concentraciones de un ligando estimulador durante periodos prolongados de tiempo, pueden desensibilizarse o adaptarse de diferentes maneras. Un importante tipo de mecanismo de desensibilización depende de la alteración de la cantidad o de la condición de las propias moléculas receptoras. Para el caso de las GPCR, existen tres sistemas generales de desensibilización (véase Figura 15-29): (l) lnactivaci6n del receptor. los receptores resultan alterados de forma que ya no pueden interaccionar con las protefnas G. (2) Secuestro del receptor. los receptores son trasladados temporalmente al interior de la célula (son interna! izados) de rorma que no puedan tener acceso a su ligando. (3) Regulación por disminución (down-Tl?[Jl~lalion) de/número de receptores. los receptores son destruidos en los lisosomas después de su intemalización. En cada caso, la desensibilización de los GPCR depende de su fosforilación por la PKA, la PKC o algún miembro de la familia de las GPCR qumasa (GRK: G-protein-coupled receptor kinases), entre las que se encuentran la quinasa espedfica de rodopsina, RK, que participa en la desensibilización de los bastones fotorreceptores que se han descrito. Las GRK fosforilan múltiples residuos serina y treonina de los recepwres. pero sólo después de que el

t

una molécula de rodopslna absorbe un fotón

l se activan 500 moléculas de protelna G (transdudna) --~.-

se activan 500 moléculas de fosfodiesterasa de GMP ddico

se hidrolizan 1os moléculas de GMP del leo

se cierran 250 canales de cationes

I

se im1>ide que entren a la célula entre 106 ·107 iones Na' por segundo, durante un periodo de -1 segundo

1 la membrana de la célula bastón se hiperpolarlza 1 mV

' TRANSMISION DE LA SEN AL Al CEREBRO Figura 1 s-so Ampllfkacl6n de la cascada catalítica inducida por la luz. en bastones de vertebrados. Las flechas rojas indican etapas en las que se produce amplificación y su anchura indica la magnitud de esta amplificación.

A TRAVÉS DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A PROTEfNAS G (GPCR) receptor desensibíllzado

GPCR AatVADO ESTIMULA GRK A QUE FOSFORILE GPCR

p ¡111( p P

LA ARRESTINA SE UNE A GPCR FOSFORILADO

" ' - -EN VARIOS LUGARES~

arrestina GPCR

quinasa (GRK)

ltlo haya activado el receptor ya que es el receptor activado el que activa alostéricamen<iRK. Como con la rodopsina, cuando el receptor ha sido fosforilado por una GRK, se 'un gran afinidad a un miembro de la familia de las protefnas arrestlnas (del inglés r parar) (Hguru 15-51). 1<~ unión de la proteína arrestina cont:ribuye al proceso de desensíbilización, por lo menos 10, maneras. Primero, impide que el receptor activado interaccione con protefnas G. Seldo. actúa como una proteína adaptadora que colabora en el acoplamiento del receptor maquinaria de endocitosis dependiente de clatrina (se describe en el Capítulo 13), m•ndo la endocito~is del receptor. El destino de los complejos GPCR-arrestina internalll'i depende de otras proteínas del complejo. En algunos casos, el receptor es desfosfo" y reciclado hacia la membrana para su reutilización. En otros, es ubiquitinizado y dado en los Iisosomas (se trata más adelante). l.a cndocitosis del rccepror no necesariamente hace que el receptor deje de Lransmitir la En algunos casos, la arrestina unida recluta otras proteína senalizadoras que transmila ~eñal a través de nuevas vfas de señalización a partir de los GPCR internalizados.

Gl'f".R pueden, indirectameme a través de protefnas G, actill(lr o inacti11ar enzimas unidas a la t-.mJ,rana plrumática o canales iónicos. Cuando 1111 receptor actir'lldo estimula una protelna G, 1telna G sufre u11 cambio de confomwción que actitJO su subrmidad ay sus subunidtu/e:; {3y.las ahora pueden IT!gular de forma directa la acti11itlad de protelnas diana de la mt>mbmna plas Algunos GPCR aclit1tln o inactii'Gtlla adeni/ato ciclasa, alterando asf la concentracu111 in._.,.lular del mediador intracelular pequetio, el AMP clclico. Otros acti11an una fosfolipasa C 1-·ijica defosfolipidos de inositol (fa Pl.C{3J, la cual llidroliza elfosfatidilinosicol4,5-bisfosfato 'iJP:li generondo dos mediadore iruracelulart'S peqru>t1os Uno es el inositoll,4,5-rri1ifosfato (JPJ), Ir/lera Qi?• desde el ERe incrementa asf la concentración de Ca2• en el cicosol El otro I'S el dia...,iNrol, que permanect•en la membrana plasmática y cola/JOra en la actimción de la protefna quic (PKC). Un incll!memo de los nit'f!les de AMP cfclico o de Q¡2• afecta la célula estimulando todo la proteftw q11inasa A (PKAJ y las protelnas quinasa dependielltes dP C:OZ+tcalmodulina ·quinastiS), rr!Spectil'ameme. /.11 PKC.la PKA y lfiS CaM-qumasasfosforilan proteítws diana determinadns t>n rr!siduos sPrina ,IPPfmina, alterando la acti11idad de estas protelnas. Quin tipo celular tiene su propio conjumo calllrt..ri:;rico de protelnas diana que son reguladas de esta forma, lo cual permite a la célula presmtar n•spuesta propia y caracterlstica a los medio.doll!s imract>lulares pequet1os. Las cascadns de se~u-ión intracelular activadas porGPRS amplifican en gran medida laresptli'sta, dt> mant>ra que u uta molécula de ligando setial exrracelular unido a su receptor. se modifican miles de tnolécudt' protefnas diana lAS diferr!ntes rr!spuestas mediadas ¡JOr GPCR sot! rápidamente desactivadas cuando elligan''ial extracelular es elmunado. Asi,la subunitiad a de las prorelnas G es estimulada por su prodiana o por ww RGS que la a11toinacti11a IJidrolizando el GTP que llevan unido l1asta GDP; el desfosforilado mediame ww fosfata.sa de lípidos (o fosforilado por una quina.sa de lfpidos); los .._.k6tidos cfclicos son llidrolizados por fosfodiesterasas; el Qil• es bombeado llacia fuera del citolas protefnas fosforiladas son desfosforiladas por prorefnas fosfata.sa. Los propios GK1l son fosGRK,lo que llace que la amsrina se una a ellos. La. unión de la amsritw desacopla los ~tores de las proteínas Gy facilita su endocitosis, pmt«ando una desemibilizaci6n o la conliión de la se1ial a través de proteínas se1ial reclutadas por la arrestina.

921

Figura 1S-51 Papeles que desempeñan las quinasa.s de GPRC (GRK) y las arrestinas en la desensibilizadón de los GRPC. Una GRK únicamente fosforila receptores activados, ya que es el GPCR act1vado el que activa la GRK. La unión de una arrestina al receptor fosforilado impide que el receptor se una a su proteína G y también puede d1rlgir su endocitosls (no se muestra en la figura). La Importancia que tienen las arrestinas en el proceso de desenslbilización se ilustra con el ejemplo de ratones que son deficientes en una forma de arrestina, lo cual les impide desensibilizar sus receptores en respuesta a la morfina.

922

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

SEÑALIZACIÓN A TRAVES DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS Como los GPCR, los recepto res acoplados a enzimas son protemas transmembrana cuyo dominio de unión al ligando se halla en la superficie externa de la membrana plasmática. Sin embargo, en lugar de tener un dominio citosólico que se asocia a una protefna G trimérica, sus dominios citosólicos tienen una actividad enzimática intrfnseca o están asociados dírectamente a una en7Jma. Mientras que lo~ GPCR tienen siete segmentos transmembrana, cada subunidad de un receptor acoplado a enzima por lo general sólo tiene uno. A menudo los GPCH y los receptores acoplados a enzimas activan algunas de las mismas vfas de señali7.ación y habitualmente no existen razones obvias que expliquen por qué una señal extracelular determinada utíliza una u otra clase de estos receptores. Existen seis clases de receptores acoplados a enzimas: l.

Los receptores cirosbw quinasa, que fosforilan de forma directa detennmados residuos de tirosina de su propia estructura o de un pequel'lo grupo de proteínas seiializadoras intracelulares

2.

Los n>ceptores asociados a rirosinas qrlinasa, que no tienen actividad en1Jmática intrfnseca pero que directamente reclutan tirosinas quinasa citoplasmáticas para transmitir la señal.

3.

Los receptores serinalcreonina quinasa que realizan una fosforilación directa en serinas o treoninas de su propia cadena y de pro temas latentes reguladoras de la expresión de genes con las que están asociados.

4.

Los receptores asociados a lristidinas quinasa, que activan una vía de señalización de dos componentes en la cual la quinasa se autofosforila en un residuo histidina y de inmediato transfiere el fosfato a una segunda proteína señalizadora intracelular.

5.

Loe; receptores gua ni/ato ciclasa, que ca tal izan directamente la producción de GMP cíclico en el cüosol, el cual actúa como un mediador pequeño intracelular de forma muy semejante a como lo hace el AMP cfclico

6.

l.'IS tirosinas fosfatasa semeja mes a receptores, que eliminan grupos fosfato de residuos de tirosina de determinadas proteínas señalizad oras intracelulares (se denominan "semejantes a receptores" porque sus presuntos ligan dos aún no han sido identificados, por lo que e.u función receptora todavía no está comprobada).

La exposición se centrará en las primeras cuauo clases, empezando con los receptores tirosina quinasa, los más numerosos de los receptores acoplados a enzimas.

l os receptores tirosina quinasa (RTK) activados se autofosforilan Muchas protefnas señal extracelular que actúan a través de receptores tiros lna quinasa (RTK; receptor tyrosine kinase). Entre los notables ejemplos que se describen en otra parte en

este libro se incluyen el factor de Cf'f!Cimiento epidérmico (EGF: epidermal growtllfactor), el factor de crecimiento deri!l(ldo dl! plaquetas (PDCF: fJiatelet deriued growthfactor), losfacto· res de crecimiento de fibroblastos (fiGP. fibroblast growth factors), el factor decrecimiento de llepatocitos (1/GF: lrepatocyte growtlr faccor), la insulina, el factor de crecimiellfo·1 semejante a insulina (IGFJ: insulinlike growtl1 factor· l ), el factor de crecimiento l'ascular endotelial (VEGF: uascular endotlre/ial growt/1 factor), el factor estimulador de la fomración dl! colonias de macrófagos (MCSF: macropllage-rolony-stimulacingfactor). y las neurotrofinas, incluyendo el factor de crecimiento nervioso (NGF: Mrve growth factor). Muchas proteínas senali7.adoras unidas a la superficie extracelular también actúan a través de RTK. Las efrinas son la clase más numerosa de estos ligandos unidos a membrana, de las que se han descrito ocho en humanos. De entre su s muchas funciones, colaboran en la migración de células y axones a lo largo de vías especrticas durante el desarrollo animal estimulando respuestas que acaban en atracciones o repulsiones (se describe más adelante, en el Capftulo 22). Los receptores de efrinas, denominados receptores Eph (eplrrins) también se encuentran entre los RTK más numerosos, con trece genes que los codifican en humanos. Las efrinas y los receptores Eph son eXtraordinarios, dado que pueden actuar s imultáneamente como ligando y como receptor: algunas efrinas, cuando se unen al receptor Eph no sólo activan este receptor sino que también se activan a sr mismas transmitiendo señales al interior de la célula que expresa la efrina; de este modo se altera el comportamiento de am-

..

ALIZACIÓN A TRAVtS DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS

lo

tn lnll\

SS 1

dominio semejante a fibronectína·tlpo 111

I SS

SS

CITOSOL

,¡o

membrana plasmática

,., receptor receptor receptor 1 receptor de EGF de insulina, de NGF de FGF receptor receptor receptor de IGF1 de PDGF, de VEGF receptor de MCSF

Figura 15- 52 Algunas sub familias de RTK. Solamente se indican uno o dos miembros de cada subfamilia. Nótese que en algunas subfamilias el dominio tirosina qulnasa se halla interrumpido por una "reglón Insertada en la qulnasa~ No se conoce el significado funcional de los dominios ricos en residuos cisteína, ni de los dominios semejantes a inmunoglobulinas, ni de los dominios semejantes a la fibronectína de tipo 111. Algunos de los ligandos para estos receptores se describen en la Tabla 15-4, as( como algunas de las respuestas representativas que medían.

receptor Eph

lc·hllas. Esta setialiuu:ión bidireccional entre efrinas y receptores Eph es necesaria, por plo, para evitar que detenninados grupos próximos de células se mezclen entre cUas el desarrollo.

•tt·

1: ~isten alrededor de 60 genes que codifican RTK en humanos. Estos receptores se puel.tsificar en más de 16 subfamilias estructurales, cada una de las cuales está relaciona"' su familia complementaria de proteínas ligando. En la Figura 15-52 se muestran de estas familias que actúan en mamíferos y en la Tabla 15-4se relacionan algunos ligandos y funciones. En todos los casos, la unión de la proteína señal al dominio de n del ligando en el exterior de la célula permite que el dominio tirosina quinasa intra•r fosforile determinadas cadenas laterales de Lirosina, tanto de la propia proteína re•r.J como de otras proteínas de señali?..ación intracelular, las cuales a continuación se .1las tirosinas fosforiladas de los receptores. 1>e qué forma la unión de un ligando extracelular activa el dominio quinasa que se halla do al otro lado de la membrana plasmática? En los GPCR parece que la unión del liganrubia la orientación relativa de varias hélices a transmembrana, modificando asf lapo' relativa de los bucles citosólicos entre sr. Sin embargo, resulta diffcil de imaginar que unbio de conformación pueda propagarse a través de la bicapa lipfdica mediante una

1S-4 Algunas proteínas señalizadoras que actúan mediante receptores t iro sina quinasa (RTK)

ALGUNAS RESPUESTAS AEPRESENTAnvAS estimula la supervivencia, crecimiento y proliferación o diferenciación de varios tipos celulares; actúa como seilal Inductora en el desarrollo receptor de msulina receptor de IGFl

de crecimiento nervioso (NGF)

TrkA receptores de PDGF (u y (3) receptor de MCSF

~de crecimiento de fibroblastos a FGF24) de crecimiento vascular .tlldotelial (VEGF)

receptores de FGF (FGFRl , FGFR4, y varias isoformas de cada uno de ellos) receptor de VEGF receptores Eph (tipos A y B)

923

estimula la utilización de carbohidratos y la sfntesis prote1ca estimulan el crecimiento y la supervivencia en varios tipos celulares estimula la supervivencia y el crecimiento de algunas neuronas estimula la supervivencia, crecimiento, proliferación y migración de varios tipos celulares estimula la proliferación y diferenciación de monocitos/macrófagos estimulan la proliferación de varios tipos celulares; inhibe la diferenciación de algunas células precursoras; actúan como señal inductora en el desarrollo estimula la angiogénesis estimulan la angiogénesls; gulan la migración de células y axones

924

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular molécula sei'lal

molécula sei'lal

_L CITOSOL

dominio tirosína quinasa RTK inactivos

quinasa normal

ausencia de activación quínasa

actividad quínasa estimulada por fosforllaclón cruzada

(A) ACTIVACIÓN NORMAL DEL RTK

qUtnasa mutado

(B)

INHIBICIÓN DOMINANTE NEGATIVA POR UN RTK M UTADO

única hélice o: transmembrana. En lugar de eUo, en muchas RTK la unión del Ligando hace que las cadenas de los receptores dimericen, juntando entre sí los dominios quinasa de dos receptores (un ejemplo de proximidnd inducida, de la que ya hemos tratado) de forma que se fosforilan de forma cruzada sobre varias tirosinas, un proceso denominado tran.sawofosforilaci6n (Figura l 5-53A). Dado que es necesaria la dimerización del receptor, resulta relativamente sencillo inacrivar w1a RTK determinada en un intento de valorar su importancia en una respuesta celular particular. Con este propósito, las células son rransfectadas con un DNA que codifica una forma mutan te del receptor tirosina quinasa, que dimeriza normalmente pero que tiene un dominio quinasa inactivo. Cuando se coexpresa a un nivel elevado con receptores normales. los receptores mutan tes actúan de manera dominante negativa, inhabilitando los receptores normales al formar dimeros inactivos con ellos (Figura 15-538).

Determinadas tirosinas fosforiladas de RTK actúan como lugares de unión de proternas señal intracelulares La transfosforilación de dominios citosólicos de los RTK contribuye de dos maneras a la activación del receptor. Primero, la fosforilación de residuos tirosina en el dominio quinasa incrementa la actividad quinasa de la enzima. Segundo, la fosforílación de residuos úrosina fuera del dominio quin asa genera lugares de unión de alta afinidad para determinadas proteínas señalizado ras intracelulares. Cada una de estas proteínas señalizado ras se une de forma específica a determinados lugares fosforilados de los receptores activados, ya que tienen dominios de unión espedficos a fosfoúrosinas que reconocen además determinadas características del entorno de la cadena polipeptfdica. Cuando se han unido al RTK activado, cada proteína señalizadora puede resultar fosforiladas en úrosinas y así activarse. Sin embargo, en muchos casos la sola unión puede ser suficiente para activar la proteína señalizadora unida induciendo cambios de conformación en la proteína o acercándola a la siguiente protefna de la vía de señalización. As(, la transautofosforilación actúa como un interruptor que desencadena el ensamblaje transitorio de un complejo señallzador intracelular, el cual puede transmitir la señal a través de varias rutas hacia varios destinos de la célula (Figura 15-54). Dado que diferentes RTKse unen a distintas combinaciones de estas proteínas señalizado ras, activan diversas respuestas. Los receptores de insulina y de IGFl actúan de una forma ligeramente diferente. Son tetrámeros (véase la Figura 15-52) y se cree que la unión del ligando induce una reordenación de las cadenas transmembrana de los receptores, desplazando los dos dominios quinasa que quedan muy juntos. Además, la mayoría de los lugares de unión a fosfoúrosinas generados por la unión del ligando no se localizan en el propio receptor sino en una proteína de unión especializada denominada sustrato-1 del receptor de insulina (ffiSl: insulin receptor substrate-1). El receptor activado primero transautofosforila sus dominios quinasa, los cuales entonces fosforilan ffiSl en varios residuos tirosina, con lo que se generan muchos más lugares de unión que los que podrían darse en el receptor (véase Figura 15-22). Algunas otras RTK utilizan proteínas de unión de una forma similar para aumentar el tan1año del complejo de señalización.

Figura 15-53 Activación e inactlvaclón de RTK por dlmerlzaclón. (A) Los receptores normales dimerlzan en respuesta a la unión del ligando. Los dos dominios qulnasa se fosforllan de forma cruzada, uno a otro, Incrementando su actividad y activando asl aún más el dímero de receptores al fosforilar otros sltlos del dlmero. (B) El receptor mutado puede dlmerlzar normalmente pero tiene el dominio qulnasa lnactivado, por lo que no puede fosforilar de forma cruzada el receptO! normal que forma parte del dimero. Por este motivo, si el receptor mutado está presente en exceso bloqueará la señalización por los receptores normales; este proceso se denomina regulación domfnanre negativa. En blologla celular se utiliza con frecuencia esta estrategia para mhlbir un determinado tipo de RTK de una célula y poder asf determinar su función normal. Se puede utilizar una aproximación similar a ésta para Inhibir la función de otros tipos de receptores y de protelnas señallzadoras intracelulares que actúen como dlmeros o como grandes olíg6meros.

A TRAV~S DE RECEPTORES DE SUPERFICIECELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS

ESPACIO EXTRACELULAR

PROTEINAS SEÑALIZADORAS TRANSMITEN LA SEÑAL CORRIENTE ABAJO

residuos tirosina f osforilados act úan como lugares de unión proteínas con dominios SH2 •lt·rción completa de proteínas ser1alizadoras intracelulares pueden unirse a las fosfode R'Jl( (o de proteínas de unión especiales. como IRS 1) contribuyendo a traru;rnitir hacia adelante sobre todo a través de cadenas de interacciones proteú1a-proteína por de illleracci6n modular. corno hemos d!!!>crito. Algunas de l!!>tas proteínas de unión 111nas, corno la fos folipasa C--y(PLC-y: phospllolipase C-}1, que actúa de la misma for'" fosfolipasa C-1} y activa la via de <¡cr'talil..ación de los fosfolípidos de inositol, de la mus tratado anteriormente en relación con los GPCR (véase Figuras 15-38 y 15-39). A dt· esta vfa, los RTK pueden aumentar los niveles citosólicos de Ca2 ' y aclivar la PKC. mima que se une a estos receptores es la tirosina quinasa citoplasrnática Src, que foslirosinas de otras proteínas señali1..adoras. Otra enzima es lafosfa tidil inositol3 ·-qui1'1 J-quinnsa) qut~ no fosforita pro temas sino lfpidos; corno se tratará posterionnente, itlm. fosforilados actúan corno lugares de unión atrayendo a diferentes proteínas senas hacia la membrana plasmática. ''~ pro teínas señalizado ras intracelulares que se unen a residuos de fosfotirosina tanto t: romo de proteínas de unión unidas a ellos tienen estructuras y funciones muy va'-rn em bargo, por lo general comparten dominios de unión a fosfotirosinas altament•rvad os. Estos dominios pueden ser dominios SH2 (Src llomology region; región .lllll(tlo.l(a a Src) o. con menos frecuencia, dominios Pl'B (p llosphotyrosine-binding; unión a Tal como se liCt1aló, estos pequer1os dominios de interacción permiten a las q ue los presentan unirse a RTK activado~ asf corno a otras proteínas scñali1.adoras ulares que hayan sido fosforiladas de forma transitoria en residuos tirosina (Figura ( :orno ya se indicó, mucha!> proteínas ser1alizadoras también tienen otro!. dominios racción que les permiten interaccionar específicamente con otras proteína., como tld proceso de sellalización. Entre estos dominios se encuentra el dominio Sl 13, que lotivos ricos en residuos prolina de proteínas imracelulares (véase la Figura 15-22). aproximadamente 115 dominios SI 12 y unos 295 dominios SI 13 codificados en el gehumano. •wdas las proteínas que se unen a RTJ... activados a través de dominios SI 12 particip<m U;msmisión de la seri al. Alguna!> de ellas actúan disminuyendo el proceso de sellali7.aproporcionan una retroalimentación negativa. Un ejemplo dc ellas es la protefna (JUC p uede unirse a ciertos receptores activados y catali1.ar su ubiquitini7..ación,la adio,·alente de una molécula de ubiquitina a uno o varios lugares del receptor (denomimonoubiquirinización para distinguirla de la poliubiquitilliZflción en la que se ar'iaden Otl·ína una o más largas cadenas de ubiquitina). La monoubiquirinización estimula la hzación y la degradación de los receptores en los lisosomas - un ejemplo de regula1M u disminución (down-regulation) del receptor (véase Figura 15-29). Algunas protefltlocíticas que tienen motivos de interacción con uiJiquirinas (UIM: ubiquitinllo/1 morifs) reconocen los RfK monoubiquitiniz.ados y lo!. dirigen a vesículas recu de clatrina y finalmente a lisosomas (se describe en el Capítulo 13). Las mutaciones ,u tivan la re(::ulación hacia abajo de RTK dependiente de c-Cbl generan seí'lali7.aciones rulongadas, por lo que promueven el desarrollo de cáncer. orno en el caso de las GPCR, la endocitosis inducida por ligando de los RTK no siempre nuye la señalización. Fn algunos casos, los RTK son endocitados con sus proteínas \.alización un idas, con lo cual continúan la señalización desde los endoso mas o desde

925

Figura t 5- 54 Andaje de protelnas señallzadoras intracelulares a fosfotlrosinas en un RTK activado. El receptor activado y las protefnas señalizadoras unidas a él forman un complejo de señalización, que puede difundir señales a varias vlas de señalización.

926

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular receptor dePOGF membrana CITOSOL

proteina acttvadora de GTPasa (GAP) fosfolipasa C·y (PLCy)

~

dominios SH2

dominio SH3

(A)

dominio de unión para fosfotirosina

.

dominio de unión para la cadena lateral de un amlnoAcido

-l

~

(C)

1

NH 2

COOH

otros compartimientos intracelulares. Este mecanismo, por ejemplo, permite al factor de crecimiemo nervioso (NGF: nRn-egrowth factor) unirse a su RTK espedfico (IJamadoTrlv\) al final de un largo axón de la célula nerviosa y señalizar el cuerpo celular de la misma célula, situado a una gran distancia del final del axón. En este caso, las vesfculas endodticas de señalización, que contienen TtkA con NGF unido en la parte interior de la vesícula y proteínas sei1alizadoras unidas a la cara citosólica, son transportadas a lo largo del ax.ón hasta el soma celular. donde senalizan la célula para que sobreviva. Algunas proteínas señalizadoras están formadas casi completamente por dominios SH2. y SH3, y actúan como adaptadoras acoplando protefnas fosforiladas en tirosina con otras protefnas que no tienen sw. propios dominios SI 12 (véase Figum 15-22). Las proteínas adaptadoras de este tipo ayudan a acoplar los RTK activados a una importante proteína señalizadora, la protefna Ras, una GTPasa monomérica que, a su vez., puede activar varias vfas señalizado ras corriente abajo. tal como se describe a continuación.

Ras forma parte de una gran superfamilia de GTPasas monoméricas La superfamilla Ras está formada por varias familias de GTPasas monoméricas pero únicamenre las familias Ras y Rho transmiten señales a partir de receptores de superficie celular

(Tabla 15-5). lnteracmando con diferentes proteínas señalizadoras intracelulares, un solo miembro de la familia Ras o de la familia Rho puede difundir de forma coordinada la señal a lo largo de varias vías de señalización y actuar como un centro de sei1alizaci6n. En humanos hay tres protefnas Ras principales, íntimamente relacionadas entre sf (H-Ras, K-Ras y N-Ras -véase tabla 15-5). A pesar de que tienen funciones sutilmente diferentes, parece que actúan de la misma forma, por lo que nos referiremos a todas ellas como Ras. Como muchas GTPasas monoméricas, Ras tiene uno o varios grupos lipídicos unidos covalentemente que ayudan a anclar la proteína a la cara citoplasmática de la membrana,

Figura 15-SS Unión a un receptor activado de PDGF de p rotEfnasseñalizadoras intracelulares que contienen SH2. (A) Esquema de un recept or de PDGF mostrandodnco luga res de unión de fosfotirosmas, tres en la región insertada en la quin asa y dos en el extremo carboxilo terminal; a estos iugaresseunen las tres protelnas señal que se indican a su Izquierda Los números de la derecha indican las poslaones delastlroslnas en la cadena polipeptldica.Estos lugares de unión han sido identificados ut1lirando la tecnología ckl DNA recombinante para mutar determina residuos tirosina de l receptor: por ejemplo, mutaciÓn de las uresi nas 1009 y 1021 implck la unión y la activación de PLC-y, de forma que la acttvaclóndel receptor no estimula el proceso de se ilallzación de fosfolipidos de inositol Se ind lea la localización de los dominios SH1 (en rojo) y SH3 (en azul) en las tres proteinas senai !Zadoras. (Existen otros lugares de uni6n de fosfotirosinas al receptor, que no se 1nd can en el esquema lnduyendolosqueunen la tiroslna qu1nasa oto plasmáticél Src y dos proteína\ adaptadoras.) \le> se sabe cuántas proteinassenalizadoras se pueden unir de forma siiT'1Uitánea a una sola RTK. (8) Estructura trd'rnen>1onal de un domin SH2, determ,rod a mediante cristalografía rayos X. EnClfTCll'illoé!la de recha, se muestrA el sitio de un1on para la fosfotiroslna y en amaftllo a lai2QI.Ierdase muestra un sitio unión especflco a tJna cadena lateral de un amlne>acldo(enestecaso. isoleucina) (véa también la Fl~ura ~39). (C} El dominio SHl es un rnódulo"erd\uie' compacto que p ser lnsertade> ~n e<~S i cualquier sitio de una protei na sin alte l'ill! ni el plegamiento nlla función de dkl1apro1elna (explicado en el Caprtulc3).Dei>Jde> a que cada dominio t dlferentes 1u(]a'es d~ un Ión que reconocen fosfoticoslnas~detErrn,nadas cadenas lateralesdearw-inoá<idos.los diferentes dominiCJs 5~2 recoi1CCen fosfotirosinas en el contextodedferen1es secuencias de amlnoácidosfu~c¡llBlntes.(B. basado en datos de G.VI~m 1n Et al., Ce// 72:779-790. 1991. Con la a u11>rlJ.aC Ión de Elsevier.)

IlACIÓN A TRAVES DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS

927

5 la familia Ras de GTPasas monomé ricas AlGUNOS MIEMBROS DE LA FAMILIA H-Ras, K-Ras, N-Ras Rheb Repl Rho, Rae, Cdc42 ARF1 -ARF6 Rabl-60 Ran

ALGUNAS FUNCIONES transmite señales desde los RTK activa mTOR que estimula el crecimiento celular activado por GEF dependiente de AMP-clcfico; influye en la adhesión celular mediante la activación de integrinas transmite señales desde los receptores de membrana al citoesqueleto y a otros lugares regula el ensamblaje de proteínas de recubrimiento en vesfculas Intracelulares regula el tráfico intracelular de veslculas regula el ensambla¡e del huso mrtótico y el transporte nuclear de RNA y protefnas

Rho se trata en el Capitulo 16, las proteínas ARF y Rab en el Capitulo 13, y la protefna Ran en los Caprtulos 12 y 17 En la Figura 3-72 se muestra la ra trirllmensronal de Ras.

tnúa la proteú1a, que sobre todo es en la membrana plasmática desde donde libera .1 mras partes de la célula. Por ejemplo, Ras es requerida a menudo cuando IITK se'' núcleo para estimular la proliferación o la diferenciación, procesos que requieren '"en la expres ión de genes. Si se inhibe la función de Has med ian te la microinyección •·uerpos neutrallzantes ami-Ras o formas mutan tes dominantes negativas de Ras, las tas de proliferación o de diferenciación que por lo general inducen RTK activados, no lucen. Por el contrario, el30% de los tumores humanos tienen formas mutan tes ti vas de Ras, que contribuyen en gran medida a la proliferación descontrolada de las • ancerosas. •ti que otras protefnas de unión a GTP, Ras actúa como un interruptor molecular, al;tu entre dos estados conformacionalcs diferentes: activo cuando une GTP e inactivo • une GDP (véase la Figura 15-lBR). • .1 Tal como hemos descrito para el caso r. !Pasas monoméricas en general, dos clases de prorefnas señalizadoras regulan la •d de Ras influenciando su transición entre el estado activo y el inactivo (véase 1 ,.._19). Los factores intercambiadores de nuc/eócidos de guanina de Ras {Ras-GEP: mine mtcleotide exclumge [acrors), estimulan la disociación de GDP y la posterior •ín de GTP del citosol, activando as f á Ras. Las proreínas actiuarloras de GTPasas de "'" GAP: Ras GTPase-acril'llting proreitiS) incrementan la velocidad de hidrólisis catapnr Ras del GTP que tienen unido, de fonna que inactivan Ras. Las formas mutan tes 111vas de Has son resistentes a la estimulación de la actividad GTPasa mediada por ( modo que quedan fijadas de forma permanente en su estado activo unido a GTP, l)IW estimulan el desarrollo de cáncer. n ••mbargo, ¿de qué manera los RTK activan normalmente Ras? En principio pueden una Ras-GEf. o inhibir una Ras-GAP. Almque algunas GAP se unen de fonna directa (a ll•· sus dominios Sll2) a RTK activados (véase Figura l5-55A), por lo general sólo las 11nen indirectamente a ellos; es el acoplamiemo indirecto del receptor Ras-GEF lo •rduce a la protefna Ras a su estado activo. De hecho, la pérdida de función de una 1 tiene un efecto similar al de la pérdida de función de esta Ras. la activación de otra milia Ras, incluyendo los componentes de la familia Rho, también se prod uce a tral,t activación de GEE El GEF particular detem1ina en qué membrana se ha activado la • \,actuando sobre un armazón, que proteínas corrien te abajo activa la GTPac;a. proteínas Ras y las protefnas que las regulan han sido muy conservadas d urante la •in. Estudios genéticos realizados en Drosophila y en C. elegatiS proporcionan las pripio,Las sobre cómo los RTK activan a Has. Estudios genéticos del desarrollo de las célurrcceptoras en el ojo de Drosophila han resultado en particular infom1ativos. 1

RTK activan Ras a través de adaptadores y GEF: ncias a partir del desarrollo del ojo de Drosophi/a • ompuesto de Drosopfzila está formado por unas 800 unidades idénticas llamadas lto>, cada uno compuesto por 8 células fotorreceptoras (Rl-R8) y 12 células accesorias • 15-56). El ojo se desarrolla a partir de una sola lámina epitelial y las células que for, Ja omatidio son reclutadas de la lámina epitelial siguiendo una secuencia fija meNies de interacciones célula-célula. Empezando con el desarrollo del fotorrecep tor

200¡.tm

Figura 15- 56 Electromicrografla de un ojo compuesto de Drosophila. El ojo está compuesto de unas 800 unidades Idénticas (omatidios) cada uno de los cuales tiene un cristalino que enfoca la luz sobre ocho células fotorreceptoras en su base. (Cortesla de Kevln Moses.)

928

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

R8

RB cada célula en diferenciación induce a sus vecinas inmediatas no comprometidas a adoptar un destino especffico y ensamblarse en el omatidio en desarrollo (Figuro 15-57). El desarrollo del fotorreceptor R7, necesario para la detección de la luz ultravioleta, se ha estudiado más a fondo, empe7..ando con la descripción de una mosca mutante llamada Sevenless (de "sin el siete") (Sev) , en la que el único defecto observado es una deficiencia de R7. Estos mutantes son fáciles de detectar sobre la base de su ceguera a la luz ultravioleta. Se observó que el gen Sev normal codifica una RTK que se expresa en las células precursoras de R7. Análisis genéticos posteriores de mutantcs en los que el desarrollo de R7 es bloqueado pero no se afecta la protcfna Sev, condujeron a la identificación del gen Bride-ofsevenless (de "novia de sevenless") (Boss) que codifica el Ligando para RTK Sev. Boss es una pro terna de siete pasos transmembrana que sólo se expresa en la superficie de la célula RBadyacente y que cuando se une, y activa, a Sev, induce la célula precursora de R7 a que se diferencie a fotorreceptor R7. La proteína Sev también se expresa en otras varias células precursoras del omatidio en desarrollo, pero nmgunade ellas entra en contacto con R, por lo que la protefna Sev no se activa y estas células no se diferencian a fotorreceptores R7. Los componentes de las vias de settalizaclón intracelular activadas por Sev en las células precursoras de R7 han sido más difíciles de identificar que el recepto r o el ligando, ya que las mutaciones que los inactivan son letales. El problema se solucionó desarrollando un estudio genético de moscas que presentaban una pro terna Sev parcialmente inactiva. Uno de los genes identificados codifica una protefna Ras. l..'ts moscas en las que se inacuvan por mutación ambas copias del gen Ras, mueren, mientras que las moscas en las que sólo se inactiva uno de ambos genes, sobrevive. Pero cuando una mosca tiene una proteína Sev parcialmente inacriva en sus ojos en desarrollo, una mutación inactivante en una copia del gen Ras provoca la pérdida de R7. Aún más, si uno de los genes Ras se sobreactiva mediante mutación, R7 se desarrolla incluso en los mutan tes en los que tamo Se11 como Boss son inactivos. Estos hechos indican que Ras actúa corriente abajo de Sev y que su activación en las células precursoras de R7 es necesaria y suficiente para inducir la diferenciación de R7. Un segu ndo gen identificado en este estudio genético se denominó Son-of-set~enless (de "hijo de sevenless") (Sos). Codifica una GEl--Ras necesaria para que Sev RTK active a Ras. Un tercer gen (llamado Drk) codifica una protefna adaptadora que acopla el receptor Sev a la proteína Sos; el dominio Sll2 de la protefna adaptadora Drk se une, activando a Sev, mientras que sus dos dominios Sl l3 se unen a Sos (figura 15-58). Este tipo de estudio genético, en los que se utilizan organismos con algún componente parcialmente incapacitado para identificar genes que codifican otras proteú1as de la via, se ha utilizado con éxito en muchos ámbitos. Estudios bioquímicos y de biologfa celular han mostrado que este acoplamiento de RTK a Ras se produce por un mecanismo similar en las células de mamífero, en las que la proteína

proteina Ras inactiva

proteina Ras activa

SEf:.IAUZACIÓN

CORRIENTE ABAJO proteina adaptadora (Drk)

Figura 1S- 57 Ensamblaje de las células de un fotorreceptor en un omatidlo de Drosophilo en desarrollo. Las células son reclutadas de forma secuencial para transformarse en fotorreceptoras, empezando con R8 y acabando con R7, que es la últ1ma célula fotorreceptora en desarrollarse.

Figura 1S- 58 De qué forma Sev RTK acliv Ras en el ojo de la mosca. La activación Sev sobre la superficie de la célula precur de R7 por la proteina Boss de la superfiCit R8 activa Ras-GEF Sos a través de la prot adaptadora Drk. Drk reconoce de forma especifica una tlroslna fosforilada de la proteína Sev mediante un dominio SH2 Interactúa con Sos mediante dos dommiOl SH3. Sos estimula la proteína Ras 1nact1Vtl reemplazando el GDP que ésta lleva um por GTP. lo cual activa a Ras a transmitir la senal corriente abajo, induciendo a lacé! precursora de R7 a diferenciarse a una e fotorreceptora sensible a UV.

A TRAVtS DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS

(A)

476 nm

476nm

929

(B)

-s'E ; 1.1

:::1..

0,1

J \

:!!-.,.

~~

~ ~ 0,05

e .2::a

....._ •

Gl

E t; ·:> ~

1adición de EGF

e:

617 nm colorante fluorescente rojo

~nuora se denomina Grb2

y la GEF-Ras también se denomina Sos (ver Figura 15-22). Es

~nte que cuando Sos de mamífero activa a Ras, Ras actúa hacia atrás simulando de '~1s,

fom1ando un circuito de retroalimentación positivo sencillo.

[)" IUK no son los únicos que conducen a la activación de Ras. Por ejemplo, el Ca2+ y el

kcrol activan GEF-Ras que se halla principalmente en el cerebro; c!.ta GEF-Ras pue'Jllar GPCR a la activación de Ras con independencia de Sos. lil vez activada, Ras activa otras varías protelnas señalizadoras que transmiten la señal abajo, como se describe a continuación.

• ctiva una molécula señalizadora MAP-quinasa la' fosforilaciones en tirosina como la activación de Ras estimuladas por RTK activalt-n tener una vida muy corta (Figura 15-59). Las protefnas fosfatasa especfjkas de revierten rápidamente las fosfori laciones y las GAP inducen que Ras activada se 11 sf misma hidrolizando el GTP que tiene unido hasta GDP. Para estimular las céluuliferar o a diferenciarse, estos conos eventos se.í'íal deben convertirse en eventos más ~ro' que puedan mantener la señal y transmitirla corriente abajo hacia el núcleo para la expresión génica. Uno de los mecanismos U[ilizados en este sentido es un si~te­ protelnas denominado módulo protefnn quintlSa actil'ada por mitógeno (módulo .o(pllnasa) (Pigura 15--60). En su conjunto, los tres componentes de este sistema forman de señalización funcional que ha sido muy conservado, desde las levaduras hasu manos y que actúa, con algunas variaciones, en muchos contextos de señalización tres componentes son protefnas quinasa. La quinasa fmal de la serie se denomina MAP quinasa (MAPK, de kinase). La anterior a ésta es la MAP-quinasa-quinafosforila, activándola, a la MAP-quinasa. La anterior a é!.la, que recibe la serial _ . ...,ril directan1ente de Ras, es la MAP-quinasa-quinasa-quinasa (MAPKKJ\.1: fosfori la, ~lula, a la MAPKK. En la vf'a de señalización de las MAP-qulnasas RAS de los mamf'"' tres quinasas se denominan mediante nombres más conos: Raf (=MAPKKK), Mal< y Erk (=MAPK). vez activada, la MAP transmite la sena! corriente abajo fosforilando varias protef. . .uH¡¡rcs, incluyendo otras protefnas quinasa y protefnas reguladoras de la expresión gé~.,e la Figura 15-60). Por ejemplo, Erk MAP-quinasa entra en el núcleo donde uno o más componentes de un complejo regulador de la expresión génica. Ello acunscripción de un conjunto de genes tempranos inmediatos, denominados asf poruet ivan pocos minutos después de que un RTK reciba una señal extracelular, incluso la síntesis proteica esté bloqueada experimentalmente con fármacos. Algunos de ru•., codifican otras protelnas reguladoras de la expresión génica que activrul a otros un proceso que requiere sin tesis proteica y más tiempo. (Esta relación entre los genes -.l.tn'> y los genes más tardfos es similar a la relación existente entre las respuestas pri\t'(·undaria de la expresión génica producida por los receptores nucleares, que se ha previan1eme -véase Figura 15-15.) t•,te modo, la vfa de sei'lalización Ras-MAP-quinasa transmite señales desde la sun·lular hasta el núcleo, donde modula el patrón de expresión génica. Entre los genes por d icha vfa se encuentran algunos que estimulan la proliferación celular, como -.mlplo los genes que codifican las ciclinas el (se descdbc en el Capítulo 17). nnalmente las señales extracelulares activan MAP-quinasas sólo de manera tran.sidurantc el periodo de tiempo en el que se mantienen activas influencian profunda-

-2

o 2 4 6 tiempo (minutos)

Rgura 15- 59 Activadón transitoria de Ras puesta de manifiesto por transferencia de energía resonante fluorescente (FRET) de una sola molécula. (A) Ilustración esquemática de la estrategia experimental. Células de una linea celular de un cáncer humano se modificaron genéticamente para expresar una protefna Ras que estaba unida covalentemente a la protefna fluorescente amarilla (YFP: yellow fluorescenc procein). Se micromyectó en el soma de estas células GTP que estaba unido a un colorante fluorescente rojo. Entonces, las células se estimularon con la protefna señalizadora extracelular factor de crecimiento epidérmico (EGF: epidermal growrh faaor), y se sigu1eron las moléculas fluorescente Ras-YFP en la superficie intema de la membrana plasmática mediante microscopía de videofluorescencia en cada una de las células indiVidualmente. Cuando una molécula fluorescente Ras-YFP se activa, cambia su GDP no marcado por GTP marcado; ahora, la luz amarillo-verdosa emittda por YFP acttva la GTP fluorescente a emitir luz roja Así, se puede seguir la acttvaclón de una sola molécula Ras mediante la emisión de luz fluorescente roja a partir de una mancha previa de luz amarillo-verdosa en la membrana plasmática. Como se muestra en (8), las moléculas de Ras activadas se pueden detectar tras unos 30 segundos de la esttmulaclón con EGF. La senal roja alcanza el máximo a los 3-4 minutos y después diminuye hasta el valor basal a los 6 minutos. Se sabe que Ras-GAP es reclutada en la misma zona de la membrana plasmática que Ras, por lo que probablemente tiene un papel tmportante en la rápida dismtnución de la señal de Ras. (Modificado de H. Murakoshi et al. Proc. Nad Acad.Sd. U.SA 101 ~73 17-7322, 2004.Con la autorizadón de la Natlonal Academy of Sclences.)

930

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

membrana plasmática CITO SOL

protelna Ras activa

p

'-../

p

v iD rr.op

Frm t

·-- '

'

~

mente la respuesta. Por ejemplo, cuando EGF activa sus receptores en una célula precursora neuronal, la actividad Erk MAP-quinasa es máxima a los cinco minutos y decae con rapidez; el resultado es que las células después siguen d ividiéndose. Por el contrario, cuando NGF activa sus receptores en estas mismas células, la actividad Erk se mantiene elevada durante muchas horas y las células paran su proliferación y se diferencian a neuronas. Muchos factores pueden influenciar la duración de la respuesta seiíaliz.adora, incluyendo ciclos de retroalimentación positiva o negativa {véase Figura 15-28). Las MAP-quinasas participan en ciclos de realimentación tanto positivos como negativos, que se pueden combinar generando respuestas que pueden ser graduales o semejantes a un interruptor y tanto breves como prolongadas. En un ejemplo ilustrado antes, en la Figura 15-24, una MAK quinasa activa un complejo ciclo de retroalimentación positiva produciendo una respuesta irreversible de todo o nada cuando los oocitos de rana son estimulados a madurar mediante una breve exposición a la progesterona como molécula señalizad ora extracelular. En muchas células, las MAK-quinasas activan un ciclo de retroalimentación negativa aumentando la concentración de una protefna fosfatasa de especificidad dual que elimina el fosfato tanto de tirosinas como de treoninas inactivando las MAP-quinasas {que está fosCorilada en tirosinas y treooinas por la MAKK) . El aumento de la fosfatasa se produce tamo debido a Wl incremento de la transcripción del gen de la fosfatasa como a la estabilización de la enzima ante la degradación. En la vía MAP-quinasa-Ras que se muestra en la Figura 15-61, Erk también fosforila e inactiva a Raf, proporcionando otro circuito de retroalimentación negativa que contribuye a inhibir el módulo de las MAP-quinasas.

Algunas proteínas de armazón ayudan a impedir el entrecruzamiento de señales entre módulos paralelos de MAP-quinasa En todas las células eucariotas actúan móduJos de señalización MAP-quinasa de tres componentes con diferentes módulos que median diferentes respuestas en una misma célula. Por ejemplo, en la levadura en gemación uno de estos módulos media la respuesta a la fero mona de acoplamiento, otro la respuesta al ayuno y otro la respuesta a un estrés osmótico. Algunos de estos módulos MAP-quinasa utilizan una o varias quinasas comunes, a pesar de lo cual se las arreglan para activar diferentes protemas efectoras y. por lo tanto, respuestas celulares diferentes. Como se ha indicado, una de las maneras mediante las cuales las células evitan los cruces entre las diferentes vías de señalización paralelas y aseguran la especificidad de cada respuesta consiste en utilizar proteínas de armazón (scaffold proteins) (véase Figura 15-2lA). En las células de levadura, estas proteínas armazón unen algunas o todas las quinasas de cada módulo MAP-quinasa rormando un complejo, contribuyendo asf a asegurar la especificidad de la respuesta (Figura 15-61).

Figura 15-60 El módulo de fosforilación serina/treonina de MAP-quinasa activado por Ras. El m6dulo de tres componentes empieza con una MAP-quinasa-quinasaquinasa denominada Raf. Ras recluta Rafa lb membrana plasmática y ayuda a activarla. n.l entonces activa la MAP-quinasa-quinasa M la cual activa la MAP-quinasa Erk. Erk a su Vi' fosforlla una gran variedad de proteínas corriente abajo, que incluyen otras prote1rw quinasa, asf como proteínas reguladoras de expresión génica en el núcleo. Los cambiOS resultantes de expresión génica y actividad proteica causan cambios complejos en el comportamiento celular.

LIZACIÓN A TRAV~S DE RECEPTORES DE SUPERFICIECELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS factor de acoplamiento receptor sensible a la osmolaridad

~

qu~na~a A

osmolaridad alta

t

~·- MAP-qulnasa-qulnasa-quinasa

MAP-quinasa

,PUESTA DE ACOPLAMIENTO

~uinasa O ~

(B)

SfNTESIS DE GLICEROL

' células de mamífero también utilizan esta estrategia de las proteínas de armazón uar Jos cruces entre los diferentes módulos MAP-quinasa. En una célula de mamffelrn actuar en paralelo 5 módulos MAP-quinasa. Estos módulos utilizan al menos 12 llllnasas, 7 MAP-quinasa quinasas y 7 MAP-quinasa quinasa quinasas. Dos de estos l•" (que acaban en MAP-quinasas JNK y p38) se activan por diferenres tipos de estrés romo la radiación VV. el estrés térmico y el estrés osmótico, asf como por la estimull(lf citoquinas inflamatorias; otros median respuestas a señales de otras células. J>•·sar de que la estrategia de las prmeínas de armazón proporciona precisión y evita cru,,. vías, reduce las oportunidades de amplificación y propagación de la señal a diferentes k la célula, que requiere que al menos alguno de los componentes pueda difundir (véase 1 > 17). No está claro hasta que punto los componentes individuales de los módulos MAP' pueden disociarse de las protefnas de armazón durante el proceso de activación para ' la amplificación, que es por Jo que se denominan módulos y no cascadas.

GTPasas de la familia Rho se acoplan funcionalmente eptores de superficie celular con el citoesqueleto de las proteínas Ras, la otra clase de GTPasas de la superfanülia Ras, que transmiten desde receptores de la superficie celular, es la gran fanúlla Rho (véase Tabla 15-5). 1'.1sas monoméricas de la familia Rho regulan los citoesqueletos tanto de actina como rotú bulos, controlando la forma de la célula, la polaridad, la moWidad y la adhesión •rrbe en el Capítulo 6). También regulan la progresión a través del ciclo celular, la rpción de genes y el transporte a través de la membrana, y desempeñan un papel imh· en la conducción de la migración celular y el crecimiento de los axones, mediando 1as del citoesqueleto a la activación de receptores gufa especiales. A continuación, "ará este aspecto de la función de la familia Rho. tres miembros de la familia Rho mejor caracterizados son el propio Rho, Rae y 2 • ada uno de los cuales afecta a varias proteínas diana corriente abajo. Como en el !las, GEF activan y GAP inactivan las GTPasas de la familia Rbo; en humanos existen t;(} GEF-Rho y más de 70 GAP-Rho. Algunos de los GEF y de los GAP son específicos de nwmbro de la familia, mientras que otros son menos especfficos. A diferencia de Ras, 1 asociado a la membrana incluso cuando está inactivo (unido a GDP), las GTPasas de ha Rho cuando están inactivas suelen estar unidas a inllibidores de la disociación de rtclos de guanina (GDI: guanine nucleotidi! dissociation inhibitors) en el citosol, lo cual t¡ ue las GTPasas interaccionen con sus GEF-Rho en la membrana plasmática. t'•·sar de que los receptores de superficie celular activen las GTPasas Rho activando 10, en m uchos casos no se conoce de qué forma un receptor activa su GEF. Una de las Hines es un RTK Eph (véase Figura 15-52) de la superficie de neuronas motoras que 1 guiar la migración de la punta del axón (denominado cono decrecimiento) hasta su lo diana. La unión de una proteína efrina de superficie celular activa el recepror Eph, dnando que el cono de crecimiento se colapse haciendo que descarte regiones no

931

Rgura 15-61 Organización mediante protelnas armazón de dos módulos MAP· quinasa en la levadura en gemación. l as levaduras en gemación tienen al menos 6 módulos de tres componentes MAP· quinasa, que están implicados en una gran variedad de procesos biológicos, que Incluyen las dos respuestas mostradas: la respuesta al acoplamiento y la respuesta a una osmolaridad elevada. (A) la respuesta al acoplamiento se desencadena cuando un factor de acoplamienro secretado por una levadura con un tipo de acoplamiento contrario se une a un GPCR. ~te activa a una protelna G. que libera su complejo j3y y activa de forma indirectamente una MAP-quinasa-quinasa-qulnasa (quinasa A), que transmite la señal corriente abajo. Una vez activada, la MAP-quinasa (qulnasa C) se fosforila y as( acttva varias proteinas que median la respuesta de acoplamiento, en que la c~lula de levadura para de dividirse y se prepara para la fusión. las tres qulnasas de ene módulo están unidas a una protelna de armazón 1. (8) En una segunda respuesta, una célula de levadura expuesta a un ambiente de alta osmolaridad es Inducida a sintetizar glicerol aumentando su osmolaridad Interna. Esta respuesta está mediada por una protelna receptora transmembrana, sensible a la osmolaridad, y por un módulo de diferentes MAP· quinasas unidas a otra protelna de armazón (armazón 2). (Es importante que el dominio quinasa que pertenece a la protelna de armazón 2 proporcione la actividad MAP-quinasaquinasa de este módulo.) Aunque ambas vlas utilizan la misma MAP-quinasa-qulnasaquinasa (quinasa A, en verde), no hay cruces entre ellas porque en cada módulo las qulnasas están muy unidas a diferentes protelnas de armazón y el receptor sensor de osmolaridad también está unido a la misma protelna de armazón a la cual se unen la quinasa especifica que activa. Es destacable que la protelna de armazón 1 es capaz de actuar Incluso si está despojada (mediante ingenierla genética) de su capacidad de alinear o regular de forma alostérica sus tres qulnasas unidas. Parece ser que el papel que desempeña consiste únicamente en unir las quínasas y mantenerlas cerca unas de otras, incrementando asr la velocidad a las que se encuentran, como es de esperar a partir de aceleraciones de las velocidades de reacc.ión causadas por unión de protelnas (véase la Rgura 3-80C).

932

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular Figura 15- 62 Esquema del colapso del cono de crecimiento mediante GTPasas clt la familia Rho. (A) La unión de las protemu efrina A1 transmembrana sobre una célulc'l adyacente, activa RTK EphA4 del cono d~ crecimiento de un axón, mediante el mecanismo ilustrado en la Figura 1S-53~ Unas fosfotlroslnas de los receptores Eph activados reclutan y activan una tirosina quinasa citoplasmática que fosforila sobre una tiroxina a la Rho-GEF asociada al receptor, efexina. Este hecho aumenta la capacidad de la efexina de activar las GTPasas de la familia Rho, RhoA. Entonces. RhoA Induce el cono de crecimiento a colapsarse al estimular la contracción dependiente de miosina del citoesqueleto actina. (B) Cuando la efrina A1 no está unl al receptor EphA4, la efex1na activa tres miembros diferentes de la familia Rho (Cdc42, Rae y RhoA) aproximadamente lo mismo facilitando el avance del cono dq crecimiento. (C) La unión de efrina A1 a EphA4 altera la actividad de la efex1na,la e ahora activará a RhoA, haciendo que el de crecimiento se colapse.

(A) CE LULA ADYACENTE

CITOSOL

G

CONO DE CRECIMIENTO DEL AXÓN

mediada por miosina

efrina A1

efexina fosforilada

L l Cdc42

RhoA

\t l

Rae

"

Cdc42

L

EXTENSION DEL CONO DE CREOMIENTO (8)

.

\t

SIN UNIÓN DE EFRINA

'

RhoA

Rae

.._.

COLAPSO DEL CONO DE CRECIMIENTO

(C)

CON UNIÓN DE EFRINA

apropiadas y manteniéndolo en la búsqueda. La respuesta depende de una GEF Rho denominada efexína que está asociada de forma estable con La cola citosólica del receptor l:.ph. Cuando la unión de efrina activa el receptor Eph. el receptor activa una tirosina quinasa citoplasmática que fosforila a efexina sobre una tirosina e incrementa la capacidad de la efexina de activar la proteína Rho, RhoA. La proteína RhoA activada (RhoA-GTP) regula varias proteínas diana corriente abajo, incluyendo algunas proteínas efectoras que controlan el citoesqueleto de actina haciendo que el cono de crecimiento se colapse (F1gura 15-62). Las efrinas son unas de las protelnas guCa extracelulares mejor caracterizadas y que tienen muchas funciones tanto en el sistema nervioso como fuera de él. Uno de sus papeles, por ejemplo, consiste en dirigir la forma en la que los axones nerviosos crecen desde el ojo hasta eltectum óptico, generando en el cerebro un "mapa" neuronal del campo visual (se describe en el Capítulo 22). Pero la guia del crecimiento exterior de un axón es una cuestión compleja, en la que también participan otros tipos de receptores guía, como se examina en el Capítulo 22. Sin embargo, parece que todos estos receptores gufan el movimiento celular influenciando el esqueleto y lo hacen a través de miembros de la familia Rho.

IÚN A TRAVts DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS

933 )npués de considerar de qué forma los RTK utilizan GEF y GTPasas monoméricas r.an~mitir señales al interior de la célula, se analizará una segunda estrategia mayor tlllza RTK, que depende de mecanismos de transmisión intracelular bastante dife-

13-quinasa produce fosfolípidos de inositol que actúan o sitios de unión en la membrana plasmática hl'mos mencionado, una de las proteínas que se unen a la cola intracelular de las moR! K es la enzima unida a membrana plasmática fosfoinositol 3-quinasa (Pf 3-kinase: lroinositide 3-k irUtSe). Esta quinasa no fosfori la prote{nas sino principalmente fosfodc inosilol y tanto los RTK como los GPCR la pueden activar. Tiene un papel central ,, umdo la supervivencia y el crecin1ienro celulares. tosfatidilinosiro/ (PI: p hosplwtidylinosito/) es el único de los lfpidos de membrana wde ser fosforilado de forma reversible en varios lugares sobre su grupo cabeza de l. lo q ue genera una gran variedad de PI fosforilados denominados fosfoinosltoles l 1gura 15-37). Cuando se activa, la PI 3-quinasa cataliza la fosforilación en la posidl'l anillo de inositol generando varios fosfoinositoles (Figura J5-63). La producción i I,5)P3 es la más importante, ya que puede actuar como un sitio de unión para varias 1,1, ~eñalizadoras intracelulares. que se ensamblan formando complejos de señalizalit' transmilen la señal desde la cara citosólica de la membrana plasmática hacia el inclo-las células (véase Figura 15-21 C).

11 que distinguir entre esta utilización de los fosfoinositoles de la utilización descrita 1u• PI(4,5)P2 es cortado por P.LC-~ (en el caso de GPCR) o por PLC-y {en el caso de RT}() 11do fP3 soluble y diacilglicerol unido a la membrana (véase las Figuras 15-38 y 15-39). • murario P1(3,4,5JPJ no es cortado por PLC. Se sintetiza a partir de PI(4,5)Pl y luego III'CC en la membrana plasmática hasta que unasfosfacasasdefo~foinositolesespecffi­ ol•·\losforilan. De entre todas ellas, hay que destacar la fosfatasa PTEN, que dcsfosfori"•ción 3 del anillo de inositol. En muchos cánceres se han encontrado mutaciones de .11 prolongar la señali7.ación por PI 3-quinasa promocionan el crecimien to celular 11tolado. 1'ten varios tipos de PI 3-quiJmsas. Los que se activan por RTK y por GPCR pertene1.•' Jase l. Son heterodfmeros con una subunidad catalítica y varias subunidades reguLos receptores RTK activan las Pi 3-quílltlSas de clase la, en las cuales la subunidad lora es una protefna adaptadora que se une a dos fosfotirosinas de los RTK activados !lit' sus dominios SH2 (Figura 15-55A). Los receptores GPCR activan las P/3-quinastlS

to,fatidilinositol (PI)

\

PI 4-fosfato (PI(4)P]

\

\

PLC

PI 4, 5-bisfosfato (Pt(4,5)P2l

CATALIZAOO PO R LA PI 3-QUINASA

\

;1

Q

p

PI 3-fosfato (PI(3)PJ

\

\

--rll --~v--\ ~ {~) "-fh T ~

ih D

PI 3.4-bisfosfato (PI(3,4)P2J

IP3

PI 3,4,5-trisfosfato [P1(3,4,S)P3]

Figura 15-63 Generación de lugares de unión a fosfoinositoles por la P1 3·quinasa. la P13-quinasa fosforila el anillo de lnositol en el átomo de carbono 3 y genera los fosfolnositoles que se muestran en la parte Inferior de la figura (desviándolos de las vías que conducen a IP3 y diacilgllcerol). la fosforilación más importante (Indicada en rojo) es la P1(4,5)P2 a PI(3,4,5)P3, que puede servir como lugar de unión a proteínas señal con dominios de unión a PIP:¡, PH. Otras quinasas de fosfolfpidos de inositol catalizan la fosforilación Indicada por flechas verdes.

934

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

de clase lb, las cuales tienen una subunidad reguladora que se une al complejo j3y de una proteína G trimérica activada cuando los GPCR son activados por sus ligandos extracelulares. La unión directa de Ras activada tan1bién puede activar la sub unidad caralftica de la clase. Las protefnas señalizadoras intracelulares se unen a PI(3,4,5)P3 , producidos por la Pl3quinasa activada a través de un dominio de interacción específica, como es el dominio de homología a la plecstrina (PII: pleckstrin homology), que ya hemos tratado, y que fue identificado por primera vez en la pro rema plecstrina de las plaquetas. Los dominios Pl l actúan principalmente como dominios de interacción protefna-protema y sólo un pequei'lo subconjunto de ellos se unen a PJP3; al menos algunos de e llos reconocen tan ro a una proteína específica unida a membrana como a PIP3 , 1o cual aumenta en gran medida la especificidad de la unión y ayuda a explicar por qué no rodas las proteínas señali7.adoras con dominios Pll de unión a PlP3 se unen a todos los lugares PH3.4.5lP:J. Los dominios Pll se presentan en unas 200 proteínas humanas, incluyendo los Sos GEF Ras descritos anteriormen te (véase Figura 15-22). Una protefna que tiene dominios Pfl en especial importantes es la serina/treonlna proterna quinasa. Akl. La vía de señaliu1ción Pl 3-quinasa-Akt es la vía principal que es activada por la hormona Insulina. También desempeña un papel importante promocionando la supervivencia y el crecimiento de muchos tipos celulares tanto en invertebrados como en vertebrados, como se expondrá a continuación.

Figura 15-64 Una de las maneras a través de las cuales la señalización via PI 3-quinasa estimula la supervivencia celular. Una señal extracelular de supervtvencia activa un RTK, que recluta y acttva la PI 3·qutnasa La PI 3-quina5a produce PI(3,4,5)P3 que actúa como sitio dr unión para dos serinas/treoninas quinasa domtnios PH: Akt y la qulnasa dependient de fosfoinosítoles PDK1, que se colocan e una de otra en la membrana plasmática. es fosforílada sobre una serina por una tercera quinasa (por lo general mTOR) que altera la conformación de Akt de forma q ahora puede ser fosforilada sobre una treonina por PDKl. lo cual activa a Akt.la activada se disocia de la membrana plasmática y fosfortla varias proteinas dlal\l entre ellas, la protelna Bad. Cuando no está fosforilada, Bad manttPóf' en estado Inactivo a una o más proteína~ inhibidoras de apoptosis (de la familia Bcl2; se explica en el Capitulo 18). Cuando BAO es fosforilada,libera las proteínas lnhlbidoras, que bloquean la apoptosis. y estimula asl la supervivencia celular. Como se muestra, una vez fosforilada, Bad se un!! una proteina citos611ca ubicua denomin 14-3·3, que mantiene Bad no funcional.

La vía de señalización PI 3-quinasa- AKT estimula el crecimiento y la supervivencia de las células animales Para que un organismo pluricelular cre1.ca, sus células tienen que crecer (acumular masa y aumentar de tamaño). Si las células simplemente se dividieran sin crecer, se harían progresivamente más pequefias y el organismo, como un todo, se mantendría del mismo tamafio. Como se ha indicado antes, habitualmente se necesitan sei\ales extracelulares para que las células crezcan y se dividan, y también para que sobrevivan (véase Figura 15-8). Por ejemplo. los miembros de la familia de factores de crecimiento semejantes a insulina (TGF: insulin-like growthfactor} estimulan el crecimiento y la supervivencia de muchos tipos de células an imales. Se unen a RTK especfficos (véase Figura 15-22} que activan PI 3-quinasa a producir PI(3,4.S)P3 . Este PIP:1 recluta dos protefnas quinasa de la membrana plasmática a través de sus dominios PH: Akt (también denominada protelna quinasa 8, o PKB} y la proreina qulnasa 1 dependiente defosfoinositoles (PDKl : plwsphoinositide-dependent protein k inase l ), lo cual conduce a la activación deAkt (Figura 15-M). Una vez activada. Akt fosfo-

seflal de supervivencia PI(4,5)P2

'

J

CITOSOL

p p

PI(3,4,5)PJ

mTOR

dominios PH

receptor tirosina quinasa activado

fosforilaclón y activación de Akt por PDK1 ymTOR /

Akt

Bad

\

disociación

FOSFORI~~;( ~ DE Bad

protelna inhlbidora de apoptosis Inactiva

Bad inactivada

<t .

protefna 14-3· 3

~ ---l

·..-

protelna inhlbldora de apoptosis activada

INHIBICiON DE APOPTOSIS

A TRAVtS DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS (A)

SIN FACTOR DE INICIACIÓN

(B)

CON FACTOR DE CRECIMIENTO

PI 3-quinasa activa

~

• 1

Akt activa Tscl act1va

1

Rheb inactiva (Rheb-GDP)

Tsc2 Inactiva Rheb ac

(Rheb-GTP)

!

mTOR Inactiva (en el complejo 1)

(en el complejo 1)

NO HAY CRECIMIENTO CELULAR

CRECIMIENTO CELULAR

rnTOR

~ti

'

" proteínas diana en la membrana plasmática, el citosol y el núcleo. El efecto sobre 11a de las dianas conocidas consiste en su inactivación; pero las dianas son de tal na-

t¡ue todas estas acciones de Akt cooperan para aumentar la supervivencia y el cre1• • celulares.

t •·¡emplo, un efecto de Akt es fosforilar una proteína cilosólica llamada Bad, que en (lu no-fosforilado promueve la m uene celular por apoptosis (se describe en el Capfl.a fosforilación de Bad por Akt genera sitios fosfoserina de unión a una prOLcína de 11 denominada 14-3-3, que secuestra la proteína Bad fosfori lada inhibiendo su facilita así la supervivencia celular (véase Figura 15-64). \ ío PI 3-quinasa-Akt induce a la célula a crecer a través de un mecanismo más comu· depende de una gran serina/treonina proteína quinasa denominada TOR (deno' omo la diana de la mpamicma, una toxina bacteriana que inactiva esta quinasa y utiliza clínicamente como fármaco inmunosupresor y anticancerfgeno). TOR fue -~uc:.tda originalmente en levaduras, en un cribado genético para resistencia a rapami'1 células de mamífero se denomina mTOR. En las células, TOR se halla en dos comn ulúproteicos con funciones distintas. En células de mamífero, el complejo mTOR 1 -~nc la proteína raptor; este complejo es sensible a la rapamicina y estimula el crecicdular-promocionando la producción de ribosomas y la síntesis de proteínas por t ' inhibiendo la degradación de proteínas por otro. El complejo 1 también estimula nucnto celular y la supervivencia celular estimulando la captación de nutrientes y el El complejo mmR 2 contiene la proteína rictory es insensible a la rapamicina; ~~-"'IW t·n la activación de Akt [véase Figura 15-64) y regula el citoesqueleto de actina a tra G 1Pasas de la familia Rho.

omplejo mTOR 1 integra señales de varias procedencias, incluyendo proteínas se•ras extracelulares denominadas factores de crecimiemo y nu trientes como aminoánmbas señales ayudan a activar mTOR y estimular el crecimiento. Los fac tores de nto activan mTOR sobre todo a través de la vía P13-quinasa-Akt. Akt activa mTOR piejo l indirectamente, fosforilando y, por tanto, inhibiendo, una GAP denominada • '! actúa sobre una GTPasa relacionada con Ras monomérica, denominada Rheb 1.rbla 15-5, p. 926). En su forma activa, la forma Rheb (Rhcb-GTP) activa mTOR. EL reneto es que Akt activa mTOR y por tanto estimula el crecimiento celular 1!H)S). En el Capítulo 17 explicarnos de qué forma mTOR estimula la producción de lliiS y la síntesis de proteínas (véase la Figura 17-65).

Vlas de señalización corriente abajo activadas por RTK GPCR se solapan " hemos mencionado, los RTK y los GPCR activan algunas de las mismas vías de seintrdcelular. Por ejemplo, ambos pueden activar la vía de fosfolípidos de in osito! ulenada por la fosfolipasa C. Además, incluso cuando activan diferentes pasos, estos ··s pasos pueden converger sobre las mismas proteú1as diana. En la Figura 15-66 se

"111

935

Figura 15-65 Activación de mTOR por la vla de señalización Pt-3-quinasa- Akt. (A) En ausencia de factores de crecimiento extracelulares, Tsc2 (una Rheb-GAP) mantiene a Rheb inactiva; mTOR en el complejo 1es inactiva y no se produce crecimiento celular. (B) En presencia de factores de crecimiento, Akt activada fosforíla e inhibe Tsc2, facilitando asf la activación de Rheb. Rheb activada (Rheb-GTP) colabora en la activación de mTOR en el complejo 1, que a su vez estimula el crecimiento. En la Figura 15-64 se muestra de qué forma los factores de crecimiento (o las señales de supervivencia) activan Akt. La MAP-qulnasa Erk (véase Figura 15-60) también puede fosforilar, e inhibir, a Tsc2 y, por tanto, activar mTOR. Asl pues, las vlas de señalización Pl-3-qulnasa- Akt y Ras-MAP-quinasa convergen en mTOR en el complejo 1 y estimulan el crecimiento celular. Tsc2 es la abreviatura de•protefna de esclerosis tuberosa• 2 (tuberous sclerosís protein 2) y es un componente de un heterodlmero compuesto por Tsc1 y Tsc2 (no se muestra); estas protefnas se denominan asr porque mutaciones en los genes que las codifican causan la enfermedad de la esclerosis tuberosa, asociada con tumores benignos en el cerebro y en las zonas donde haya células demasiado grandes.

936

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

molécula sella!

RTK

1\

protelna G

1

adenllato ciclasa

1 1

AMP clclico

1

protelna G -

IP1

¡

/

fosfolipasa C

\

diacilglicerol

ea2•

,.,my~

\~ Ras-GE~F 1 Grb2

(Sos)

PI 3-quinasa

Figura 15-66 Cinco vlas de señalización Intracelular activadas por GPCR. RTK o ambos. En este ejemplo hipotético, las qu1nasas (en amarillo) al final de cada vía fosforilan protefnas diana (en rojo), algu~ de las cuales pueden ser fosforiladas por más de una quinasa. La fosfolipasa e que activada por los dos tipos de receptor es diferente: los GPCR act1van la PLC~ que los RKT activan la PLCy (no mostrado Aunque no se muestran, algunos GPCR también pueden activar a Ras, pero lo de forma independiente de Grb2, una vfa una Ras-GEF que es activada por Ca 2· y dlacilglicerol.

/

¡/

PI(3,4,5)P1

Ras

MAP-quinasa-q~uinasa quinasa ~

MAP-quln¡sa-qumasa

1

/1 POK1

PKA

\ il ustran estos dos tipos de seriali:t..aciones que se solapan: resume cinco vfas paralelas de señalización intracelular tratadas, una de ellas desencadenada por GPCR, dos desencadenadas por RTK y dos desencadenadas por ambos tipos de receptores.

.."""· . m "'

l

.

..

...,

,

~-

~

4

_:¡;. ':f

La actividad de los

receptores asociados a tirosinas quinasa depende de proteínas tirosina quinasa citoplasmáticas

... '

:·'" ~('

tf-

'b: '. -<'

1\.tuchos de los receptores de la superficie celular dependen de la fosforilación de tirosinas para su actividad, aunque carecen de un dominio tirosina qulnasa. f<>tos receptores actúan a través de liroslnas quin asa cltoplasm á licas, que están asociadas al receptor y fosforilan diversas protefnas diana, incluyendo con frecuencia el propio receptor, cuando los receptores unen a sus ligandos. Así pues, estos receptores asociad os a liroslna q u in asa actúan de modo parecido a los RTK, excepto en que su dominio quinasa está codificado por un gen diferente y está asociado de forma no-covalcnte con la cadena polipcptfdica del receptor. Penenecen a esta categoría varias clases de receptores, incluyendo los receptores para los an tígenos y lru. interleucinas de los linfocitos (se describe en el Capftulo 25),1as imegrinas (se describe en el Capítulo 19) y receptores para varias citoquinas y para algunas hormonas. Como ocurre con los RTK. muchos de estos receptores 'ion dímeros preformados (Figura 15-67) o dimerl1..an cuando se une el ligando. Algunos de estos receptores dependen de miembros de la mayor familia de protefnas tlrosina quinasa ci tosólicas, la familia Sn: (véase las Figuras 3-1 Oy 3-69), que incluye: Src, Yes, Fgr. Pyn, Lek, Lyn. Hck y Blk. Todas estas protefnas quinasa tienen dominios SIJ2 y Sll 3 y se hallan localizados en la cara citoplasmática de la membrana plasmática, unidos a ella en parte a través de su interacción con proteínas receptoras transmembrana, y en parte por su unión covalente a cadenas lipfdicas. Varios miembros de la fan1ilia se hallan asociados con diferen tes receptores y fosfori lan de forma solapada distintos conjuntos de proteínas diana. Por ejemplo, tanto Lyn. como Fyn y Lck se hallan asociados a diferentes juegos de receptores en los linfocitos (se trata e n el Capfrulo 25). En cada caso, la quinasa se activa cuando Wl ligando extracelular se une a una protefna rcceplOra adecuada. El propio Src. al igual que otros miembros de la familia, también puede unirse a RTK activados; en estos casos, tanto el

\

1

' .¡

......

·>¡ ' ., ' ' ::. ; . : i;; l;;; .. :. / : ••

f'/if,''

'í•

'·•\

Agura 15-67 Estructura tridimensional la hormona de crecimiento humana u L El receptor es un a su receptor. homodlmero y la hormona (rojo) se une cada una de las dos subunidades idént (una mostrada en verde y la otra en aru reconocen diferentes zonas de la horrn«1 monomérica. Parece que la unión de la hormona provoca una reorganización c.1 subunidades que activa una tirosina qul citoplasmática estrechamente unida a tJ colas citosólicas de los receptores (no se muestra). La estructura mostrada fuci determinada por estudios de cristalogri de rayos X de complejos formados entrl la hormona y dominios extracelulares d receptor producidos por tecnología dd recombinante. (De A.M. deVos, M. Ulue AA. Kosslakoff. Sdence 255:306-31 2, 19 Con la autorización de la AMS.)

1 1

A TRAV~S DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS

tC>r romo la quinasa citoplasmática se estimulan muruamente, cada w1o la actividad 11.1 del otro, reforzando y prolongando asr la señal (véase Figura 15-62).lncluso existen proteínas G (G, y G,) que pueden activar Src, que es una vía a través de la que la acn de GPCR puede fosforilar tirosinas de proteínas señalizadoras intracelulares y pro)tro tipo de tirosinas quinasa citoplasmáticas se asocian con las imegri11as, los princifl'l cptores

que utilizan las células para unirse a la matriz extracelular (tratado en el Ca-

1'1). La unión de componentes de la matriz a las integrinas activa vías de se•ialización

ular que modifican el comportamiento de la célula. Cuando las integrinas se agrusitios de contacto con la matriz, participan en desencadenar el ensamblaje de célula-matriz denominadas culhesionesfoca/es. Entre las muchas proteína~ recluta,,.,,as uniones, se encuentra la tirosina quinasa citosóUca llamada q ulnasa de adhefocal (FAK:foca/ adllesion kinase) , que se une a la cola citoplasmática de una de las -..nldades de integrina con la a ruda de otras pro temas. El conjunto de moléculas de FAK orila de manera cruzada unas a otras, generando lugares de unión a los que puede la quin asa Src. Entonces, Src y FAK se fosforUan una a la otra y a otras proteú1as que se .._.,,hlan en la adhesión focal, incluyendo muchas de las proteínas señaUzadoras utilizadas H rK. De este modo, las dos tirosinas quin asa señalizan a la célula que se ha adherido u~trato apropiado, donde la célula puede sobrevivir, crecer, dividirse, migrar, cte. dase de receptor más amplia y heterogénea, que se basa en tirosinas quinasa citosóllllra transmitir señales en el interior de las células, es la clase de receptores de citoquii,Jlll' vamos a tratar a continuación. 1 los

receptores de citoquinas activan la vía de señalización ;r, proporcionando un camino rápido hacia el núcleo la milla de receptores de choquinas incluye receptores de la mayoría de tipos de melocales (denominados de manera colectiva citoquinas). así como receptores de hormonas como por ejemplo la llormona de crecimiento (Figura 15-{)7) y la pro/ac1 'ltls receptores están asociados de forma estable a tirosinas quinasa citoplasmáticas nadas qulnasas Janus UAK: }tmus kinase, por el nombre del dios romano de dos calit' fosforilan, y acllvan, proteinas reguladoras de la expresión gémca Uamadas STAT tmnsducers mzd activators oftranscription; transductores de se1'tal y activadores de Las proternas STAT están locaJi7.adas en el citosol y se denominan protefnas reguladoras de genes porque sólo migran al núcleo y regulan la transcripción génica de ser activadas. unque muchas vías de l.eJiaJización inrracelular conducen desde los receptores de -...fl...e celular hasta el núcleo, donde modifican la transcripción génica (véase la figura la vía de señalización JAK-STAT constituye la vías más directa de ellas. Los recepto dtoquinas son dfmeros o mmeros y están asociados de forma estable con uno o dos JAK conocidos (JAKI, JAK2, JAK3 y Tyk2). La unión de la citoquina altera la distribulorma que dos JAK quedan muy juntos de forma que se tmnsfosforilan y aumentan t tivídad de sus dominios tirosina quinasa. fntonces, JAK fosforila tirosinas del recep ntoquina generando fosforirosinas que actúan como lugares de umón para las STAT 15-68). Algunas proteínas adaptadoras también pueden unirse a algunos de estos si~•mplar el receptor de tirosinas a la vía de señalización Ra~-MAP quinasas de la que tratado. 'man1fferos existen al menos seis Sü\T. Cada una de cUas tiene un dominio SH2 que dus funcion e~. Primero, facilita la unión de la proteína STAT a un sitio de unión fosen un receptor de ci toquina activado. Una vez unida, la JAK fosforila las SThT en tirosina y provoca que STAT se disocie del receptor. Segw1do, el dominio 5112 de la SIAT liberada media ahora su unión a una fosfotirosina de otra proteína SfAT, fortm homodímero STAT o un heterodímero. Entonces, el dímero de STAT se transloca 1 núcleo donde, en combinación con otras proteínas reguladoras de la expresión géniunc a elemento~ de respuesta de DNA específicos en varios genes, estimulando su trans(véase Figura 15-68). Por ejemplo, en respuesta a la hormona prolactina, que estimula lllllltducción de leche en las células de la glándula mamaria,la STAT5 activada activa la transde los genes que codifican las protefnas de la leche. En la Tabla 15-6 se recogen algula~ más de 30 citoquinas y hormonas que activan la vía JAK-SfAT mediante la unión a (lres de citoquinas; también muestra los JAK y STAT específicos que participan.

937

938

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

CITOSOL

dommio SHl

LA UNIÓN DE CITOQUINAS DIMERIZA LOS RECEPTORES ADYACENTES Y LAS JAK SE FOSFORILAN DE FORMA CRUZADA ENTRE ELLAS SOBRE TIROSINAS

LAS JAK ACTIVADAS FOSFORILAN LOS RECEPTORES EN TIROSINAS

DESPU~S QUE LAS STAT SE UNAN A FOSFOTIROSINAS ESPECIFICAS EN EL RECEPTOR, LAS JAK LAS FOSFORILAN

LAS STAT SE DISOCIAN DEL RECEPTOR Y DIMERIZAN A TRAV~S DE SUS DOMINIOS SH2 -~-~---

l

LAS STAT MIGRAN HACIA EL NúCLEO, SE UNEN A DNA Y A OTRAS PROTE(NAS REGULADORAS DE LA EXPRESIÓN G~NICA

>otras protelnas reguladoras de la expresión génica

DNA~;:::::;:::::::::~~====~~==~~== elemento de respuesta a cltoquinas en un gen diana

TRANSCRIPOÓN DE GENES DIANA

Algunos STAT también tienen dominios SH2 que les permiten unirse a fosfotirosinas especflicas de algunos RTK activados. Estos receptores pueden activar de forma directa los STAT unidos con independencia de JAK. El nemátodo C. elegans utiliza STAT para señalizar pero no sintetiza ningún JAK ni ningún receptor de citoquina, lo cual sugiere que los STAT evolucionaron antes que los JAK y que los receptores de citoquina. Las respuestas mediadas por la vfa JAK-STAT están reguladas por circuitos de retroalimentación negativa. Además de activar genes que codifican pro ternas mediante la respuesta inducida por citoquina, los dfmeros de STAT también activan genes que codifican protefnas inhibidoras que ayudan a inhibir la respuesta. Algunas de estas protefnas se unen, e inactivan, a JAK fosforiladas y a sus receptores fosforilados asociados; otras se unen a dimeros STAT fosforilados impidiendo que se unan a sus DNA diana. Sin embargo, estos mecanismos de retroalimentación negativa no son suficiemes por sf solos para inhibir la respuesta. La inactivación de JAK y de STAT activados requiere la desfosforilación de sus fosfotirosinas.

Las proteínas tirosina fosfatasa revierten las fosforilaciones en tirosinas En todas las vfas de señalización que utilizan fosforilación en tirosinas, esta fosforilación se revierte por una desfosforilación que llevan a cabo las proteútas tiroslna fosfatasa. Estas fosfatasas son tan importantes en el proceso de señalización como lo son Las protefnas tirosilla quinasa, que añaden los fosfatos. Mientras que sólo algunos tipos de sub unidades cata-

Figura 15-68 La vla de señalización JAK-STAT activada por citoquinas. la unión de citoquinas provoca que las d<» cadenas polipeptfdlcas del receptor que están separadas (como se muestra) dimer o reorienta las cadenas de receptor en un dfmero preformado. En ambos casos, las JAK asociadas se aproximan de modo que pueden fosforllarse entre ellas en residuot tirosína, empezando el proceso de señalización mostrado. En alqunos casos, el receptor activo es un trímero en lugar de un dfmero.

ZACIÓN A TRAVÉS DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS -6 Algunas proteínas extracelulares señalizadoras que actúan mediante receptores de citoquinas y la vía de IIAIUzación JAK-STAT JAK ASOCIADAS

STAT ACTIVADAS

ALGUNAS RESPUESTAS

JAK1 y JAK2

STATI

activa los macrófagos

Tyk2 y JAK2

STAT1 y STAT2

incrementa la resistencia celular a infecciones víricas

JAK2

STATS

estimula la producción de eritrocitos

JAK1 y JAK2

STATS

estimula la producción de leche

JAK2

STAT1 y STATS

estimula el crecimiento induciendo la producción de IGF 1

JAK2

STATS

estimula la producción de granulocitos y de macrófagos

11

AL RECEPTOR

dt· protefna semwlrrronina fosfnta.tias son responsables de eliminar los grupos fosfato nnas y las t reonmas fosforiladas de las pro temas: en el genoma humano existen más 10 protefnas tirosina fo!>fatasa codificadas, incluyendo alguna fosfmasa de especificidad Jtll: también dcsfosforilan en scrinas y treoninas. 11110 sucede con la~ tírosma~ quinasa, hay formas citosólicas y fom1as transmembratirusinas fosfatasa, pero ninguna de ellas esta relac10nada eMrucruralmente con las ~ serina / treonma fosfatasa. Parece que algunas de las formas transmembrana tumo receptores de superficie celular pero, dado que todavfa no se ha establecido, de gt·neral se denomman tiros mas fo~fatasa seme¡antes a receptores difl•rencia de la., protcfna serinas/treoninas fosfatasa, que en general tienen una esdad muy laxa, l:t mayo na de proteína tirosinas fosfmasa presentan una especificidad por sus sustraloc;, eliminando grupos fosfato sólo de determinados subgrupos de En conjunto, esta~ ro.,fatasas aseguran que las fosforilaciones en tirosina<; tienen ¡,, media corta y que elmvel dt• fosforilaciones en tlrosina en las células en reposo es ''JII. Sin embargo, las protema!. tirosina~ fo<;fatasa no actuan simplemente revertiendo "·'continua el efecto de las protefnas uroo.;ina quin asa; a menudo están reguladas pa 1r en el momento aprop1ado en una respuesta de señalización o en el ciclo de di\~c,ión (!-t~ describe l'n el Capitulo 17). la explicación del papel cmcial de la fo~forilación y desfosforílación entirosina~ en clt• señalización mtracelular activ-.tdas por muchos receptores acoplados a enzimas. ulvcmos a una cla'>e de receptores acoplados a enzimas que sólo transmiten la infor,, través de fosforilaciones en serinao.; o treoninas. Estos receptare.~ serinaltn.'Oninfl artivan una vía de scñali1..ación al nücleo todavía más d1recta que la vía JAI...-SlAT. n directamente protcma<; latentes reguladoras de genes denominadas Smruls. que n translocadas almtcrior del núcleo y :~ctivan la tran'>cripción genica.

proteínas señalizado ras de la superfamilia TGF~ actúan nte receptores serina/treonina quinasa y Smads 1ures Ptransforman tes del crecimiento (TGFfi: transforming growrh factors-{t¡ cons-

ona gran familia (en humanos, entre 30 y 40) de proteínas diméricas de secreción n ~>imilitud estmctural. Actúan como hormonas, o más comúnmente, como mediak~rJtles que regulan un amplio rango de funciones biológicas en todos los animales. d desarrollo, regulan la formación del patrón e influyen -;obre varios comporta' cluJares, induyendo la prohferación,la especificación y la diferenciación, la pro" de matri z extracelular y la muerte celular. fn adultos, están implicados en la n tisular y en la regulación de la respuesta inmune, a~f como en muchos otros prol.n 'uperfan1ilia está formada por la familia de TG/·-{3/actitlinas y la gran familia de

de morfogénesis del hueso (BMP: bone morplwgenetic proteins). litJCI., estas protemas actllan a través de receptores acoplados a enzimas que atravie' ~oola vez la membrana y con dominios serina/treonina quinasa sobre la cara citode la membrana plasmática. Existen dos clases de estos receptores serlnaltreonlna tipo 1y tipo /1- que son eslructuralmentc homodfmeros similares. Cada miembro tpcrfamilia TGF~ se une a una combinación caracteríc;tica de receptores diméritlpo-T y de tipo-JI, juntando los dominios quinasa de forma que el receptor de tipo n

939

940

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

puede fosforilar y activar el receptor de tipo l. formando de esta manera un complejo receptor tetramérico. Una vez activado, el complejo receptor utiliza una estrategia para transmitir la señal rápidamente al núcleo que es similar a la vfa JAK-STAT utilizada por los receptores de citoquinas. El receptor de ti po-I se w1e de forma directamente y fosforila una proteína reguladora de la expresión génica en estado latente de la familia Sm ad (denominada asf por los dos primeros componentes identificados: Sma en C. elegans y Mad en Drosophila) . Los receptores de TGF~/ activina activados fosforilan Smad2 o Smad3, mientras que los receptores de BM P fosforilan Smadl , Smad5 o Smad8. Cuando una de estas Smad activadas por receptor (R-Snuul) ha sido fosforilada, se disocia del receptor y se une a Smad4 (llamada co-Smad), la cual puede formar un complejo con cualquiera de las cinco R-Smad. Entonces, el complejo Smad se transloca al núcleo, donde se asocia con otras proteínas reguladoras de la expresión génica y regula la transcripción de genes diana especrficos (Figura 15-69). Dado que las proteínas del núcleo que acompañan la res puesta varían según el tipo celular y el estado de la célula, los genes que resultan afectados son muy variados. Los receptores TGF~ activados y el ligando que se halla unido a ellos son endocitados a través de dos rutas diferentes, una que conduce a la posterior activación y la otra a la inactivación. La ruta de activación depende de vesfculas recubiertas de da trina y conduce a los endoso mas tempranos (se describe en el Cnpftulo 13), donde se produce la activación de la mayorfa de los Smad. Unas proteínas de anclaje denominadas SARA (Snwd anchorfor receptor actillation; anclajes de Smad para la activación del receptor) tienen un importante papel en este proceso; se hallan concentradas en los endoso mas tempranos y se une a receptores TGFP activados y a Smad activados awncntando la eficiencia de la fosforilación de Smad mediada por receptor. La ruta de inactivación depende de las caveolas (se describen en cl Capítulo 13) y conducen a la ubiquitinización del receptor y a su degradación en proteosomas. Algunos miembros de la familia TGF-~ actúan como morfógenos en gradiente durante el desarrollo e inducen diferentes respuestas en una célula en desarrollo en función de la concentración del morfógeno (véase Figura 15-10, y tratado en el Capftulo 22). A menudo sus concentraciones extracclulares efectivas están reguladas por proteínas inhibidoras

CITOSOL Smad2 o Smad3 dominio serina/ treonlna qutnasa LA UNIÓN DE TGF[l A UN RECEPTOR DE TIP0-11 PROVOCA QUE EL RECEPTOR RECLUTE Y FOSFORILE UN RECEPTOR DE TIPO·I

EL RECEPTOR DE TIP0-1 FOSFORILADO RECLUTA Y FOSFORILA SMAD2 O SMAD3 Smad4 SMAD2 o SMAD3 FOSFORILADO SE DISOCIA DEL RECEPTOR Y OLIGOMERIZA CON SMAD4

EL OLIGÓMERO SMAD213-SMAD4 M IGRA AL NÚCLEO, RECLUTA OTRAS PROTE[NAS REGULADORAS DE LA EXPRESIÓN GÉN ICA Y ACTIVA LA TRANSCRIPCIÓN DE GENES DIANA ESPECIFICOS otras proteínas reguladoras de la expresión génica

DNA:;¡¡¡¡;:: ; : : : =_ elemento de respuesta a TGF¡l en el gen diana

+

A gura 15-69 Vla de señalización dependiente de Smad activada porTGF- ~. TGF-13 es un dimero y las Smad al ser fosforlladas se abren y exponen una superficte de dimerlzación. Para simplifica~ han omitido diversas características de la incluyendo las siguientes; (1) Las protefna\ receptoras de tipo-1 y de tipo-Use cree qu son dimeros. (2) Normalmente los receptor tipo-1están acoplados a una proteína ínhlbidora, que se disocia cuando el rece tipo-! es fosforllado por el receptor tipo·ll Parece que cada Smad es un trimero. (4) l. proteina de anclaje denominada SAR, participa en el reclutamiento de Smad2 y Smad3 por el receptor tipo-1activado, principalmente en endosomas, como se explica en el texto.

. .1\LILALIUN

A TRAVB DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS

t:nlas que se tmen directamente a las moléculas señal impidiendo que activen sus re,,., sobre las células diana. Por ejemplo, noggin y clzordm inhiben los BMP y lafollistarllubc las activinas. Algunos de estos inhibidores, así como la mayorfa de los miembros r.unilia de TGFP son secretados como precursores inactivos y son activados por rotura -...l'1,1llica extracelular. l>urante la respuesta de señalización, los Smad viajan continuameme entre el cito\' el núcleo: son desfosforilados en el núcleo y se exportan al citoplasma donde puer refosforilados por receptores activados. De esta forma, el efecto ejercido sobre los diana refleja tanto la concentración de la señal ex:tracclular como el tiempo durante t•,ta señal continúa actuando sobre los receptores de superficie celular (a menudo, hu ras). Las células expuestas a un morfógeno, a una elevada concentración o duran1m tiempo, activarán un conjunto de genes mientras que las células q ue reciben una concentración o durante exposiciones más transitorias. activarán otro conjunto de "'como pasa con la vía JAK-STA r, la vía Smad también se regula por lo general mert•troalimcntación negativa. Entre los genes diana activados por los complejos Smad tlt'ntran aquellos que codifican las Smarl inl1ibirloms, que incluyen Smad6 y Smad7. (y posiblemente también Smad6) se unen al receptor activado inhibiendo su capacirc• Wl'la.lización al menos de tres maneras: (1 l compilen con los R-Smad por los sitios de 'nbre el receptor, disminuyendo la fosforilación de R-Smad; (2) reclutan una ubiquiK<~'ia llamada Smurfque ubiquitiniza el receptor, produciendo la internalización del or y su degradación (este fenómeno es debido a que Smurf también ubiquitiniza y esla degradación de los Smad, que se denominan facwres reguladores de lll ubiquitini, de los Smad o Smurf: Smad ubiquitylation regulatory factors); y (3) reclutan una fosfata<;a que desfosforila, e inactiva, al receptor. Además, los Smad inhibidores se la co-Smad, Smad4, inhibiéndola e impidiendo que se una a los R-Smad y facilitan uhiquitinización y degradación. ¡wsar de que los receptores serinaltreonina quinasa actúan sobre todo a través de la 1.1tl que acabamos de describir, también pueden afectar otras vías de señalización inular. A la inversa, algunas protemas señalizadoras de otras vfas pueden fosfori lar las afectando asf la sei'lalización a lo largo de la vía de los Smad.

proteínas serina/treonina quinasa y las proteínas tirosina ....":~~e::~~ están relacionadas estructuralmente la' vías de sei'lali7.ación acnvadas por receptores GPCR y receptores acoplados a cnz•uatados dependen de proteínas quinasa especflicas de serina o treonina, de proteínas quinasa o de ambas. Estas quinasas están relacionadas estructuralmente como se en la Figura 15-70. t•xtraordinaria complejidad de múltiples vías reguladoras que se regulan de forma y los circuitos de retroalimentación no es un embrollo casual sino un sistelh evolucionado para el procesamiento y la interpretación de una gran cantidad de que reciben las células animales. Ln su conjun to, la red de control molecular que lt•los receptores de la superficie celular hasta los genes en el núcleo se puede com n uno de los componen tes de un ordenador; y, como o tro de los componentes. el cepresenta uno de los problemas más difíciles de la biología. Podemos identificar los -·Mmentes y descubrir cómo trabajan individualmente y entender de qué forma Irapequeños subconjuntos de componentes como módulos reguladores. Pero e ntenmo funciona el sistema en conjunto, como un todo, resulta una tarea mucho más Y ello no sólo debido a la complejidad del sistema sino también porque la manera IJUe trabaja depende de una gran cantidad de detalles de las interacciones molecu ~. para el caso de la mayoría de las células animales, sólo disponemos de pequeiias llll"'kJades de información sobre el sistema. 'n las células bacterianas, las vías de señalización son más sencillas y resulta más fácil infom1ación cuantitativa de forma precisa. Por tanto, resulta posible obtener una detallada sobre cómo funciona un sistema de señalización completo, al menos para de una determinada bacteria y las señales que lo controlan. A continua. anali7.ará un ejemplo en el que la bacteria responde a señales del entorno transmitítravés de receptores acoplados a enzimas que, de nuevo, son quinasas, pero de un tipo l.1cionado con las descritas hasta ahora.

941

942

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular NH2

NH2

NH2 NH2

J

.:'

100 aminoácidos

"'3~~

~

tl

~.S ¡..§

l) ·';j

e

~!l.

~~

S" ()o~ HOOC

MEMBRANA PLASMÁTICA

....(!;

v

~ff

~

~p

Q,.s

ff:.

}?

~a

.f

~ q;~

·S

~

~.¡-

~

Jt=

~~

~:S . ~~

J.f íJ

1 ·S

¡¡;~

~

<t

~

~

'<¡'

~

e ~ NH2

COOH NH2

CITOSOL

NH2

1 1 COOH COOH

receptor

receptor

NH2

NH2

NH2

1L

1

HOOC COOH

receptor de Insulina

N Hz

COOH

COOH

COOH

Src

POGF

1

EGF

1

COOH COOH

COOH

COOH

JAK TIROSINA QUINASA

SERINAITREONINA QUINASA

La quimiotaxis bacteriana depende de una vía de señalización de dos componentes activada por receptores asociados a histidina quinasa Como hemos indicado, muchos de los mecani!:tmos que participan en la señalización qufmica emre células en los animales pluricelulares han evolucionado a partir de mecanismos utilizados por organismos unicelulares para responder a cambios qu(rnico~ de su entorno. De hecho, ambos tipos de organismos utilizan algunos mediadores intracelulares comunes. como los nucleótidos cíclicos y el ea 2+. Entre las reacciones mejor estudiadas de los organismos unicelulares frente a señales extracelulares, se encuentran las respuesws quimiotáctims, en las cuales el desplazamiento celular se dirige hacia o escapa de una fu eme de algún compuesto quúnico del medio. Concluimos esta sección sobre los receptores acoplados a enzimas con una breve descripción de la qulmiotaxis bacteriana, que depende de una vía de senal.ización de dos componentes, que proporciona un ejemplo particularmente bien estudiado sobre el papel crucial de la adaptación en respuesta a sei1ales qufmicas. La respuesta quimiotáctica está mediada por receptores asociados a histldinas quin asa que activan una u(a de señali.zación de dos compone11tes que también es utilizada por levaduras y por las plantas, aunque aparentemente no por los animales. Las bacterias móviles como E. coli tienen que nadar hacia los lugares donde haya elevadas co ncentraciones de nutrientes (atrayentes), como azúcares, aminoácidos y pequeiios péptidos. y alejarse de lugares donde haya elevadas concentraciones de productos quúnicos nocivos (repelentes). Las bacterias nadan gracias a los nagelos, cnrrc cuarro y seis, cada uno

Figura 15-70 Algunas de las protelnas quinasa descritas en este capitulo. Se muestra el tamario y la localizaciÓn de sus dominios catallticos (en verde oscuro) En cada caso, el dominio catalitico está formado por unos 250 residuos de aminoácidos. Todos estos dominios tienen una secuencia similar, lo que sugiere que todos ellos han evolucionado a partir de uN qulnasa primordial común (véase también la Rgura 3- 66). Obsérvese que todas las tirosinas quinasa mostradas se hallan unid41 a la membrana plasmática (las JAK están unidas por su asociación con los receptord de citoquinas; véase la Figura 15-68), mientras que la mayoría de las serinas/treoninas quinasa se hallan en el citosol.

MV\LILMuv•~ A TRAVtS DE RECEPTORES DE SUPERFICIECELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS

943

codo

filamento flagelar

(B)

___. 25 nm

27nm

estativo

w

rotor

cuales está unido por su base. gracias a un cono codo flexible, a un pequei1o dísco ·n localizado en la membrana de la bacteria. Este disco forma parte de un diminuto que utiliza la energía almacenada e n e l gradiente transmembrana de 11• para girar rá.....,nll'nte y mover el flagelo helicoidal (Figura 15-71). Dado que los flagelos de la superfi~~·wriana tienen una "orientación" intrfn~cca, diferentes di recciones de rotación tienen .., distintos sobre el movimiento. Los flagelos están casi siempre rotando en sentido al de las agujas del reloj lo que hace que los flagelos se unan formando un haz. con e• la bacteria nada de fom1a tmiforme en una dirección. En ausencia de estfmulos am........ l ..c segundo a segundo uno o más de uno de los motores cambia de forma transitoria de giro, de forma que el flagelo que está unido rompe el haz con lo que la bactemueve de forma caótica sin desplazarse hacia delante (l'igura 15-72). Esta sec.:uencia -•t1n• un patrón caracterfstico de movimiento en el que la natac1ón suave en linea recta se ,, con cambiOs bruscos de dirección al azar. hte patrón normal de natación de la bacteria se modifica por atrayentes o por rcpelenuirniotácticos, los cuales se unen a proteínas receptoras especfficas afectando la freía de cambios d e dirección, incrementando o disminuyendo la duración de los ~·alos de tiempo entre los can1bios sucesivos de dirección de giro de los flagelos. Cuanhacterias están nadando en una dirección favorable (hacia concentraciones elevadas 1 .ltrayente o huyendo de concentr.tciones elevadas de un repelente ), cambian de dimenos frecuentemente que cuando están nadando en una dirección desfavorable (o no existe ningün gradiente) . Dado que los periodos de natación suave son más larruando la bacteria se desplaza en una dirección favorable, gradualmente progresará en dirección, ya sea hacia un atrayente o apanándose de un repelente. htas respuestas están mediadas por receptores quimiotáctlcos asociados a histidinas p1R!-a, que típicamente son protefnas transmembrana diméncas que unen atrayentes y J-...a~ntes espedñcos en el exterior de la membrana plasmática. Los dominios citosól.icos de receptores están asociados de manera estable a una histidina quinasa CheA (Ciremoquimiotaxis) a través de una proteína adaptadora C/1eW (rigura 15-73). La unión de ITllCiente a un receptor químiotáctico incrementa la actividad del receptor, mientras que lltin de un atrayente la inactiva. Un mismo receptor puede unir ambos tipos de molécuHil consecuencias opuestas. La unión de un repelente al receptor activa CheA , la cual se en un residuo histidina y casi irm1ediatamente transfiere el grupo fosforilo a un de aspartato en la proteína reguladora de la respuesta C/1eY. La proteína C/leYfosfo.,e disocia del receptor, difunde a través del citosol, se une al motor flagelar y genera rutación del motor en el sentido de las agujas del reloj, de modo que la bacteria se des.. de forma caótica. CheY tiene actividad fosfatasa intrínseca, con lo que se dcsfosforila a '"rna. en un proceso que la protefna C/leZacelera en gran medida (Figura 15-73).

Figura 15- 71 Motor del flagelo bacteriano. (A) Dibujo esquem~tico de la estructura. El flagelo est~ unido a un codo flex1bie. El codo est~ unido a varios anillos de protelnas (mostrados en naranja) que se hallan integrados en las membranas exterior e interna (plasmática). Los anillos forman un rotor, que g1ra con el flagelo cerca de 100 revoluciones por segundo. La rotación está dirigida por un flujo de protones a través de un anillo extenor de protelnas, el estativo (azun, que está embebido en el Interior de la membrana y anclado a la capa de peplldoglucano. El estativo tamb1én contiene las proteínas responsables de cambiar el sentido de giro. (8) Motor del flagelo reconstruido a partir de muchas imágenes de microscopio electrónico. (A, basado en datos de T. Kubori et al. J. Mol. Biol. 226:433-446,1992, con la autonzación de Academic Press, y N R. Francls et al., Proc Na ti Acad. Se/. U.S.A. 89:6304-ó308, 1992, con la autorización de National Academy ofSciences; 8, de D.Thomas, D.G. Morgan y DJ. DeRosier, J. Bacteria/ 183:6404-6412, 2001. Con la autorización de American Soclety for Microbiology.)

:a------~--~~ = =

~ ---

(A)

,-e=>

=

~

-

)

MOVIMIENTO CAÓTICO

(8)

Figura 15- 72 Posiciones de los flagelos de E. coli durante la natación. (A) Cuando los flagelos giran en sentido opuesto al de las agujas del reloj (mirando hacia adentro de la célula desde el flagelo) quedan unidos en un solo haz que actúa como una hélice, dando lugar a una natación suave. (8) Cuando uno o más motores invierten el sentido de su movimiento, los flagelos a los que están unidos se separan del haz provocando un movimiento caótico de la bacteria.

944

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

La metilación del receptor es la responsable de la adaptación

repelente

receptor de quimiotaxis

en la quimiotaxis bacteriana El cambio en la frecuencia de desplazamientos caóticos en respuesta a un incremento en la concentración de un alrayente o de un repelente ocurre en menos de un segundo pero es sólo transitoria. Aunque se mantenga un alto nivel de Ligando, en cuestión de min utos la bacteria se (lflapta (desensibiliza) aJ estímulo aumentado. La adaptación es una parte crucial de la respuesta, ya que le permite a la bacteria comparar su ambiente actual con el ambiente de su pasado reciente y, por tanto, responder a cambios de concentración de Ligando en lugar de responder a sus niveles estacionarios. I.a adaptación está mediada por la metilación covalente (catali7.ada por una metil transferasa) o por la desmetilación (ca tal izada por w1a metilasa) de los receptores quimiotácticos, que cambian su respuesta a la unión de Ligando como consecuencia de su modificación covalente. Cuando un atrayente se une por ejemplo a un receptor quimiotáctico ejerce dos efectos: ( 1) disminuye la capacidad del receptor de activar ChcA resultando una disminución de la velocidad de movimientos caóticos. (2) Altera lentan1ente (durante minutos) el receptor, de forma que ahora puede ser metilado por la metil rransferasa, lo cual le hace recuperar su capacidad de activar CheA. Asf, el receptor no mctilado sin túngún ligando unido tiene la misma actividad que el receptor metilado con un ligando w1ido por lo que la frecuencia de movimientos caóticos es la misma en ambos casos. Cada dímero de receptor tiene ocho lugares de metilación; el número de lugares metilados aumenta cuando se incrementa la concentración del atrayente (ya que cuanto mayor es la concentración, más tiempo se mantiene el receptor unido a su ligando). Cuando se elimina el atrayente, la metilasa dcsmetila el receptor. A pesar de que la metilación del receptor can1bia durante una respuesta quinliotáctica, permanece constante núentras la bacteria se adapta, ya que se consigue un equilibrio exacto entre las velocidades de metilación y u~:: desmetilación. Un modelo sencillo sobre cómo pueden actuar la wúón del ligando y la metilación sobre la quinliotaxis bacteriana propone que tanto la metilación del receptor como la unión al repelente empaquetan las subunidades que forman el receptor y Las proteínas de señalización asociadas, incrementando asf la senalización y los movimientos caóticos; por el contrario, la desmetilación del receptor y la unión al arrayente relajan la estructura del complejo disminuyendo asf la seüalización y los movimientos caóticos. Parece que la sensibilidad de esta respuesta se incrementa por efectos cooperativos que se producen por la reunión de las colas citoplasmáticas de receptores adyacentes en la membrana (Figura 15-74). Todos los genes y todas las protefnas que participan en la quimiotaxis bacteriana se han identificado y se han medido sus interacciones. Por eUo, parece que será el primer sistema de señalización celular que será comprendido por completo en ténninos moleculares. Sin embargo, aunque es un proceso de señalización bastante sencillo, se necesitarán simulaciones informáticas para comprender de qué forma actúa el proceso de ~eñalización como una red integrada. Las vías de señalización proporcionarán un área de investigación especialmente rica para nuevas generaciones de biólogos inrormáticos, ya que las propiedades de estas vfas no podrán entenderse sin potentes herramientas infom1áticas. Como hemos mencionado, existen algunos receptores de superficie celular que no encajan en ninguna de las tres clases principales tratadas: acoplados a canales iónicos. a proteínas G y a enzimas. En la siguiente sección, se consideran los receptores de superficie celular que activan vfas de señalización dependientes de proteolisis para regular la actividad de proteínas latentes de regulación génica. Estas vías desempeñan un papel importanre en los procesos que determinan el desarrollo anima l y en la renovación y la reparación de los tejidos.

Resumen Existen uaria.s clases de receptores acoplados a enzimas, incluyendo los receptores lirosina quina.sa (RTK), los ll!Ceptores asociados a rirosina quinasa, los receptores serinaltreorzina quinasay los receptores asociados a llistirlifUI quinasa. Los dos primeros tipos de receptores son, con diferencia, los más numerosos en mamiferos. La unwn de/ligando a RTK induce a los receptores a /afosfariillCión cruzada en varios residuos tirosina. de SLIS dominios ciwplasmáticos. Esta rransamofosforilllCión actiua las quinasns y produce un conjunto de fosfotirosinas que acttian como lugar de unión para un conjunto de protefnas de seiialización intracelulares, las cuales se unen mediante dominios SH2 (o PTB). Una de estas protelnas

P-

CheA

A'J P-

P,

CheY

"'''''·'

_1_

CheY

Che

1

MOVIMIENTO CAÓTICO

Figura 15-73 vra de señalización de dos componentes que permite a los receptoreJ quimiotáctlcos controlar el motor del flagelo durante la quimiotaxis bacteriana La histidina qu1nasa CheA está unida de forma estable al receptor mediante la protefna adaptadora CheW. Todos los receptores y sus proteínas asociadas están agrupados en un extremo de la célula (véa la Figura 15-74) La unión de un repelente incrementa la aCtividad del receptor, que estimula as1 a CheA a que se autofosforile sobre una histidina. Rápidamente CheA transfiere el grupo fosfato que tiene unido forma covalente a través de un enlace de al energía, directamente al regulador de respuesta Che Y generando Che Y-fosfato, q se une al motor del flagelo haciéndolo g1nu en el sentido de las agujas del reloj, lo cual hace que la bacteria entre en un mov1mien caótico, con constantes cambios de sentido La unión de un atrayente tiene los efectos contrarios: disminuye la actividad del receptor con lo que produce una disminución del grado de fosforilación de CheA y de CheY, lo cual hace que el motor flagelar gire en sentido opuesto al de las agujas del reloj y, por lo tanto, que la bact nade con un movimiento suave y continuo. CheZ acelera la desfosforllación de CheY-fosfato y lo Inactiva. Cada uno de est intermediarios fosforilados se desfosforila con una vida media de segundos, lo quE. lo perm1te a la bacteria responder de una for muy rápida a cambios de su entorno (véase Figura 15-11 ).

'ALIZACIÓN A TRAV~S DE RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR ACOPLADOS A ENZIMAS

,

igan~~ .. •• _. ~, .. , _~~ido ..

,

. ...

1 1 11

'

11

1

1'

.''

\

'

1

e...

1

''

' ''

.

'

''

.. ..... . .. .'' .. .''' ' '

945

'' '

' '

...'.' . . "· --: !": ,--·"' ....''.'

' '

1::' ·---"

'

''

-·"· --, ,.,

1

''

..·-·,.,..'

....'.' '

.·-'.· t '" l

'

1' 1.

membrana plasmática

CITOSOL

re<eptor de qurmiotaxis receptor de quimiotaxis

CheW

'

CheW

___J

(B)

.1/iuu:ión acuJa de adt1ptador acoplmulo algunos receptores actit'f1tlos a Ras-EGF (Sos). que ace, TPw;a Ras monomérica. A su LI('Z, Ras actit'f1 al módulo de se1ialización de la MAP-quinasa ,·omponentes, que transmite la seiíal al micleo al fosforílflrallf t'f1rias protefnas reguladoras de ···stón génica. Otra importante protefna de se11alizoción que puede unirse a RTKartitl(ldoses la 1111nasa, quefosforila especfjicamente fosfoinositoles y produce lugares lipídícos de unión en/a twma plasmólira pnm protefnas sef1alizadorascon dominios PI/, lnclu)'tmdo lt1 serinaltreonina •111 quinasaAA:t (PKB) que tiene 1111 papel clm'een el coruro/ de la supen•iL't!ncia y el crecimienAaws. Muchas clases de IT!Ceptofl!.~. incluyendo alg11nos RfK, actillflll GTPasns monomérícas de 11/ia Rho, queacopltm funcionalmente los receptores al citoesqueleto. !m receptores a.~ociados a rirosinas quina.sa dependen para su acción de varias tirosinas qui' roplasmáticas. Estas quinastts incluyen miembros de la familia Src, que se asocian a muchos , lo! receptores, y la quina.sa de adhesión focal (FA)(), que se a.mcia altlS imegrinas en las adlleJócales. Las tirosinas quinasa citoplasmdticas fosforilan una gran uarieda.d df' protelnas de ución que trallSmiten la seiifll corrieme abajo. La familia de receptores más amplia de esta • , La familia de receptores de citoquinas. Cuando se estimulan por lt1unión de/ligando, estos (}res acrivan tirosinas quinasa citoplasmáticas JAK. que fosforilan las STAT. F.monces las STAT •-'tl/1, se translocana/nlicleo y activan/a transcripción de determina.dos geues, Los receptores l't"'Onirw quinasa, que setiClil'an por prorelnas sef1alizadora.~ de lasuper[amilia de TGF{J. acJ.• fonna similar: directamentefosforilan yactiL'f1n algunas Sma.d, queemonces oligomerizan m Srnad, se transloctm al míc/eo y actimn la transcripción génica. a quimiotaxis bacteriana está regula.da por 11/W uta de señalización que se conoce excepcionte bien. Está gobemada por receptores de quimiouu:is asocúulos a lliscidinas quinasa, que 111 1111a 11fn de sefwlización de dos componemes. Cuando se activan por un repelente, los recep,¡,. quimiotaxis estimulan su histidina quinasa asociada a autofosforilarse en histidina y a /o'rir el grupo fosforito a una proteína reguladora de respuesta, que transmite la señal a 1111 mo~~elar modificando el comportamiemo nauaorio de la bacteria. Los atrayemes causan el efecu•sro en esta quinasa y. por tanto, en la natación. Esras respuestas dependPn de forma cntcial rrlapración del recepror; que está mediada por metilación reversible del receptor. 1

L__

_j

Snm

Figura 15- 74 Modelo estructural de fa asociación de receptores de qulmiotaxis en la membrana plasmática de la bacteria. Se muestran dos receptores asociados entre sr. Cada uno de ellos es un homodfmero y la larga cola citoplasmática de hélice <X de cada una de las dos subunidades se pliega de nuevo sobre sr misma. Asl, cada subunidad contribuye con dos hélices al haz de cuatro hélices. Las distancias entre los dominios proteicos, detenninadas por una célula conocida mediante resonancia de esprn electrónico pulsátil, se han integrado con la estructura tridimensional conocida de las protefnas generando el modelo que se muestra. La agrupación de los complejos receptor-CheA-CheW en series de este tipo permite interacciones de cooperatividad entre complejos adyacentes, Incrementando en gran medida la sensibilidad del proceso de señalización. (A) Vista de la estructura situada justo por debajo de la membrana plasmática de la bacteria. El dominio extracelular del receptor se representa de forma esquemática. (B) Vista de esta misma estructura mirando desde la membrana plasmática hacia el interior (Adaptado de S.Y. Park et al., Nat. Struct. Biol. 13:400-407, 2006. Con la autorización de Macmillan Publishers Ltd.)

946

Capitulo 1S: Mecanismos de comunicación celular

VÍAS DE SEÑALIZACIÓN DEPENDIENTES DE PROTEOLISIS REGULADA POR PROTEÍNAS LATENTES REGULADORAS DE GENES La necesidad de sefiali7.ación emre células e!> muy importante en el desarrollo animal. Cada célula del embrión debe ser guiada a Jo largo de una u otra vía de de!>arrollo según su historia, su poc;jción y las caracte rf~ticas de ~us células vecinas. En cada paso de la vía, la célula uene que intercambiar señales con sus vecinas para coordinar su comportamiento con ellas, asegurando que sea correcto tamo el numero como el patrón de los diferemes tipos celul are~ en cada tejido u ó rgano. J.a mayoría de las vías de sei'tali;r.ación que hemos descrito se utilizan de forma amplia durante estos procesos de desarrollo, controlando la supervivencia celular, su crecimiento, proliferación, adhesión, especificación, diferencia ción y migración. Sin embargo, tamb1én existen OLr.IS vras de senalización que son como mínimo tan importantes como éstas en el comrol de los procesos de desarrollo, pero que transmiten las se1íales en tre lo'> recepto re~ de superficie celular y el inwrior de la célula de maneras diferen te~. Algunas de es ras v1as dependen de proteolisi:; regulada para controlar la actividad y la localización de protetnas /atentt•s reguladora~ de la expresión génica, que entran en el nucleo y acllvan la tmnscnpc1ón de tlett•rminados genes diana sólo después de haber s1do ac tivada'> por una sefial. A pesar de que las prote1nas STAT y Srnad, tratadas antes, también son protema'> latentes regulador.~., de genes, se activan por fosforilación en respuesta a señales extracelulares y no por degradación proteica selectiva. La~ vías de señaliz.ación que utilizan proteínas latente'> de la expresión génica proporcionan, como función principal. una vm lineal relativamente directa a través de la cual las ~eña l es extracelularc.., controlan la expresión génica; esta es la causa por la que probablemente se utilizan tanto durante el desarrollo y en especial para controlar las decisiones del destino de las células. A pesar de que la mayorla de las vías que se analizan en esta sección fueron descubiertas en estudios genéticos en Drosophila. se han conservado durante la evolución, y. por tan to, se utilizan habitualmente durante el desarrolJo animal. Como se expone en el Capftulo 23, tamb1én resultan cruciales en muchos procesos de desarrollo que continúan en lo'> tejidos y en los órganos de los animales adultos. En esta S('Ccíón describiremos cuatro de estas vías de señalización· la medjada por la proteína receptora Notcl1,la activada por proteínas secretadas Wm, la activada por proteína-. secretadas 1/edgelwg. y la que depende de la activación de la proteína latente reguladora de gene-; Nl·~o.·B. rodas estas vías desempef'lan papeles cruciales en el desarrollo animal. Ln el Capitulo 22 se describe con detalle el papel central de 1\otch, Wnt y Hcdgehog en la sellalit.ación del desarrollo animal.

La proteína receptora Notch es una proteína latente reguladora de genes La wñalización a través de la proteína receptora Notch puede ser la vía de seiiali7.aCIÓn más utilizada a lo largo del deo;arrollo animal. Como se expone en el Capítulo 22, desempeña un papel general comrolando la elección del destino celular y regulando los patrones de forma ción durante el desarrollo de la mayor parte de tejidos, así como en la renovación continua de tejidos como es el caso de la pared interna del intestino. Sin embargo, es más conocida por su papel en la producción de células nerviosas en Drosoph i/(1, que por lo general aparecen como células individuales aisladas dentro de una capa epitelial de células precursoras. Durante este proceso. cuando una célula precursora se compromete a transformarse en una célula nerviosa, señaliza a SU!> vecinas más cercanas a que no hagan lo mismo; las células inhibidas se desarrolJan corno células epiteliales. Este proceso, conocido como inllibiciónlateml, depende de un mecanismo de sei1a1iz.ación dependiente de contacto que está activado por una protefna seiíaltransmembrana de paso único l.lamada Delta, que se presenta en la supe rficie de la futura célula nerviosa. Uniéndose a la proteína receptora Notch de una célula vecina, Delta le indica que no se transforme en célula nerviosa (1igura 15-75). Cuando este proceso de señalización es defectuoso. las células vecinas de las células nerviosas también :.e desarrollan como células nerviosas y producen un exceso enorme de neuronas a expensas de las células epiteliales. lo cual es letal.

DE SEÑALIZACIÓN DEPENDIENTES DE PROTEOLISIS REGULADA POR PROTEINAS

protefna receptora (Notch}

células epiteliales no especificadas 1 .1 ~eñalización

célula nerviosa desarrollada a partir de una célula epitelial

célula epitelial inhibida

entre células adyacentes vía Notch y Delta (o de ligandos parecidos a regula la elección de destino celular en muchos tejidos de muchas especies de ani·\ menudo media la inhibición lateral controlando la formación de mezclas de tipos ttl'S diferenciados en un tejido, como en el sistema nervioso de la mosca. Pero en otros fac ilita, en lugar de inhibir, un destino celular determinado y dirige a las células veci~¡ue se comporten de modo similar. Es difícil encontrar algún comportamiento de dellu celular que no esté regulado por Notch en uno u otro tejido. t-.utch es una prote(na con un solo dominio transmembrana que para poder actuar re,. un procesamiento proteolftico. Actúa como una protefna latente reguladora de geproporciona la vfa de seiiali7.ación más sencilla y directa de las conocidas que va desde • ~·ptor asociado a la membrana plasmática hasta el núcleo. Cuando se activa por la 1 de Delta de otra célula, una proteasa unida a la membrana plasmática corta la cola cirnática de Notch, el rragmento liberado se transloca al núcleo y activa la transcripción ~otrupo de genes de respuesta a Notch. El fragmento de la cola Notch actúa uniéndose 1 protefna de unión a DNA transformándola de represora transcripcional a activadora • ripcional. Las vfas de señalización de Wnt y de rledgehog utilizan esta misma estratell.tra regular el destino celular mediante el cambio de un represor de la transcripción formándolo en activador de la transcripción. El conjunto de genes regulados por la seu·¡ón de Notch varfa dependiendo del tejido y de las circunstancias, a pesar de que en I'Orfa de las células las dianas primarias son miembros de una ramilia génica conocida lt.tmfferos) como genes /les, los cuales codifican protefnas inhibidoras de la regulación r·xpresión génica. Por ejemplo, en el sistema nervioso los productos de los genes Hes ¡•ll'itn la expresión de genes necesarios para la diferenciación neuronal. 1J receptor Notch sufre tres cortes proteolfticos sucesivos, pero sólo los dos últimos de1'1\ de la tmión de Delta. Como parte de su proceso de biosfntesis normal, es cortado en ttplejo de Golgi formando un heterodfmero que entonces es transportado a la superfilular como un receptor maduro. La unión de Delta a Notch induce un segundo corte en •ni nio extracelular,mcdiado por una proteasa extracelular diferente. El corte final se da :u ida liberando la cola citoplasmática del receptor activado (Figura lS--76). A diferenla mayorfa de receptores, la activación de Notch es irreversible; una vez activado por la n tle w1 ligando, la proteína ya no se puede volver a utilizar. El corte final de la cola de Notch sucede justo en el segmento transmembrana y está :ulo por un complejo proteasa denominado f"Secrerasa, que también es responsable rotura intramembranar de otras proteínas. Una de sus subunidades esenciales es la ••ilina, denominada así porque las mutaciones en el gen que la codifica son causa fre,,. de la aparición prematura de la enfermedad familiar deAizheimer, tma forma de de'" prcsenil. Parece que el complejo proteasa contribuye a ésta y a otras formas de la nwdad de Alzhcimer generando fragmenros pepúdicos a partir de w1a proteína neuromsmembrana; estos fragmentos se acumulan en cantidades excesivas y forman agre" tlc pro teínas mal plegadas denominadas placas arniloides que pueden dañar las 1' nerviosas y contribuir a su degeneración y pérdida. l.mto Notch como Delta son glucoprotefnas y su interacción está regulada por la gluco<'111 de Notch. Lafamilill Fringe de glucosil-transferasas, en particular, añade azúcares 1 .11 oligosacárido unido por O (se describe en el Capítulo 13) a Notch, el cual modifica la • •licidad de Notch por sus ligandos. Este hecho constituye el primer ejemplo de modu' de una seiialización ligando-receptor por glucosilación diferencial del receptor. 1·

947

Figura 15-75 Inhibición lateral mediada por Notch y Delta durante el desarrollo de una célula nerviosa en Drosophila. Cuando en el epitelio hay células que empiezan a desarrollarse como células neuronales, éstas señalan a sus vecinas que no deben hacer lo mismo. Esta selializaclón, dependiente de contacto de tipo inhibldor, está mediada por el ligando Delta, que aparece en la superficie de la futura célula nerviosa y que se une a protefnas receptoras de Notch de las células vecinas. En muchos tejidos, las células de un conjunto expresan Inicialmente Delta y Notch. Se produce una competencia, de la que emerge una célula ganadora, que expresa Delta fuertemente e inhibe a las células vecinas para que no hagan lo mismo (véase la Figura 22-60}. En otros casos, hay otros factores adicionales que Interaccionan con Delta y Notch, haciendo más susceptibles a la inhibición lateral a algunas células mientras que a otras las hacen insensibles.

948

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

--e t.- r . l

membrana plasmática de la célula señallzadora

Notch

\

. .Í

·'

:

CITOSOL

• 1 ·'

1

Delta -

36 dominios tipo EGF

1

1

CORTE EN EL SITIO 1 EN ELGOLGI

TRANSPORTE A LA MEMBRANA PLASMÁTICA

UNIÓN A DELTA, ENDOCITOSIS DEL COMPLEJO DELTAFRAGMENTO DE NOTCH Y CORTE EN EL SITIO 2

membrana plasm~tica de la célula diana

CORTE EN EL SITIO 3

COLA DE NOTCH QUE MIGRA AL NÚCLEO

~~» ~~ COMPLEJO PROTEICO QUE CONTIENE LA COLA NOTCH Y ACTIVA LA TRANSCRIPCIÓN Protelna _ Rbpsuh

_. . _

otras protelnas reguladoras de la expresión génica

DNA

+ elemento de respuesta a Notch en el gen diana

TRANSCRIPCIÓN DE LOS GENES DIANA DE NOTCH

Las proteínas Wnt se unen a los receptores Frizzled e inhiben la degradación de la ~catenina Las pro tefn as Wnt son moléculas señali7..adoras de secreción que actúan como mediadores locales y como morfógenos, controlando diversos aspectos del desarrollo de todos aquellos animales en los que se ha estudiado. Se descubrieron de manera independienre en moscas y en ratones: en Drosophila, el gen Wingless (Wg) se descubrió originariamente por su papel como morfógeno en el desarrollo del ala (se trata en el Capfrulo 22), mientras que en ratón, el gen lml se encontró porque estimula el desarrollo de tumores de mama cuando se activa por la integración de un virus en una zona próxima a él. Ambos genes codifican proteínas WnL. Las proteú1as Wnt son proteínas de secreción especiales ya que están unidas covalentemente en su N-terminal a una cadena de ácido graso, lo cual incrementa su unión a las superficies celulares. En humanos hay 19 proteínas Wnt, cada una de las cuales tiene funciones diferentes aunque a veces se solapan. Las proteínas Wnt pueden activar al menos tres tipos de vfas de señalización intracelular: (1) la vEa de Wntlf3-catenina (también conocida como la vfa canónictl de W11t), que se centra en la proteína latente reguladora de la expresión génica, la {3-catenina; (2) la v[a de polaridad plana que coordina la polarización de las células en el plano de un epitelio en desarrollo (se describe en los Capítulos 19 y 22) y depende de Glllasas de la familia Rho, y (3) La vía Wnt!Ca2+ que genera un incremento del Ca2+ intracelular, con las consecuencias que hemos descrito antes para el caso de otras vías. Las tres vías empiezan con la unión de proteínas Wnt a receptores de superficie de la familia de Frizzled , proteínas de siete dominios

Figura 15-76 Procesam iento y activación d e Notch por rotura prot eoHtica. Las flechot rojas numeradas indican los sitios donde se efectúa el corte proteolltlco. El primer paso del procesamiento proteolltico ocurre en el uans Golgi generando la forma madura heterodimérica del receptor Norch que después estará presente en la superficie celular. La unión de Delta, que se encuentra en una célula vecina, desencadena los dos pasos proteolftlcos siguientes: el complejo de delta con la subunidad Notch a la que está unido, es endocitado por la célula qUt' expresa Delta, exponiendo el sitio de la rotura extracelular en la subunidad Notch transmembrana. Obsérvese que Notch y Delta interaccionan a través de sus domint<X repetidos tipo EGF. La cola liberada de Notch migra al núcleo donde se une a la protelna Rb psuh y la transforma de represora a activadora de la transcripción.

DE SEÑALIZACIÓN DEPENDIENTES DE PROTEOUSISREGULADA POR PROTEINAS

949

Ht·mbrana cuya estructura es parecida a la de los GPCR. En humanos hay siete de estos tu res. Cuando se activan por la w1ión de Wnt, las proteínas Frizzled reclutan la proteí-

m.lzón DlsheveUed que es necesaria para transmitir la señal corriente abajo de las tres 'eñalización. La exposición se cenuará en la primera vfa. 1 vía Wntl~catenlna actúa regulando la proteolisis de la proteína multifuncional denoJk:atenina (o Armtuiillo en moscas). La ~-catenina actúa en la adhesión célula-célula 1.1 en el Capítulo 19) y en la regulación de la expresión génica. En esta vfa (pero no en las \'l.ls de Wnt) Wm actúa uniéndose tanto a la proteína Frizzled como a una proteína conora que está relacionada con la proteína receptora de las Lipoproteínas de baja densidad -.e• describe en el Capftulo 13) por lo que se le denomina protefna receptora relaclonaf'l receptor de lDL (LRP: WL-receptor-rr>lau>eL protein). En las células epiteliales lamarll• de la ~-catenina de la célula está localizada en las w1iones adherentes célula-célula ..._.encuentra asociada a proteínas transmembrana de adhesión denominadas ctullleri,. ~n proteínas transmembrana de adhesión célula-célula. Como se indica en el Capí'l. t•n estas uniones la ~- catenina ayuda a unir las cadherinas al citoesqueleto de actina. ('11 la'l células epiteliales como también en las no epiteliales la P-catenina que no está d01 a cadherinas es degradada rápidamente en el citoplasma. degradación de la P-catenina citoplasmática depende de llll gran complejo proteico .,,tfación que se une a P-catenina y la mantiene fuera del núcleo facilitando su degraIJ complejo comiene al menos otras cuatro pro ternas: una serina/treonina quinasa mada caselna quinnsa 1 (CKJ : casei11 ki11ase J) que fosforila la proteína P-catenina en nna, marcándola así para su posterior fosforilación por otra serina/treonina quidcnomi.nada glucógeno si11tasa quinasn 3 (GSK3: glicoge11 syntllase kinase 3); esta fosh\n final marca la proteínas para su ubiquitinización y rápida degradación en los Dos proteína de armazón Uamadas axina y coli poliposis adenomatosa (APC: -..o11u1tous polyposis ro/t) mantienen unido el complejo proteico (Hgurd 15-77A). La pro Al'(: se denominada asf porque el gen que la codifica se encuentra mutado con frecn un tumor benigno (adenoma) de colon. El tumor se proyecta hacia el lumen un pólipo y, con el tiempo, puede convertirse en maligno -esta proteína APC no debe ~fundirse con el complejo activador de la anafase (APC: mwpiUISe p romoting complex) , k-.t·mpeña un papel central en la degradación selectiva de proteínas durante el ciclo ce\·c·ase la Figura l7- 20A.

SIN SEÑAL Wnt

(B)

CON SEÑAL Wnt

LRP

Wnt

D1shevelled activada

D1shevelled inact1va CK1 activa

Jkatenina ' \ inestable LA ~-CATEN I NA FOSFORILADA ES UBIQUITINIZADA Y DEGRADADA IN PROTEOSOMAS

t~

...

•..,1,

Jkatemna estable LA ~-CATENINA NO FOSFORILADA SE ACUMULA, MIGRA AL NÚCLEO, DESPLAZA A GROUCHO Y SE ASOCIA CON UN COACTIVADOR

Groucho

= = = == = = = : : . DNA

t

Rgura 1S· 77 La vla de señalización Wnt/!icatenina. (A) En ausencia de señal Wnt, la j}-catenina que no está unida a la cola citosólica de protelnas cadherina (no se muestra) es captada por un complejo de degradación que contiene APC. axlna, GSK3, y CK1 . En este complejo, la j}-catenlna es fosforllada por CKl y después por GSK3, disparando su ublqUittnizaclón y posterior degradación en proteosomas. Los genes que responden a Wnt se mantienen Inactivos por la protelna correpresora Groucho unida a la protelna reguladora de genes LEF1/TCF (B) La unión de Wnt a Frizzled y a LRP une ambos tipos de receptores, lo cual provoca el reclutamiento del complejo de degradación a la membrana plasmática y la fosforilación de la cola cltosólica de LRP por GSK3 y después por CKly. La axlna se une a LRP fosforilado y es inactivada y/o degradada. El complejo de degradación, al quedarse s1n axina, se inactiva bloqueando asl la fosforilación y la ub1qu1tlnlzación de la fXatenina,lo cual permite que la li-catenina no fosforllada se acumule y se transloque al núcleo. Para que la vla de señalización actúe son necesarias Dishevelled y probablemente una protelna G; ambas se unen a Frizzled y Dishevelled resulta fosforilada (no se muestra), pero sus papeles funcionales son desconocidos. Una vez en el núcleo, la fXatenina se une a LEF1/TCF, desplazando al correpresor Groucho, y actúa como un coactivador estimulando la transcripción de los genes dianadeWnt

1

950

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

La unión de una protefna Wnt tamo a Frizzled como al receptor LRP une ambos receptores formando un complejo. Mediante un proceso muy poco conocido, ambas clases de protefnas quinasa, GSK3 y después CKly, fosforlla.n la cola citosólica del receptor LRP. permitiendo que esta cola de LRP reclute e in active a la axina, desmontando asr la degradación del complejo en el citoplasma. De esta forma se inhibe la fosforilación y la degradación de la ~- catenina, permitiendo que la ~-catenina no fosforilada se acumule gradualmente y transloque al núcleo, donde altera el patrón de transcripción génica (Figura 15-778). En ausencia de la señalización de Wnt, los genes que responden a Wnt se mantienen silentes mediante un complejo inhibidor de proteínas reguladoras de genes. El complejo incluye protefnas de la familia LEF//TCfunidas a una proteína correpresora de la familia Groucho (véase figura l 5-77A). En respuesta a una sei'tal Wnt,la ~-catenina entra en el mícleo y se une a las protefnas LEFl /TCF desplazando a Groucho. Ahora, la ~- catenina actúa como un coacdvador e induce la transcripción de los genes diana de Wnt (véase Figura 17-77B). Asf, como en el caso de la señalización por Notch. la señalización de Wnt /~-ca tenina cambia un interruptor desde represión de la transcripción hasta activación de la transcripción. Entre los genes activados por ~-catenina se encuentra c-Myc, que codilica una protefna (c-Myc) que es un potente estimulador de la proliferación y crecimiento celulares (expuesto en el Capftulo 17). En el80% de cánceres de colon humanos se encuentran mutaciones en el gen Apc (se trata en el Capítulo 20). Dichas mutaciones inhiben la capacidad de la proteína de unir 1}-catenina, de manera que la ~-catcnina <;e acumula en el núcleo de la célula donde activa la transcripción de c-Mycy otros genes diana de Wnt, incluso en ausencia de señalización Wnt. El crccimiemo y la proliferación celulares descontrolados resultantes estimulan el desarrollo de cáncer. Varias protefnas inhibido ras secretadas regulan la señalización de Wnt durante el desarrollo. Algunas de cUas se unen a los receptare~ LRP facilitando su regulación hacia abajo (down-regulntion ) mientras que otras compiten con los receptores Frizzled por Jm. Wnt secretadas. Al menos en Drosopllila, Wnt activa circuitos de retroalimentación negativa en los que los genes diana de Wnt codtfican protefnas que colaboran en la inhibición de la respuesta; algunas de estas proteínas inhiben DisheveUed y otras son inhibidores secretados.

las proteínas Hedgehog se unen a Patched y eliminan su efecto inhibidor sobre Smoothened Las proteínas Wnt y las proteínas 1ledgehog actúan de forma similar. Ambas son moléculas señal de secreción que actúan como mediadores locales y como morfógenos en mucho de procesos de desarroUo en invertebrados y en vertebrados. Ambas se modifican mediante la unión covalcnte de lípidos y para su acción dependen de proteoglucanos de heparán sulfato secretados o unidos a la superficie celular (se describe en el Capítulo 19) y activan prOteínas latentes reguladoras de genes inhibiendo su proteolisis. Ambas cambian un interruptor de represión transcripcional a activación transcripcional y una excesiva señalización a través de una de ambas vfa'l en las células adultas conduce al cáncer. Incluso utilizan las mismas proteínas de set1alización intracelular y a veces colaboran para mediar en una respuesta. Las proteínas lledgehog se descubrieron en Drosoplliln, donde esta familia de proteínas sólo tiene un miembro. Una mutación en el gen que la codifica a 1/edgellogproduce una larva recubierta de prolongaciones espinosas (dentfculos) parecida a un erizo (l zedgelwg) . En vertebrados al menos existen tres genes que codifican proteínas Hedgehog: Sanie, Desert e lndianlzedgelzog. Las formas activas de todas las proteínas lledgehog están acopladas covalentemente al colesterol y a una cadena de ácido graso. La adición de colesterol se produce mediante un proceso poco habitual en el que un precursor de la proteína se corta a sí misma produciendo una proteína señalizadora más pequefta que contiene colesterol. Sin embargo, casi todo lo que sabemos sobre las vías de señalización corriente abajo activadas por Smoothened procede de estudios genéticos en moscas, por lo que a continuación se resumirá la vfa encontrada en la mosca. Las respuestas a las proteínas Hedgehog están mediadas por tres proteínas transmembrana: Patched, Smoothened e illoh. Patched se puede predecir que cruza la membrana plasmática doce veces y, a pesar de que la mayor parte de ella se e ncuentra en vesículas intracelulares, se une a la protefna Hedgehog. Las proteínas IHog tienen cuatro o cinco dominios semejantes a inmunoglobulinas y dos o tres dominios semejantes a fibronectina de tipo m; se encuentran sobre la superficie celular y parece que actúan corno receptores de las proteínas Hedgehog, probablemente actuando como correceptores con Patched. Sm oothe-

DE SEÑALIZACIÓN DEPENDIENTES DE PROTEOLISIS REGULADA POR PROTE[NAS

una pro terna transmembrana de 7 pasos con una estructura muy similar a la de Frizzl.n ausencia de una señal Hedgehog, Patched a Lravés de un mecanismo desconocido llt·ne a Smoothened secuestrada e inactiva en vesfcuJas intracelulares. La unión de 1Ied'' il Iog y a Patched inhibe la actividad de Patched e induce su endocitosis y degradaU resultado de ello es que Smoothened se fosforila, se rransloca a la superficie celular !>rnite la señal corriente abajo. l.c" efectos corrieme abajo están mediados por una proteína latente reguladora de geh·nominada Cubltus lnterruptus (CI). En ausencia de una señal Hedgehog, Ci es ltbi. .lntl.ada y cortada proteolrticamente en los proteosomas. Pero en vez de degradarse por 1-nl..to, se procesa formando una protema más pequeña que se acumula en el núcleo, actúa como un represor transcripcional y facilita el sílenciamiento de algunos genes de Hedgehog. El procesado proteolrtico de la proteína Ci depende de su fosforilación ,., pro ternas serina/ treonina quinasa: PKA y dos quinasas también utilizadas en la vía t.lt•nominadas GSK3 y CKl . Como en la vía Wnt, el procesamiento proteol!tico ocurre en mplejo multiproteico que incluye una serina /treonina quinasa (denominada Fusetf) y ¡noteína de armuón (llamada Costll/2) que se asocia de forma estable con Ci, recluta ru\ tres quinasas y se une al complejo a los rnicrotúbulos, manteniendo asr a Ci fuera del J

¡Figura 15-78A).

uando la vía 1ledgehog está activada y, por tanto, Smoothened está liberada de la plasmática, recluta los complejos proteicos que contienen Ci, Fused y Costal2. ya no es capaz de unir a las otras tres quinasas de forma que Ci ya no es fragmentaAhora, la protcfna Ci no procesada puede entrar en el núcleo y activar la transcripción de diana de Hcdgehog (Figura 15-788). Entre los genes activados por Ci se encuentra el Patched; el incremento resultante de la protefna Patched en la s uperficie celular cualquier nueva señalización de 1Iedgehog -lo cual constituye un nuevo ejemplo de negativa. Aün quedan por determinar muchos de los pasos de la vía de señafu.ación de Hedgehog. ·t<·rnplo, no se conoce cómo Patched mantiene inactiva e intracelularmente a Smoothellado que la estructura de Patched parece la de una protema transportadora trans...ubrana, se ha propuesto que puede transportar una pequeña molécula al interior de la que mantenga a Smoothened secuestrada en vesfculas. Mt·nos aún se conoce sobre la vía de señalización de lledgehog en células de vertebraAdemás de existir al menos tres tipos de protemas Hedgehog en vertebrados, hay tres -..r•1as reguladoras de genes semejantes a Ci (Glil, Gli2 y Gli3) corriente abajo de SmootÚnicamente se ha demostrado que Gli3 sufre un procesamiento proteolftico seme·•1 de Ci y que actúa como un represor transcripclonal o como un activador .;"cional. Parece que tanto Glil como Glí2 sólo actúan como activadores rranscripAdemás. en vertebrados cuando Smoothened está activada se localiza en un lugar t">pecífico de la membrana plasmática: la superficie del cilio primario que se proyecta la superficie de la mayor parte de tipos celulares de vertebrados (como se describe en ulo 16). El eliJo primario actúa como un centro de señalización de 1Iedgehog y las Gli también se concentran allr. Esta distribución probablemente incrementa la vey la eficiencia del proceso de señalización. l.a .\eñalízación de lledgehog puede promover la proliferación celular y una señalíza('J!l"esiva de lledgehog puede conducir a un cáncer. Por ejemplo. las mutaciones que uno de los dos genes Patclled en humanos, lo cual produce una señalización exceIC lledgehog, se presentan con frecuencia en carcinoma de células basales de la piel,la de cáncer más común en los caucasianos. Una pequeña molécula llamada ciclopasintetizada por un lirio de las praderas, se utiliza para tratar cánceres asociados con i'talización excesiva de Hedgehog. Bloquea la señalización de 1ledgehog uniéndose ll'r7..a a Smoothened e inhibiendo su actividad. Se identificó originalmente porque caugraves en el desarrollo de la progenie de la oveja de las praderas, como un único (una condición denominada ciclopia), que también se encuentra en las ratas que dt'ficientes en sei'lalizacíón de Hedgehog.

os estímulos de estrés e inflamatorios actúan una vía de señalización dependiente de NFKB

-•::ont-o

protefnas NFKB son protefnas reguladoras de la expresión génica en estado latente, que 'entan en la mayoría de células animales y son clave en la mayoría de respuestas infla-

951

952

(A)

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

SIN SEÑAL HEDGEHOG

iHog

(B)

CON SEÑAL HEDGEHOG

INTERNALIZACIÓN __) ES FOSFORILADA DE PATCHED POR PKA Y POR CK1 Y ES Y DEGRADACIÓN RECLUTADA (MEDIANTE EN LISOSOMAS FUSIÓN DE VES(CULAS) A LA MEMBRANA PLASMÁTICA

SMOOTHENED fOSfORILADA RECLUTA UN COMPLEJO PROTEICO E INHID LA PROTEOLISIS DE:

Ci INTACTA SE LIBERA DEL COMPLEJO

microtúbulo

Fused

Ci INTACTA SE TRANSLOCA AL NúCLEO Y ACTIVA LA TRANSCRIPCIÓN

FOSFORILACIÓN DE Ci POR PKA, GSK3 Y CK 1

---~ coacttv¡

1

UBIQUITINIZACIÓN Y PROCESAMIENTO PROTEOLITICO EN PROTEOSOMAS DE Ci FOSFORILADA

TRANSLOCACIÓN AL NÚCLEO DE UN FRAGMENTO DE Ci

el fragmento de Ci forma un complejo con el correpresor

-- ~ GENES DIANA DE HEDGEHOG INACTIVOS

Figura 1 S-78 Señalización de Hedgehog en Drosophlla. (A) En ausencia de Hedgehog, Patched mantiene a Smoothened Inactiva y secuestrada en veslcula Intracelulares. La protelna Cl está unida a un complejo proteico de degradación en el citoplasma que incluye a la serina/treonina qulnasa, Fused y la proteina armazón Costa12. Costa12 recluta otras tres proteinas qulnasa (PKA, GSK3 y CK1), que fosforllan a Ci. Cl fosforilada es ubiquitlnizada y degradada en proteosoma (no se muestra) y un fragmento de ella forma un represor transcripclonal que acumula en el núcleo para mantener inacttvos a los genes diana de Hedgehog (B) Hedgehog se une a IHog y a Patched y ésta deja de inhibir a Smoothened. Smoothened es fosforilada por PKA y por CKl y se transloca a la membrana plasmática, donde recluta a Fused y a Costal2. Costa12 libera a las otras tres qutnasas y a Ci no procesada. Ahora, Cl completa (no fragmentada) se acumula en el núcleo y activa la transcripción de los genes diana de Hedgehog. En los mamlferos, las protelnas iHog se denominan BOC y CDO. Muchos de los detallt\ del proceso todavía se desconocen, incluyendo el papel de Fused.

matorias y de inmunidad innata. Estas respuestas ocurren como reacción a infecciones o lesiones y ayudan a proteger a los organismos pluricelulares estresados y a sus células (se trata en el Caprtulo 24). Una respuesta inflamatoria excesiva o inapropiada en animales puede también dañar el tejido y causar un intenso dolor, y una inflamación crónica puede conducir a un cáncer; como en el caso de las señalizaciones de Wnt y de 1Tedgehog en varios cán ceres humanos se presentan. Las proteínas NFKB también tienen papeles importantes durante el desarrollo normal en vertebrados. Por ejemplo, el miembro Dorsal de la familia NFKB de Drosophila desempeña un papel crucial en la especificación del eje dorso-ventral en el desarrollo del embrión de la mosca (se describe en el Capítulo 22).

DE SEÑALIZACIÓN DEPENDIENTES DE PROTEOLISIS REGULADA POR PROTEfNAS

953

\ .1rios receptores de superficie celular activan la vía de señalización de NFKB. Los ~tnes Toll en Drosophila y los receptores semejantes a Toll en vertebrados, por ejemplo, 1ucen patógenos y activan esta vía disparando respuestas inmunitarias innatas (se diso·n el Capítulo 24). Los receptores para el factor de necrosis tumoral a (TNFa: tumor "'-~ factor a) y para la interleuquina-1 (ILl), que son ciloquinas de vertebrados espeu·nte importantes en la inducción de respuestas inflamatorias, también activan esta l.!h receptores Toll, semejantes aTolle IL 1 pertenecen a la misma familia de proteínas, 11 .t~ que los receptoresTNF pertenecen a otra familia diferente; sin embargo, todos aedo· forma similar activando NFKB. Cuando están activados, inician una cascada de ubi111/.ación multiproteica y fosforilación que libera NFKB de un complejo proteico 1dor, de forma que ahora se puede translocar hac¡ta el núcleo y activar la transcripción 'lltcnares de genes que participan en las respuestas inflamatoria e inmunitaria innata. In mamíferos, hay cinco proteínas NFKB (RelA, Re/8, c-Rel, NFKBJ y NFKB2), que foruna gran variedad de homodímeros y heterodfmeros, cada uno de los cuales activa un mto característico de genes. Las proteínas inhibidoras denominadas hcB se unen fuerntc a los dímeros manteniéndolos en un estado inactivo en el citoplasma de las células tunuladas. En mamfferos hay tres IKB principales (IKBa, ~y E) y las señales que liberan meros de NFKB inician una vía de señalización que conduce a la fosforilación, ubiqui• Ión y degradación de las proteínas IKB. La fosforilación de IKB está mediada por una 11111asa UKK: lláJ kinase), que es un complejo multiproteico que contiene dos proteína 1 treonina quinasa (IKKa e IKI<j3) y una protefna reguladora denominada NEMO (NFKB tu¡/ mod.ifier; modificador esencial de NFKBl o IKKr(Figura 15-79). 1 ntre los genes activados por NFKB cuando se ha liberado, está el gen que codifica IKBa, o· las tres isoformas de IKB que mantienen a NFKB inactivo en el citosol de las células en ~ • Esta activación conduce a la resíntesis de la protefna IKBa, que se une a NFKB inac~lulo y genera un circuito de retroalimentación negativa (Figura 15-80A). Experimentos puestas inducidas con TNFa asf como estudios de rnodelaje de respuestas por ordc' mdican que la retroalimentación negativa produce dos tipos de respuestas de NFKB, 1úiendo de la duración del estímulo de TNFa. Las exposiciones cortas (de duración ,, a una hora) a TNFa producen un corto periodo de activación de NFKB que es indeo·rue de la duración del estímulo de TNFa; la retroalimentación negativa a través de 11hibe la respuesta pasada aproximadamente una hora. Por el contrario, la exposición u..:ada produce tigeras oscilaciones de activación de NFKB, en las que cada activación

i

1'

''·l

1

¡:

trimero de TNFa receptor de TNFo.

1

*heS NFocll Figura 15-79 Activación de la vla NFK'B

EL COMPLEJO IKK FOSFORILA heS

P~f) tr·ona ·•dora

MIGRACIÓN DE NFKB AL NÚCLEO

a _/

LIBERACIÓN DE NFK'B

~ TRANSCRIPCIÓN DE GENES DIANA DE NhB

UBIQUITINIZACIÓN Y DEGRADACIÓN EN EL PROTEOSOMA DE heS FOSFORILADO

~ 4.

.. • :

porTNFa. TantoTNFa como sus receptores, son trfmeros. La unión de TNFa provoca la reorganización de las fracciones citosólicas de los receptores, agrupadas, que entonces pueden reclutar diversas proteínas intracelulares de señalización, lo cual produce la activación de una protelna serina/treonina quinasa, que fosforila y activa la IK'B quinasa (IKK).IKK es un heterotrfmero formado por dos subunidades quinasa (IKKa e IKKj3) y una subunidad reguladora llamada NEMO. Entonces, IKKI3 fosforila a h<B en dos residuos serina, lo que marca a la protelna para su ubiquitinización y degradación en proteosomas. El NFK'B liberado migra al núcleo donde, en colaboración con protelnas coactivadoras, estimula la transcripción de sus genes diana.

954

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

sellal extracelular

l

pulso de TNF

~ ~

l~a --1 (

l

.~

tJ

NhB] )

circuito de retroalimentación negat1va

ce"' .... z

o

gen hrBa

(A)

L.

..

·e..> ce .... z

gen A activo, gen B inactivo

o

(C)

(8)

CLAVE -

(O)

o

6

2

4

horas

6 horas

gen A activo, gen B act1vo

cantidad de Nhil nuclear expresión del gen A expresión del gen B

tiempo en minutos

va &eguida por una inactivación mediada por llcBa, seguida por la destrucción de llcBa y la reactivación de NF...:B, y asf sucesivamente; las oscilaciones pueden persistir durante varias horas ames de desvanecerse, incluso aunque se mantenga el estímulo. Resulta imponante que los dos tipos de respuestas inducen patrones diferentes de expresión génica, como que algunos genes diana de NFKB sólo se activan en respue!.ta a la activación oscilatoria prolongada de NI KB (Figura 15--808, C y D). La retroalimentación negativa a través de hcBa es necesaria en ambos tipos de respuestas: en células deficientes en h:Ba, incluso las exposiciones más cortas a TNFa mduccn una activación mantenida de NI·KB, sin oscilaciones, y se activan todos los genes sensibles a Nh:B. Hasta aquf se ha descrito la señalización celular principalmente en animales, con algunos comentarios sobre levaduras y bacterias. Pero, como se indica a continuación, la señalización intracelular es tan imponante en animales como en plantas, aunque la mayoría de los mecanismos y de las moléculas implicadas sean diferentes.

Resumen Algunas vftlS de se11alización, imporwmes durante el desarrollo en animales, dept!nlien de proceso.\ proteofflicos para comrolar lo actividad y la localiUlción de proteltlllS /menees wgulruloras de genes. tos TT!('t!ptol'f!s Notcll son una de estas protefnas loteii/RS l'f!guladoras tlt' genes que se achtoan por corte cuando Delta (o 1111 ligando l'f!locionatlo) si filado en otra célula se unen a elfos; el fragmemo proteoffcico de fa cofa de Notch situado en el citosolmigra hasta el núcleo donde estimula la transcripción de genl'.s que responden a Notcll. Por el contm/i(), en/o L'fa de se/lalizaci6n por Wnti{J catmina, se inhibe lo proteolisis de lt1 protefna lateme reguladora de la expresión gt!mca, ¡3-catenioo, Ctllllldo tma prorefna Wm secreuula se 1111e a fas protefnas ll'Ceptoras Fri.zzled y I.RP: como resultado de ello, la {J-cacenirrn se acumula en elmicleo y aclit'flln transcripción de genes diana de Wt!L /,n setialiUJción por 1ledgehog en moscas acttía de manera similar a In setlaliUlción por Wm. f)¡ ausencia de setia/, In protefna citoplasmtitica rl'gllladora de genes biftmcional Ci esfragmentada proteoUticamellle formando tmll!presor tmnscripcional que silmcia los genes diana de 1/edgehog. LA unión de Hedgelwg a 51/S receptores (Patched e illog) inllibe el procesamiento proteolftico de Ci; la fomwno-procesada de Ci se acumula en elmícleo donde act i LJa lo transcripción de los genes diana de Hedgelwg. En/as setialiUiciones por Note/!, Wtll y lledgelwg, la se1ial extracelulor dispara 1111 imermptort¡ue pasa de represió11 traiiScripcionaf a actiLJQCióntranscripciona/. LA setíalizacióll a través de la. proteitJa latente l'f!gulodora de la expresión NFI\B también depende de proteolisis. Por lo general, fas protefnas NFKB se mamienen en w1 estado inaccir10 merliante las prorelnas IKB inhibidoras en el citoplasma. Una gran variedad de estfmulos extrace/ulares, incluyendo ciux¡uinas proinjlamatorias, desencadelltL /afosforiloción y ubit¡uitiniUIción de 1K8, lo que fa nwrca para su degradación; estefenómeno permite que NFKB entre en el núcleo donde activa la trarzscripción de StlS genes tlia11a. NFKB también activa lo traiiScripción del gen que codifica 11\Ba. generando un circuito de l'f!troalimentaciónnegativa que puede producir oscilociones prolongadas de lo actividad de NPKB si In seizal extracelufar se mantiene.

Figura lS 80 la retroalimentación negativa en la señalización de NFICB lndll(4 oscilaciones en la activación de NFICB. (A) Dibujo en el que se muestra que la NFdl activada est1mula la transcripción de l~o.-B<r, protelna que actúa corriente arriba y secuestra en el Citoplasma a NFKB; si el estimulo es persistente la nueva l~o.-Bá acabada de sintetizar será ubiquitinizada y degradada, liberando de nuevo NFt.:B activa que puede volver al núcleo y activar la • transcripción (véase Figura 15- 79). (8) Una corta exposición a TNFa produce un único pulso corto de activación de Nh'S. que empieza en cuestión de minutos y acaba alrededor de una hora más tarde. Esta respuesta activa la transcripción del gen A pero no la del gen B. (0 Una exposic1ón mantenida a TNFa durante 6 horas prodU(t oscilaciones en la activación de NFICS que van debilitando con el tiempo. Esta res activa la transcripción de ambos genes; el gen B se activa unicamente tras varias h01 lo cual indica que la transcripción del gen (l requiere la activación prolongada de Nh '8. por razones que todavla se desconocen (D) Mlcrograflas con el microscopio de fluorescencia confocal tomadas a lnterva!OJ de tiempo de un estudio diferente de estlmulación con TNFa que muestran la~ oscilaoones de NFI\-B en una célula en cut como Indica el desplazamlemo periódico al nudeo (N) de una protelna de fusión compuesta por NFICS unida a una prote1na roja fluorescente. En la célula situada en lt parte superior de las micrograRas, NFt..-B está activa y en el interior del núcleo a los 6, 60. 210, 380y480 minutos, pero está exclusivamente en el citoplasma a los O, 120,300, 410y 510 minutos. (A-C, basado en datos de A. Hoffmann et al. Sclence 298:1241-1245,2002, y adaptado de' A.Y. Ting y D. Endy, Science 298:1189-1190, 2002; D, de D.E. Nelson et al. Science 30b:7 708, 2004. Todo con la autorización de la AAAS.)

EN PLANTAS

955

f\JALIZACIÓN EN PLANTAS plantas, como en los animales, las células están en constante comunicación entre 1:ts células de las plantas se comw1ican coordinando sus actividades en respuesta a tnbios en las condiciones de luz, oscuridad y temperatura, que gufan el ciclo de crecitu. floración y fructificación de las plantas. las células de las plantas también se comul ,·oordinando las actividades de s us rafees, troncos y hojas. En esta sección final, se dc:rá a considerar cómo las células de las plantas se comunican entre ellas mediante "'· y cómo responden a la luz. Se conoce poco sobre los receptores y los mecanismos de 'ación intracelulares implicados en la comunicación celular en plantas, todo lo cual se •' mucho mejor en animales; la explicación se centrará principalmente en las diferenl'n' hay entre plantas y animales respecto a los receptores y sus mecanismos. Se descril¡¡unos de los detalJes y mecanismos del desarrollo de las plantas en el Capítulo 22.

pluricelularidad y la comunicación celular evolucionaron dependientemente en plantas y animales • las plantas como los animales son seres eucariotas, pero evolucionaron de forma sel.t durante más de mil millones de años. Parece que s u último antepasado común fue lg•mismo eucariota unicelular que tenía mltocondrias pero no cloroplastos; el linaje de J. unas adquirió los cloroplastos des pués de la divergencia de animales y plantas. Los fón;is antiguos de animales y plantas pluricelulares datan de hace al menos 600 millones '''· Asf, parece que la pluricelularidad de animales y plantas evolucionó de forma indelt'nte, empezando cada cual a partir de un organismo eucariota unicelular diferente, •·ntre 1600 y 600 millones de años (Figura 15-81). ~~ la pluricelularidad evolucionó independiente en plantas y anin1ales, las moléculas y ll'l'anismos utilizados para la comunicación celular tienen que haber evolucionado selamente y debería esperarse que fuesen d iferentes. Sin embargo, se espera que exista ' .:rado de parecido puesto que los genes de plantas y animales han divergido a partir '""mo conjunto de genes del último antepasado común unicelular. Asf, mientras que '' plantas como animales utilizan para transmitir señales el óxido nftrico, el GMP cfclico, ·· y las GTPasas de la familia Rho, en el genoma deArabidopsis tlwliana - una pequeña , ., con flores-. no existen homólogos de los receptores nucleares de las familias Ras. )AK, 1 IGF~. Notch, Wnt o Hedgehog. De manera similar, parece que las plantas no utilizan e l 1' dclico en la señalización intracelular. 1;t mayor parte de lo que se conoce sobre los mecanismos moleculares implicados en •l11ación en plantas procede de los estudios genéticos llevados a cabo en Arabidopsis. o¡ue por lo general las moléculas especfficas utilizadas en comunicación celular en plan"" d iferentes de las utilizadas en animales, las estrategias generales suelen ser muy silit'~. Por ejemplo, ambos utilizan receptores de superficie celular acoplados a enzimas, n se describirá a continuación.

antepasado unicelular de los ADQUISICIÓN DE LA PLURICELULARIDAD DIVERGENCIA DE LOS LINAJES DE ANIMALES Y PLANTAS

la eucariota •.nada común

Figura 15-81 Divergencia propuesta de los linaJes de p lantas y animales desde un antepasado eucariota unicelular común. El linaje de las plantas adquirió los cloroplastos después de que los dos linajes hubieran divergldo. Los dos linajes originaron de manera rndependiente organismos pluricelulares: plantas y animales. (Dibujos por cortesfa de John lnnes Foundation.)

956

Capitulo 15: Mecanismos de comunicación celular

los receptores serina/treonina quinasa actúan como receptores de superficie celular en plantas Mientras que en animales la mayoría de receptores de superficie celular están acoplados a proteínas G (GPCR), la mayoría de receptores de las plantas están asociados a enzimas. Además, mientras que en los mamíferos la mayor clase de receptores asociados a enzimas son receptores de la clase tirosina quinasa (RTK), en las plantas este tipo de receptor es muy poco habitual. Sin embargo, las plantas tienen muchas tirosinas quinasa citosólicas, y la fosforilación y desfosforilación de tirosinas desempeña un papel importante en la señalización en células vegetales. En lugar de RTK, las plantas tienen una gran diversidad de receptores serina/treonina qui11asa transmembrana. Aunque son muy diferentes en muchos aspectos a los correspondientes de lru. células animales, se parecen a eUos en que tienen unos dominios serinaltreonina quinasa citoplasmático y de unión al ligando ex:tracelular. Los tipos más abundantes de estos receptores presentan una disposición en tándem de secuencias repetidas ricas en leucinas extracelulares (Figura ls-82), por lo que se denominan receptores qulnasa con secuencias repetJdas ricas en leuclna (LRR: leucine-rich repeal) .

En el genoma de Arabidopsis existen codificados cerca de 175 receptores quinasa LRR. Uno de los mejor caracterizados es el complejo receptor C/ati{Jtal/Ciavata2 (C/v1/Civ2). Las mutaciones que in activan alguno de estos dos receptores causan la producción de flores con órganos florales extra y con un crecimiento progresivo tanto de los brotes como de los meristemos florales, que son grupos de células madre que se autorrenuevan y generan las células que darán lugar a ramas. hojas y flores (descrito en el Capftulo 22). Se cree que la molécula senal extraceluJar que se une al receptor es una pequena proteína denominada Clt•3, que es segregada por células vecinas. La unión de Clv3 al receptor Clvl/Clv2, suprime el crecimiento de los meristemos, ya sea inhibiendo la división celular o, más probablemente, estimulando la diferenciación celular (Figura l!HlJA). La vía de señalización intracelular que va desde el receptor Clvl 1Civ2 hasta la respuesta celular no se conoce apenas, pero sabemos que incluye una proteína &erinaltreonina fosfatasa que inhibe la señalización. Otras proteínas de la vía de señalización incluyen GTPasas de la familia Rho y una proteína reguladora de la expresión g~nica que está lcjanamente relacionada con las proteínas homeodominio de los animales. Las mutaciones que in activan esta protema reguladora de la expresión génica tienen el efecto opuesto al de las mutaciones que inactivan el receptor Clvi/Ov2: la división celular está muy disminuida en los meristemos de los brotes y la planta produce Dores con muy pocos órganos. Así pues, parece que la vía de señaluación intracelular activada por el receptor Ovl1Civ2 estimula la diferenciación celular inhlbiendo la prote(na reguladora de la expresión génica que normalmente inhibe la diferenciación celular (Figura 15-838). Otro receptor quinasa LRR de Arabidopsis, denominado Bril. forma parte de un receptor de hormonas esteroidea& de la superficie celular. Las plantas si ntetizan una clase de esteroides que se denominan braslnosteroldes, porque fueron inicialmente identificados en la familia de las mostazas Brassicaceae, que incluye Arabidopsis. Estas moléculas de señalización de las plantas regulan el crecimiento y la diferenciación de la planta a través de su ciclo celular. La unión de un brasinosteroide al receptor quin asa de superficie celular Bri 1 Inicia una cascada de señalización que utili7..a la proteína qui nasa GSK3 y una protefna fosfatasa para regular la fosforilación y la degradación de determinadas proteínru. reguladoras

Figura 15-82 Estructura tridimensional de secuencias repetidas ricas en leudna similar a la del LRR de los receptores serina/treonina quinasa. Varias copias de repeticiones como ésta se hallan en el dominio extracelular de los receptores LRR quinasa, donde participan en la unión de 11 molécula señal. (Cortesía de David Lawson)

957

PARED CELULAR

Clv3

1

protefna fosfatasa

protefna reguladora de la e)Cpresión génica L____

(A)

células que expresan las protelnas receptoras Clvl y Clv2

50 11m

NUCLEO

:;:;;:::::::=;;~~=;;::¡¡¡¡¡¡¡¡¡;¡; 11

(B) UNOS GENES D IANA QUE INHIBEN LA DIFERENCIACIÓN ESTÁN INACTIVOS, DE FORMA QUE SE PRODUCE DIFERENCIACIÓN

1o·s en el núcleo y, por tanto, la transcripción específica de algunos genes. Las plantas Ht•s que son deficientes en el receptor quinasa Bril son insensibles a lo:. brasinostepor lo que son matas. '""" receptores quinasa LRR son sólo una de las muchas clases de receptores transhr ;tna serina/treonina quinasa de plantas. Al menos existen seis familias adicionales, una de las cuales tiene su propio conjunto caracterfstico de dominios extracelulares. '·mplo, las quina.sas receptoras de lectilw tienen dominios extracelulares que unen mo'eñal tipo carbohidrato. El genoma de Arabidopsis codifica más de 300 receptores setrt•onina quinasa, lo que hace de ellos la mayor familia de receptores conocida en " Muchos de ellos están implicados en respuestas de defensa frente a patógenos.

tileno bloquea la degradación de proteínas reguladoras enes específicas en el núcleo reguladores del crecimiento (también llamados hormonas vegetales) contribuyen a rnar el desarrollo de las planta. Entre ellos se incluyen el elileno, la auxina, las citoquilas giberelinas, el dcido abscfsico asf como los brasinosteroides. Todos los reguladores • uniento son pequei'las moléculas producidas por la mayorfa de las células de la planlllnden fácilmente a través de las paredes celulares y pueden actuar de fonna local o ser ¡>e;rtadas influenciando c<!lulas lejanas. Cada regulador de crecimiento puede tener ··fcctos. El efecto especffico dependerá de las condiciones ambientales, del estado nut~otl de la planta, de la capacidad de respuesta de la célula diana y de los otros reguladol'recimiento que estén actuando. lln ejemplo importante es el etileno. Esta pequcna molécula gaseosa (Figura 15-84Al · afectar el desarrollo de la planta de varias maneras; puede por ejemplo estimular la "ación de los frutos, la abscisión de la hoja y la senescencia de la planta. También actúa • una señal de estrés en respuesta a heridas, infecciones, inundación, etcétera. Por pln, cuando el brote de una semilla germinada encuentra un obstáculo, como una pielltl'rrada en el suelo, la semilla responde de tres maneras. Primero, engrosa su tallo, el l"ll'de luego ejercer más fuerza sobre el obstáculo. Segundo, acoraza la punta del brote rrl!'ntando la curvatura de una estructura especializada en forma de gancho. Tercero, :nuye la tendencia del brote a crecer alejándose de la clirección de la gravedad evitando ·l·•hstáculo. Esta triple respuesta está controlada por el elileno (Figura 15-84B y C). 1.1~ plan las tienen varios receptores de etileno, que están localizados en el retículo en"rnático y que están relacionados estructuralmente entre sf. Son proteínas transmem' de multipaso, di mélicas, con un dominio de unión a elileno que tiene un átomo de ,. y un dominio que interactúa con una protefna denominada CfRI cuya secuencia 'l'lacionada con la Raf MAP-quinasa-quinasa-quinasa de la que hemos tratado

A gura 15- 83 Modelo hipotético de cómo Clv3 y el receptor Clv1/Civ2 regulan la proliferación y/o diferenciación celular en el meristemo de los brotes. (A) Las células de la capa externa del merinemo (rosa) secretan la proteína Clv3, que se une a la proteína del receptor Clv1/Civ2 de las células diana situadas en una región adyacente, más central del merlstemo (verde), y estimula la diferenciación de las células diana. (B) Algunas partes de la vra de señalización Intracelular activada por la unión de Clv3. Parece que la proteína receptora CLV es un homodímero o un heterodfmero, que se autofosforila en residuos serlna y treonina, actrvando así el receptor y conduciendo a la activación de una GTPasa de tipo Rho. La vía de señalización después de este punto no está clara, pero conduce a la lnactlvación de una proteína reguladora de la expresión génica en el núcleo que bloquea la transcripción de genes que podrfan Inhibir la diferenciación. La fosfatasa desfosforila el receptor, que de ese modo regula negativamente la vla de señalización.

958

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

(véase Figura 15-00). La función de CTRl en la vra de señali7..ación de etileno depende de su actividad serina/treonlna quinasa y de la asociación de su dominio N-terminal con los receptores de etileno. De forma sorprendente, son los receptores vacíos los que son activos y mantienen activa a CfRI. Mediante un mecanismo de señalización desconocido, CTRl activa, estimula la ubiquitinización y la degradación en proteosomas de una proteína nuclear reguladora de genes denominada EJN3, necesaria para la transcripción de los genes que responden a etileno. De esta manera, los receptores vacfos, pero activos y Cffil activa mantienen desactivados los genes que responden a etileno. La proteína EIN recibe su nombre del descubrimiento de que las plantas que presentan mutaciones que inactivan el gen que codifica esta proteína son insensibles al etileno (ethylene insensitive). la urúón de etileno inactiva el receptor alterando su conformación de forma que ya no se puede urúr a CfRJ . Como resultado de ello, CTRI es inactivada y la vía de señalización corriente abajo que emana de ella queda bloqueada; la pro terna EJN3 ya no se ubiquitiniza ni por tanto se degrada, de forma que ahora puede activar la transcripción de un gran número de genes que responden al etileno (Figura 1S-a5). Una estrategia algo diferente participa en la regulación de los genes que responden a au.xina. Además, el sistema a través del cual la auxina controla el sentido y el patrón del crecimiento de la planta es diferente a cualquier mecanismo observado en animales, como se

H,

H/

/ H

C=C

"'- H

(A)

tratará a continuación. lmm

La localización regulada de los transportadores de auxina determina el crecimiento de la planta La hormona vegetal awdna, un indol-3-ácido acético {Figura 15-86A), se une a proteínas receptoras del núcleo. Colabora en el crecimiento de la planta hacia la luz y hacia arriba en lugar de hacia tm lado y en el crecimiento de la rafz hacia abajo. También regula la iniciación y el posicionamiento de los órganos y ayuda a la planta a que florezca y dé frutos. Como el

(A) AUSENCIA DE ETILENO

cobre

receptor del etileno activo

CITOSOL

(B) PRESENCIA DE EliLENO

receptor etileno de etlleno, Inactivo

Agura 15-84 La triple respuesta mediada por el etileno, que se produce cuando el brote en crecimiento de una semilla en germinación encuentra un obstáculo enterrado. (A) Estructura del etlleno. (B) Antes de que se produzca el encuentro con el obstáculo, el brote crece recto y es largo y fino. (C) Después del encuentro, el brote se engruesa y el gancho protector (en la parte superior) Incrementa su curvatura para proteger la punta del brote.l:sta también altera su dirección de crecimiento para crecer alrededor del obstáculo. (Cortes fa de Melanle Webb.)

membrana del ER

dominio qutnasa activo

CTR1

inacttva

....11\'

~ ~

cadena de poliubiquittna

~

EIN3

~j

A gura 15-85 Visión actual de la vla de

., EIN3

a .. & 111

----:;:gradación en W proteosomas

~ GENES DE RESPUESTA AL ETILENO INACTIVOS

senalización del et ileno. (A) En ausencia de etileno tanto el receptor como CTRl son activos causando la ublquitinizacíón y destrucción de la protefna EIN3, la protein.t del núcleo reguladora de genes que es responsable de la transcripción de los genes de respuesta al etileno. (8) La unión de etlleno inactiva a los receptores y rom~ la interacción entre los receptores y CTR1 Ahora la protefna EIN3 no es degradada, por lo que puede activar la transcripción de los genes de respuesta al etileno.

959 (B)

:::t:TCH,COOH

AUSENCIA DEAUXINA

factor de respuesta a la auxina (ARF)

1

Figura 15- 86 v ra de señalización de la auxlna. (A) Estructura de la auxina, el ácido 3-indol acético. (B) En ausencia de auxina una protelna represora de la represor transcripcional (AuxllAA) transcripción (llamada Aux/IAA) se une y suprime la actividad de una proteina reguladora de genes (llamada ARF: auxinresponse factor; factor de respuesta a la auxina}, que es necesario para la GENES DIANA DE LA AUXINA INACTIVOS transcripción de los genes de respuesta a la auxina. (C) Las protelnas receptoras de la auxlna están localizadas principalmente en el núcleo y forman parte del complejo ublquitina llgasa (no se muestra). Cuando el receptor es activado por la unión de la auxina, el complejo receptor-auxina AuxllAA recluta los complejos ubiquitlna ligasa que ubiquitinizan las protefnas Aux/IAA. marcándolas para su degradación en proteosomas. Ahora ARF queda libre para activar la transcripción de los genes de respuesta a la auxina. Existen muchas ubiquitinizadón protefnas ARF, AUX/IAA y receptores de complejo y degradación auxina que actúan, como Ilustra esta ublquitina lígasa de la protelna figura. AuxllAA

1

l

H

(C)

PRESENCIA DE AUXINA

ARF activa

~-~

1

,.

1

~ TRANSCRIPCIÓN DE LOS GENES DIANA DE LA AUXINA

''·modifica la expresión génica controlando la degradación de protefnas reguladoras "'sen el núcleo, pero en lugar de bloquear la ubiquitini.zación y degradación de prott.>guladoras de genes necesarias para la expresión de genes diana, estimula la ubiqui' Ión y degradación de proteínas represoras que en las células no estimuladas blolla transcripción de estos genes (Figura l5--86B y C). 1.:• auxina es única en la manera en que es transportada. A diferencia de las hormonas lt•<,, que por lo general son secretadas por un órgano endocrino específico y son transl.ts hasta las células diana por el sistema circulatorio, las auxinas tienen su propio sisdt· rransporte. Unas proteínas unidas a la membrana plasmática que son específicas de '111fte de influjo y de transporte de ejlujo, desplazan la auxina hacia adentro y hacia fuera • (o)ulas vegetales, respectivamente. Diferentes familias de genes codifican los transdc influjo y de eOujo, y ambas familias de proteínas están reguladas de forma inde···He. Los transpones de eflujo están compuestos por protefnas Pin y las células 11 distribuirlos de forma asimétrica en la membrana plasmática para conseguir que el •lt· auxina sea direccional. Por ejemplo, una columna de células que tengan sus trans.,, 1res de eflujo de auxina confinados en la membrana plasmática basal, transportará la :1 desde la parte superior de la planta hasta la parte inferior. l• .ugunas regiones de la planta, la localización de los transportadores de auxina y, por d sentido del flujo de auxina, es muy dinámica y regu lada. Una célula puede redistri•11 rapidez los transportadores controlando el tráfico de las vesículas que los contiel'"r ejemplo, los transportadores de eflujo de auxina se reciclan entre las vesículas lulares y la membrana plasmática. Una célula puede redistribuir estos transportado•tt' su superficie, inhibiendo su endocitosis en un dominio de la membrana plasmáti,,·umularlos. Un ejemplo de este proceso se produce en la raíz, donde la gravedad ,.¡ ~entido del crecimiento. Normalmente, los transportadores de eflujo de auxina están •ndos de forma simétrica en la cabeza de la rafz. Sin embargo, en cuestión de minutos, ~ ambio en el vector de sentido de la gravedad, los transportadores de eflujo se redisn a un lado de las células de forma que la auxina será bombeada hacia ella do de la •· apunta hacia abajo. Dado que la auxina inhibe la elongación de las células de la 11• redireccionarniento de los transportadores de auxina hace que la punta de la raíz l'nte y vuelva a crecer hacia abajo (Figura 15-87). 1

l

960

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular (Q

(B)

(A)

tejido vascular

-

epidermis

--

1

RAIZ DESPLAZADA 90"

cabeza de la ralz

células del centro de la cabeza de la raiz que responden a la gravedad

la inh1bición del alargamiento de las células epidérmicas en esta zona restablece' el crecimiento hacia aba¡o

(D)

GRAVEDAD

la auxina inhibe el alargamiento de las células ep1teliales sobre el lado Inferior de la ralz

EJ

la reorientación de los transportadores de flu¡o de la auxina, del centro de la cabeza de la ralz, redirige la aux1na hacia el lado Inferior de la ralz

En los mcristemos apicalcs de las yemas, la distribución de transportadores de ellujo de auxina rambién es dinámica y está regulada. En este caso, ellransporte direccional de la alLxina ayuda a detem1inar la distribución regular de las hojas y de las flores (véase Figura 22- 122).

Los fitocromos detectan luz roja y los criptocromos detectan luz azul El desarrollo de las plantas está muy influenciado por las condiciones ambientales. A diferencia de los animales, las plantas no pueden desplazarse cuando las condiciones se vuelven desfavorables: tienen que adaptarse o morirán. La influencia ambiental más importante sobre las plantas es la luz., que es su fuente de energía y tiene un papel principal a lo largo de todo !>U ciclo vital -<lesde la germinación, a través del desarrollo de la plántula, hasta la floración y la senescencia. Las plantas han desarrollado un gran conjunto de proteínas sensibles a la luz que detectan la cantidad, la calidad, la dirección y la duración de la luz. A estas proteínas se les denorninafoto,.-receptom. Sin embargo, dado que elt~rmino fotorreceptor también se utiliza para las células sensibles a la luz de la retina de los animales (véase Figura 15-48), utilizaremos el té rmino fotoprotefna de fonna altemativa. Todas las fotoproteínas detectan la luz gracias a un cromóforo ligado covalentemente que absorbe la luz, que cambia su forma en respuesta a la luz y luego induce un cambio en la conformación de la proteína. Las fotoproteínas vegetales mejor conocidas son los Otocromos, que están presentes en todas las plantas y en algunas algas, pero ausentes en los animales. Son serinas/treoninas quinasa diméricas y citoplasmáticas que responden de manera diferencial y reversible a la luz roja y rojo-lejana: m ten tras que normalmente la luz roja activa la actividad quin asa del fitocromo,la luz rojo-lejana la inactiva. Parece que cuando se activa por la luz roja. el fitocromo se amofosforila y luego fosforila a una o más proteínas adicionales de la célula. En algunas respuestas a la luz, el fitocromo activado se transloca al núcleo, donde activa proteínas reguladoras de la expresión génica alterando la transcripción génica (Figura 15-88). En otros casos, el fitocromo activado activa una proteína latente reguladora de la expresión génica del citoplasma, la cual se translocará al núcleo donde regulará la transcripción génica. En otros casos, la fotoproteína desencadena vías de señalización en el citosol que modifican el comportamiento de la célula sin la participación del núcleo. A pesar de que los fitocromos tienen actividad serina/trconina quinasa, parte de su estructUia es parecida a las histidinas quinasa implicadas en la quimiotaxis bacteriana descrita. Este hallazgo sugiere que los fitocromos vegetales evolucionaron a partir de las histidinas quinasa bacterianas y más tarde cambiaron su especificidad de sustrato de histidina a serina y treonina.

Figura 1S-87 El t ransporte de auxina y el gravitroplsmo de la raíz. (A-C) Las raicei responden a un cambio de 9QO del vector de gravedad y ajustan su nuevo sentido de crecimiento de forma que de nuevo apunte hacia abajo. Las células que responden a la gravedad están en el centro de la cabeza de la rafz mientras que son las células epidérmicas, Situadas más atrás (en el lado inferior), las que disminuyen su velocidad de elongación para recuperar el crecimiento hacia abajo. (D) Las células que responden a la gravedad de la cabeza de la raíz redistribuyen los transportadores de eflu)o de auxina en respuesta al desplazamiento de la raíz. Este hecho red .rige el flujo de auxlna principalmente a la parte Inferior de raíz que ha sido desplazada, donde inhibe Lt elongación de las células epidérmicas. Se muestra la distribución asimétrica de la auxina resultante en una raiz de Arabidopsls; la aux1na ha sido detectada directamente utilizando un gen reportero de respuesta a la aux1na que codifica una protelna umda a protelna fluorescente verde (GFP: green fluorescenr protein); las células epidérmica\ del lado .nfenor de la raíz son de color ver mientras que las del lado superior no lo SOl\ lo cual refleja la distnbución asimétrica dell aux.nil. La distribucíón de los transportador de eflujo de la auxina en la membrana plasmática de las células de diferentes reg1ones de la ralz (se muestra en rectáng grises) se indican en rojo y el sentido del el de aux1na en flechas verdes. (Las fotografía\ de fluorescencia de D son de T. Paciorek et al., Noture43S:12S1 1256,2005. Con la autorización de Macmillan Publishers Ltd.)

ALIZACIÓN EN PLANTAS

961 LUZ ROJA

1

fitocromo actovo (quinasa)

lo toe romo mactivo

Figura 1S- 88 Visión a ctual de una vla a tra vés de la cual los fitocromos media n una respuesta a la luz e n células de vegeta les. Cuando el fitocromo, que es una proteína quinasa dimérica, es activado por la luz roja, se autofosforila y se desplaza hacia el núcleo, donde activa proteínas reguladoras de la expresión génlca y estimula el proceso de transcripción de genes de respuesta a la luz roja.

,.

MIGRACIÓN Al NÚCLEO

1

NÚCLEO 1 1

1

¡

1

TRANSCRIPCIÓN DE GENES CON RESPUESTA A LA LUZ ROJA

" plantas detectan la luz azul utilizando fotoprote(nas de otros dos lipos: la fototropi" uip tocromos. La fo totroplna está asociada a la membrana plasmática y es parcial,. rl'spon sable delfototropismo, la tendencia de las plantas a crecer hacia la luz. El 1pismo se produce por elongación celular direccional estimulada por la auxina, aunronexiones entre la fototropina y la auxina no se conocen. 1" crlptocromos son flavoproteínas sensibles a la luz a7ul. Están relacionados desde 1110 de vista estructural con las enzimas sensibles a la luz azul llamadas fotoliflSas, que •mplicadas en la reparación del daño del DNA inducido por luz ultravioleta en todos rllismos excepto en la mayoría de los mamíferos. A diferencia de los fitocromos, los romos también se encuentran en animales. donde desempeñan un papel importanIJ regulación de los relojes circadianos que actúan en la mayoría de las células y ciclan • ntmo de 24 horas (se expone con más detalle en el Capítulo 7). A pesar de que se cree m ptocromos han evolucionado a panir de las fotoliasas, no tienen actividad de re•rrdel DNA '' l'~te capítulo se ha explicado cómo las señales e>.:tracelulares influencian el compor•10 celular. Una diana intracelular crucial para esas señales es el citoesqueleto, que de'·' la fo rma celular y es responsable del movimiento celular, como se expone en el lo srgulente.

11

1

¡tll'en las plomas y los animales. la plurirelu/t¡ridllll y los mecnnismos de comunicación ce''' eoolucionado de forma independiente, partiendo en calla caso de un organismo eucario.-/ular diferente que, a su ,,ez. habla euolucionado de un ancestro eucariota unicelular l'or elle no es de extrmiar que los mecanismos utilizados para la seíializoción entre células '"/les y en plantas tengan similiwdes y difeiY!ncins. Por ejemplo, miemras que los animales 'obre todo receptores GPCR.Ias plamas wilizonmayoritariamente receptores acoplados a , . , ..u,,· t!ef tipo de receptores serinaltreonina quinasa, especialmeme wws con secuencias repetidas l••ucina extracelulares. Varias homwnas vegetales o reguladores del crecimiemo, entre los •1wentra el etileno y la auxina, ayudan a coordinar el desarrollo de la planra. El etileno rrmrés de receptores intracelulares parando la degradación de protefnas nucleares regulado.,.,,es, las cuales enronces pueden activar la transcripción de genes de respuesta al elileno. Los .,.,de otras hormonas ¡regelales, incluyendo la au.xina, también regulan la degradación de , ..,das protelnas reguladoras de genes, aunque los detalles entre estas respuestas uarfan. La •'llalizo de una fonna nada habitual, ya que tiene su propio sistema de transporte, alta··gulado, en el que el posicionamiento dinámico de transportadores de au.xina, unidos a ma pwmdrica, comrolan el semido del flujo de auxina y, por tamo, el semido del crecí-

1 1

1

1

1

962

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

miento de la planta. lA luz desempefla un importante papel en la regulación del desa"ollo vegetal. Estas respuestas a la luz están mediadas por uarias fotoprote[nas sensibles a la luz. entre las que se e/lcuentralllosfitocromos, que responden a la luz roja, y los criptocromos y la fototropina, que son sensibles a la luz azul. C.

Un anuncio por radio

PROBLEMAS

o.

llablar consigo mismo

¿Qué afirmacione.s son ciertas? Explica por qué sí o por qué no

15-10 ¿Por qué las respuestas a señales en las que partici¡1 cambios en prote(nas que ya están presentes en la célula se 11 ducen en cuestión de milisegundos mientras que las respu~ que requieren cambios en la expresión de genes requieren en minutos y horas?

15-1 Todos los receptores que participan en la señalización paracrina, sináptica y endocrina tienen la misma afinidad por sus respectivas moléculas ligando. 15-2 Todos los mediadores in tracelulares pequeños (segundos mensajeros) son solubles en agua y difunden libremente por el citosol.

15-11 ¿A qué se debe que células diferentes pueden respon de manera diferente a la misma molécula señalizadora, incl cuando estas células tienen los mismos receptores?

15-3 En la regulación de los interruptores moleculares, siempre las pro tema quinasa y los factores intercambiadores de nucleótidos de guanina (GEF) activan las protefnas mientras que las proteínas [osfatasa y las protefnas activadoras de las GTPasa (GAP) siempre inactivan las proteínas.

15-12 ¿Por qué la fosforilación / desfosforilación, de fo opuesta por ejemplo a la unión alostérica de pequeñas moléCI ha evolucionado en el sentido de tener un papel tan determin te en la activación e inhibición de pro te (nas en las vías de se zación?

1S-4 En contraste con las vías de señalización más directas utilizadas por los receptores nucleares, las cascadas catalfticas de mediadores intracelulares proporcionan numerosas posibilidades de amplificación de la respuesta a señales extrace-

15-13 Considerar una vía de señalización que se produce a vés de tres protemas qulnasa, las cuales se activan de fom1; cuencial por fosforilación. En un caso, las quinasas están unl formando un complejo scñalizador mediante una protema d mazón; en el otro caso, las quinasas difunden libremente (FIK P 15-l ). Analizar las propiedades de estos dos ópos de organiJ.a en términos de amplificación de la señal. velocidad y potenci entrecruzamiento entre las vías de señalización.

lulares. 1S-5 La unión de ligandos extracelulares a receptores tirosina quinasa activa dominios catalfticos intracelulares del mismo receptor mediante la propagación de cambios de conformación a través de la bicapa Hpídica mediante una sola hélice u transmembrana. 15-6 Las proteínas tirosina [osfatasa muestran una especifici· dad exquisita por sus sustratos, mientras que las proteínas serinallreonina fosfatasa llenen una especificidad muy amplia.

CITOSOL

15-7 A pesar de que parece que las plantas y los animales han evolucionado a organismos pluricelulares de forma independiente, en su comunicación célula a célula utilizan prácticamente las mismas prote[nas señalizadoras y los mismos segundos mensa-

, ,....., 2

,,,.

jeros.

Resolver los siguientes problemas 1S-8 Suponer que la concentración de una hormona circulan· tes es de 10 lO M y que la Kc! de la unión de esta hormona a su receptor es de 1<J8 M. ¿Qué porcentaje de los receptores estarán unidos a una hormona? Si cuando el 50% de los receptores están unidos a una hormona no se produce ninguna respuesta fisiológica significativa, ¿cuánto tiene que aumentar la concentración de la hormona para provocar una respuesta? El porcentaje de receptores (R) unidos a una hormona (11) formando un complejo hormona-receptor (R-IL) es [R-H]/([R] + [R-H]) =[R-HI/!Rh01 = = ttnl<lHl + KcJJ.

15-9 Las células se comunican de maneras que se parecen a las comunicaciones humanas. Decidir cuáles de las sigtúentes maneras de comunicación humana son análogas a señalización celular autocrina, paracrina, endocrina y sináptica. A. 8.

Una conversación telefónica Hablar con la gente en una fiesta

,.,,

3

,.,-,,

Figura P1 5- 1 Una cascada de protefnas quinasa organizada por una protefna de armazón o compuesta por componentes que difunden libremente (Problema 15 13).

1S-14 Describir tres vías en las cuaJes un incremento gradu la seflal cxtracelular se pueda transformar en una respuesta lar abrupta o de todo o nada. 15-15 La activación ("maduración") de los oocitos de rana señalizada a través de un módulo de señalización MAP-quit Un incremento de la concentración de la hormona progestc dispara el módulo estimulando la traducción de mRNA dt• que es la MAP-quinasa-quinasa-qui.nasa de rana (Figura PI Resulta sencillo seguir el grado de maduración debido a la ción de una mancha blanca en medio de la superficie marró

ar

963 progesterona

~

15 16 Proponer tipos específicos de maduración del gen para la su bunidad reguladora de la PKA que puedan conducir a una activación permanente o a w1a inactivación de la PKA..

M os

~

_J

oocítos maduros

lmm

Figura P15-2 La activación de la MAP-q uinasa por progesterona conduce a la maduración del oocito (Problema 1 ~ 15). (Por cortesía de Helfrid Hochegger.)

véase Figura PI 5-2). Para determinar la curva dosis/res' de la activación de la MAP-quinasa inducida por progeste,. colocan 16 oocitos en cada una de seis p lacas de plástico •·•den diferentes concentraciones de progesterona. Iras una ele incubación se rompen los oocitos para preparar un exde eUos y determinar el estado de fosforllación de la MAP' (en este caso, :~ctivación) median1e electroforesis en gel .1rrilamida SOS (Figura P 15-3A). Este análisis muestra una hl gradual de la MAP-quinasa a concentraciones crecienprogesterona.

·· ue haber roto los oocito~. se observa que no todos los de l.1ra tienen la mancha blanca. ¿Es posible que algunos oocilll sufrido una activación parcial y todavía no hayan alcanI C!> tado de la mancha blanca? Para responder a esta m !>e repite el experimento pero esta ve7. se analiza la acti' r.le la MAP-quinasa en cada oocito individuaJmenle. De orprendente, cada oocito tiene una MAP-quinasa activa o • por completo (Figura Pl5-3B). ¿De qué forma una resmdividual de todo o nada da lugar a una respuesta gradual ••hlación?

(A) M EZCLA DE OOCITOS

activa (+P)

'inactiva (- P) .r _....._. • • -

.. 100 el. -~

50

~ ·= ~

o

'C ..

t 10 progesterona (¡JM)

(B) OOCITOS INDIVIDUA LES

- +

0,03 11M

progesterona

= ~~~-------------O, 1 11M progesterona

=¡,.-.--

--------

fosforilasa quinasa activa

Figura P1 S-4 Integración de las vías de señalización dependiente de AMP cíclico (cAMP) y dependiente de Ca2+ por la fosforilasa quinasa en las células musculares y las células hepáticas (Prohle1r t 1 ').

(A)

0,3 11M progesterona

=.......________ -

PlS-3 Activación de oocitos de rana (Problt-Ma 1~

fosforilasa quinasa rnactiVa

15 19 La vfa de señalización de la polaridad planar de Wnt asegura normalmente que cada célula del ala de una Drosopltila renga un solo pelo. La sobreexpresión del gen Frizzled producida por un promotor de estré~ tém1ico (hs-Fz) hace que muchas células tengan varios pelos (Figura P 15-SA). Este fenotipo es suprimido si hs-Fz se combina con una deleción heterozigota (Dsh.l.) del gen Dislzet't!lled (Figura PI5-SB). ¿Estos resultados permiten ordenar la acción de Friz7Jed y de DisheveUed en la vfa de sei"'alización? Si es asf, ¿cuál es el orden? Explicar el razonamiento.

0,001 0,01 0,1

(B)

5).

"•I.Jción de la MAP-quinasa en una mezcla de oocitos. olación de la MAP-quinasa en oocitos individuales. La MAP.. detectó por análisis inmunológico utilizando un anticuerpo "'de MAP-quinasa. Los dos primeros carriles de cada gel "MAP-quinasa no-fosforilada, inactiva (-)y MAP-quinasa 1.1 activa(+). (De J.E. Ferrel Jr y E.M. Machleder, Science 280:895Con la autorización de la AAAS.)

1

1

1

1S 18 En principio se puede aumentar la forma de Ras unida a GTP y, por tanto, activada, activru1do un factor intercambiador de nucleótidos de guanina (GEF) o inactivando una proteína activadora de la GTPasa (GAP) . ¿Por qué las vfas de seíialización mediadas por Ras siempre incrementan Ras-GTP a través de la activación de GEF y no de la inactivación de GAP?

- +

<(t: :::¡; .. "' O!

15-17 La fosforilasa quinasa integra señales procedentes de vfas de señalización dependientes de AMP dclico o dependientes de 2 Ca + que controlan la degradación de glucógeno en las células del hígado y del músculo (Figura P I 5-4). La fosforilasa quinasa está compuesta por cuatro subunidades. Una es la protefna quinasa que cataliza la adición del fosfato a la glucógeno fosforilasa, activándola para la degradación del glucógeno. Las oLras tres subunidades son protefnas reguladoras que controlan la actividad de la subunidad caraJftica. Dos de ellas lienen sitios que se fosforilan por la PKA, la cual es activada por AMP dclico. La otra subunidad es la calmoduJina, que se une a Ca2• cuando la concenLración citosólica awnenta. Las sub unidades reguladoras controlan el equilibrio entre las conformaciones activa e inactiva de la subunidacl catalrtica. ¿De qué forma esta distribución permite a la fosforilasa quinasa actuar como un interruptor para las diferentes vfas que estimulan la degradación de glucógeno?

hs·FZI+

hs·FZI+

+1+

Dsh Af+

Figura P15-5 Patrón de crecimiento de pelos sobre células de ala en dos Drosophila genéticamente diferentes (Probl >ma 15 9). (De C.G. Winteret al., Ce//105: 81 -91,2001. Con la autorización de Elsevier.)

964

Capítulo 15: Mecanismos de comunicación celular

BIBLIOGRAFfA General Bradshaw RA & Dennis EA (eds) (2003) Handbook of Cell Signallng Elsevier

Roblshaw JD & Berlot CH (2004) Translating G protein subunit diversity 11110 funcuonal specificity Curr Op1n Ce// Bio/16:206- 209. Shaywitz N &Greenberg ME (1999) CREB: a stimulus-lnduced transcription factor ¡¡divated by a diverse array of exrracellu1ar s1gna1s. Annu RI!V Bioe 68:821 861

St Louis. Science's Signal Transduction Knowtedge Environment (Stke): www.stke.org

Señalización a través de receptores de superficie celular asociados a enzimas

Principios generales de la comunicación celular

Baker MD, Wolanin PM &Stock JB (2006) Signal transductton 1n bacteria!

Ben-Shlomo 1, Yu Hsu S. Rauch Retal (2003) S¡gnaling receptome: a genom1c and evolulionary perspecuve of plasma rnembrane receptors ¡nvolwd ín s1gnal transdutuon. Sci STKE 187:RE9. Bourne HR (1995) GTPa~s: a family of molecular sw1tches and ctocks. Phi/os Trans RSoc Lond BBiol Sc/349:283-289. Ferrell JE Jr (2002) Self·perpetuating states in signal transduct1on: pos111ve feedback. double-negative feedback and bistabílity. Curr Opin Ce// Bi<>l 14:140 148. Mangelsdorf DJ. Thummel C, Beato M et al (1995) The nuclear receptor superfamíly: the second decade. Ce//83:835-839 Murad F (2006) Shattuck Lecture. Ntnic oxide and cycltc GMP in cell slgnallng and drug development. N Eng/J Med 355:2003-2011 Papín JA. Hunter T. Palsson BO & Subramaniam S(2005) Reconsuuction of cellular signalhng network~ and analysis of their properties Nature Rev Mol Ce// Brol6:99-111. Pawson T & Scott JO !2005) Protein phosphorylation In slgnahng-50 yecJrs and counung. Trends Biochem Sci 30:286- 290 Pir~-daSilva A & Sornmer RJ (2003) The evolut ion of signalling pathways 1n animal development. Narure Rf!V Gener 4:39--49. Robinson-Rechavi M. Escriva García H &Laudet V (2003) The nuclear receptor superfamdy. J Ce// Sd 116:585- 586. Seet BT, Dikic 1. Zhou MM & Pawwn T (2006) Reading p¡ote1n mod,fications w1th interaction domains. Natu re Rf!V Mol Ce// Bio/7473-483. S1nqla V & Re1ter JF (2006) The primary cihum as the cell's antenna signahng ata sen~ry organt•IIP <;crence 313:629 -633.

Señalización a través de receptores de superficie celular asociados a protelnas G (GPCR) y mediadores intracelulares pequeños Berndge MJ (2005) Unloeking the secrets of cell ~ignJiing Annu Rf!V Physíol 67;1-21 Berrídge MJ, Bootman MD & Roderkk HL (2003) Cakíum srgna11ing: dynamics, homeostasis and remodelhng. Nature Rev Mol Ce// &ol4 517- 529. Breer H (2003) Sense of smell: recognltion and rran~uction of olfactory signals.Biochem Soc rrons 31·1 13-116. Burns ME & Baylor DA (2001) AC1ivation, deactivation, and ad.lptation 111 vertebrate photoreceptor cells. Annu Rev Neurosci 24:779-805. Cooper DM (2005) Compartmentalization of adenylate cyclase and cAMP signalhng. Blochem Soc rrans 33:1319-1322. Hoefhch KP & lkura M (2002) Calmodulin in actlon: diversity in target recogmt1on and activation mechanisms. Ce/1108:739-742. Hudmon A & Schulman H (2002) Strucrure-luncuon of the mulufuntttonal Ca1 • /calmodulin-dependem protein k1nase 11. 8ioehem J 364:593- 611 Kamenetsky M, Middelhaufe S, Sank EM et al (2006) Molecular details of cANIP generauon in mammalian cells: a tale of two systems. J Mol Biol 362:623-639. Luttrell LM (2006) Trammembrant> s1gnaling by G proteln-coup1ed receptors Methods Mol Biol332:3-49. McConnachie G, Langeberg LK & Sean JO (2006) AKAP signaling complexes: getting to the heart ofthe matter. TrendsMal Med 12:317-323. Parker PJ (2004)The ubiquitous phosphoinosittdes BiochemSoc Trans 32:893--898. Pierce Kl.. Premont RT & Lefkowitz RJ (2002) Seven·transmcmbrane receptors. Nawre Rf!V Mol Ce// Bio/3:639-650. ReiterE & Lefkowitz RJ (2006) GRKs and beta-arrestins: roles in receptor si1encing, traffkking and signaling. Trends Endoermol Merab 17·159-165. Rhee SG (2001) Regularían of phosphoinositíde--spec1flc phospholipase C. Annu Rf!VBíochem 70:281-312.

chemotaxis. 8i<>fssays 28:9-22 Dard N & Peter M (2006) Scaffold proteins in MAP kinase signaling. more t simple passive clCtlvating platforms B1oEssays 28:146- 156. Darnell JE Jr. Kerr IM &Stark GR (1994) Jak-STAT pathways and transcriptio activation in response to IFN~ and other e><tracellular signaling prote,ns. Science 264:1415- 142.1. Downward J (2001) PI 3·k1na~. Akt and ce\1 survival. Semrn Ce// Dev Bioi 15:177- 182. Jaffe AB & Hall A (2005) Rho GTPases: biochemimy and b1ology. Annu Rev Dev Bío/21.247-269. Massague J & Gomis RR (2006) The logic ofTGr~ s¡gnaling .FEBS Letr 580:2811-2820 M1tin N. Rossman Kl. & Der CJ (2005) Signaling 1nterplay In Ras superfamlly function. CurrBio/1S:RS63-574. Murai KJ< & Pao;quale EB (2003) Eph'ecuve signallng forward reverse and crosstalk.JCel/ Sci 116:2823- 2832. P;.wwn T (2004) Specifictty in signa! transduction: lrom phosphotyroslne domain ínteractions to complex cellular systems. Ce//116;191 -203 Qi M & Elion EA (2005) MAP kinase pathways.JC<'I/Sci 1183569- 3572 Rawlings JS, Rosler KM &Harrison DA (2004) The JAK!STAT signaling path )(el/Ser 117:1281-1283 Roskoski R Jr (2004) Src protein·tyrosine ktr1dse structure and regulation Bioehem Biophys Res Commun 324:1155-1164 Schlessinger J (2000) Cell s1gnaling by receptO( tyrostne kinases Cell 103:211 - 225 Sahln M, Greer PL Ltn MZ et al (2005) Eph ·dependent tyros111e phosphorylation of ephexin 1 modulates growth con e collapse. Neuron 46:191 - 204 .Schwartz MA& Madhanl HD (2004) Principies of MAP l<.tnase signaling specifícity in Sacc horomyces cerf!Víliae. Annu RI!V Genrc .38:725-748 Shaw RJ & Cantley LC (2006) Ras, PI(3)K ancl mTOR signalling controls tu cell growth. Narure 44:424-430 WassarmcJn DA. Therrien M & Rubin GM (1995) fhe Ras s1gnal1ng pathway Drosophilo. Curr Oprn Genet Dev 5:44-50. Wullschleger S, Loew1th R& Hall MN (2006) TOR signaling 1n growth an<J metabohsm Cel/124:471 -484

Vías de señalización dependientes de proteolisis regulada por proteínas latentes reguladoras de genes Bray SJ (2006) Notch stgnalllng a s1mpiP pathway bE.'Comes complex. Nature Rf!V Mol Ce// Bio/7:678-689 Clc>vers H (2006) Wnt~·catenin signaling in dcvelopment and dt~ase Ce// 127:469--480. Hoffmann A & Balnmore D (2006) Circuitry of nuclear factor KB Slgnaling lmmunoiRev 210:171 - 186. Huangfu D & Anderson t<Y (2006) Signalíng from 5mo to Ci/Gir conser and d1vergence of Hedgehog pathways from Orosoph1la to vertebratc Oevelopmenr 133.3 14

Señalización en plantas Benavente LM & Alonso JM (2006) Molecular rnechanisms of ethytene sigfklllng in Arabidopsis. Mol Biosyst 2:165-173. Chen M. Chory J & Fankhauser C (2004) Light signal transductíon tn h19 plants. Annu Rev Gener 38:87-117. Dievan A & Ctark SE (2004) LRR-conta~ning receptors regulating plant development and defen~ Developmenr 131:251-261. leale WD, Paponov lA & Palme K (2006) Auxin in adion: signa11ing. rram and the control of plant growth and development. Nawre Rev Mol Cel 7:847- 859.

1citoesqueleto "''las células funcionen tienen que organizarse espacialmente e interaccionar de forma '"a con su entorno. Deben disponer de una morfología correcta, ser f'ísicamente resis\ flOSeer una estmctura interna adecuada. Muchas de e Ua:, tienen que sufrir cambios de \ desplazarse de un lugar a otro. Todas las células tienen que reordenar sus componen' nos al crecer, dividirse o adaptarse a las circunstancias que cambian. Las células euca'·'n adquirido un gran desarrollo de toda~ estas funciones espaciales y mecánicas que lo·n de un sistcm~1 de filamentos denominado dtoesqueleto (Figura 16-1). • rtoesqueleto tira de los cromosomas durante la mitosis y después divide la célula en •nduce y dirige el tráfico intracelular de orgánulos y transporta materiales desde un oft·la célula a otro. Sostiene la frágil membrana plasmática y proporciona el sostén lrn que permite a la célula soportar el estrés sin ser destmida por los cam bios am! .,. A algunas células, como los espermatozoides, les proporciona la capacidad de naliras, como por ejemplo fibroblastos y células blancas sanguíneas, la posibilidad de u superficies. Otorga a las células musculares la maquinaria para la contracción .u y permite a las neuronas extender los axones y dendritas. Dirige el crecimiento de 1 t·clular vegetal y controla la enorme diversidad de formas de las células eucariotas. f:ran variedad de funciones del citoesqueleto depende del comportamiento de tres de proteínas, que se ensamblan formando tres tipos principales de filamentos. Cada lilamento presenta distintas propiedades mecánicas, distinta dinámica y disrintos \' funciones biológicos, pero los tres tipos comparten ciertos principios fw1damen.rus principios proporcionan la base para la comprensión general sobre cómo traba'"'"queleto y cómo los distintos elementos cooperan entre sf. De la misma forma que ···ligamentos, huesos y rmíscuJos deben trabajar juntos, los tres sistémas de frlamen' lloesqueleto deben funcionar colectJvameme para proporcionar a la célula su for' tll'ri'.a y su capacidad para moverse.

En este capítulo EL AUTOENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO

965

CÓMO REGULAN LAS C~LULAS LOS FILAMENTOS DE SU GTOESQUELETO

992

MOTORES MOLECULARES 1010 EL CITOESQUELETO 1025 Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR

1

1 1

1 ··,te capftulo, describiremos los tres tipos principales de filamentos intem1edios, los Iros

básicos que regulan su ensamblaje y desensamblaje. y sus peculiaridades indivi-

1lcspués se explicará cómo interactúan otras proteínas con los tres sistemas fila-

¡

principales, capacitando a las células para establecer y mantener un orden para cambiM y remodelar su superficie, para desplazar orgá.nulos de una forma didesde un punto a otro y, cuando sea preciso, desplazarse hacia nuevos destinos.

AUTOENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO ••rra de las células eucMiotas tienen tres tipos de ftlan1entos del ci toesqueleto que son 1hles de su organización espacial y de sus propiedades mecánicas. Los filamencos dios propo rcionan fuerza y resistencia a l estrés mecánico. Los microtúbulos de"' las posiciones de los orgánulos rodeados de membrana y dirigen el transporte t•lar. Los jilamemos de actina determinan la forma de la superficie celular y son nepara la locomoción. Pero estos filamentos del citoesqueleto no serían eficientes sin ""de protefnas accesorias que unen los filamentos al resto de componentes celularu• sf. Este gran conjunto de protelnas accesorias es esencial para el ensamblaje condl' los filamentos en localizaciones específicas e incluye a las protefnas motoras, ~otria molecular que convierte la energía de la hidrólisis del ATP en fuerza mecánica de desplazar los orgánulos a Jo largo de los filamentos o a los filamentos entre sí.

¡

lt,\·1·-~~¡ti~".~· - · ~~ //. ·

..• · t:'1: · rtf/ • '\ · (\-1·· • . \ . ;;¡~ . / ·~.:-.:: -!~~/>" ~¡,;' . '· -~?'; ,}¡ + . ~·--:':f ·t:.~

•'

~

• .' . . •

.

1

~--·~ --~oL~'-

L__j 101Jm

Figura 16-1 El citoesqueleto. Una célula en cultivo ha sido fijada y marcada para mostrar dos de los sistemas más Importantes del citoesqueleto, los microtúbulos (verde) y los filamentos de actina (rojo). El DNA del núcleo se ha marcado en azul. (Por cortesla de Albert Tousson.)

965

1 1

966

Capítulo 16: El citoesqueleto

En esta sección, se describirán las propiedades de las proteínas que forman los filamentos del citoesqueleto. Nos centraremos en su capacidad para la formación de estrucruras autoorganizadas y polarizadas. Veremos cómo, debido a los singulares mecanismos que permiten el dinamismo de los ftlamentos del citoesqueleto, la célula es capaz de responder rápidamente a cualquier eventualidad que le pueda suceder.

Los filamentos del citoesqueleto son dinámicos y adaptables Los sistemas del citoesqueleto son dinámicos y adaptables, organizados de forma más parecida a los ruJ>tros de las hormigas que a las grandes autopistas. FJ rastro de una honniga puede perdurar horas y se extiende desde el hormiguero hasta la fuente de alimento, pero las hormigas no son estáticas dentro de la hilera. Si las hormigas buscadoras encuentran un nuevo lugar que es mejor para alimentarse. o las que se encuentran en ese lugar inicial lo limpian y se van, la estructura dinámica se reorganiza con una rapidez impresionante. De forma parecida, las grandes estructural> del citoesqueleto pueden camb1ar o perdurar de acuerdo con Las necesidades. de modo que subsisten durante periodos de tiempo que van desde menos de un minuto a la totalidad de la vida de la célula. Pero los componentes individuales que forman pane de estas estructuras están constantemente en un estado fluctuante. Asf pues. igual que las alteraciones en las hileras que forman las hormigas, cuando las condiciones cambian, la reorgani7.ación celular estructural requiere energfa adicional. La regulac1ón del componamiento dinámico ydel ensamblaje de los mamentos del citoesqueleto permite a las células eucariotas formar un conjunto enorme de esrrucruras a partir de los tres tipos de filamentos básicos. Las micrograffas del Panel 16-1 muestran algunas de estas estructuras. Los microtúbulos, que a menudo se encuentran dispuestos en forma de estrella en el citoplasma originándose a partir del centro de una célula en interfase, pueden reorganizarse con rapidez formando el Iluso mitótico bipolar durante la división celular. También pueden formar prolongaciones móviles en la superficie de la célula llamadas cilios y jlllgelos, o haces fntimamente alineados que actúan a modo de piMa para el transpone de materiales a lo largo de los axones neuronales. En las células vegetales, las hileras organizadas de microtúbulos cooperan formando el patrón de síntesis de la pared celular. Los fllamentos de actina, que se encuentran por debajo de la membrana plasmática de las células animales, proporcionan fuerza y forma a su delgada capa lipfdica. También pueden formar muchos tipos de prolongaciones citoplasmáticas en la superficie celular. Algunas de ellas son estructuras dinámicas, tales como los jilopodios o lamelipodios, que las células utilil.an para explorar el territorio y arrastrarse de un lugar a otro. El anillo colllrdctil de actina se ensambla de forma tmnsitoria para dividir en dos a la célula; haces más estables permiten a las células adherirse a un sustrato subyacente y permitir la contracción muscular. Los haces regulares de estereocilios, en la superficie de las células epiteliales pilosas del oído interno, están formados por fLlamentos de actina estables que vibran como cuerdas rígida e, en respuesta al sonido, y los microvilli, organizados de forma parecida en la superficie de las células epiteliales intestinales, aumentan el área superficial apical incrementando asf la superficie de absorción de los nutrientes. Los filamemos intennedios rodean la superficie interna de la envoltura nuclear, formando una red protectora para el DNA; en el citosol, se ensamblan generando rígidos cables que mantienen en oposición las capas de células epiteliales, ayudan a las neuronas a extender axones largos y compactos y permiten formar apéndices resistentes como cabellos y uñas. Un ejemplo importante y espectacular de reorganización rápida del citoesqueleto se produce durante la división de la célula, como se muestra eu la Figura 16-2 para un fibroblasto creciendo en una placa de cuHivo de tejidos. Después de la replicación de los cromo~omas, el ha7. de microtúbulos en interfase que se extiende a Lo largo del citoplasma se reconfigura formando el huso mitótico bipolar, que tiene la importante función de segregar de forma precisa las dos copias de cromosomas replicados en los dos núcleos hijos. Al mismo tiempo, las estructuras especializadas de actina que permiten a los fibroblastos arrastrarse a lo largo de la superficie de la placa se desensamblan y así la célula deja de desplazarse, se redondea y adquiere una forma más esférica. La actina y su protefna motora asociada miosina forman entonces un cinturón alrededor de la parte central, el anillo contráctil, que se constrit1e igual que un músculo fino y divide a la célula en dos. Cuando ha finalizado la división, el citoesqueleto de los dos fibroblastos hijos se ensambla de nuevo en sus estructuras de interfase para convertir las dos células hijas esféricas en versiones más pequeñas de la célula madre extendida y reptante. En un fibroblasto, esta secuencia de acontecimientos dura al re-

AUTOENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO

967

Rgura 16-2 Cambios rápidos de la organización del citoesqueleto asociados con la división celular. El fibroblasto del esquema tiene un citoesqueleto de actina dinámico y polarizado (se muestra en rojo) que se ensambla empujando el extremo de avance hacia la derecha. El citoesqueleto de microtúbulos (se muestra en verde) ayuda a la polarización del citoesqueleto de actina y consiste en largos microtúbulos que irradian a partir de un centro organizador de microtúbulos localizado enfrente del núcleo. Cuando la célula se divide, el haz polarizado de mícrotúbulos se redistribuye formando el huso mitótico bipolar que es responsable del alineamiento y separación de los cromosomas duplicados (morrón). los filamentos de actina forman un anillo contráctil en el centro de la célula que induce su división en dos células hijas después de la separación de los cromosomas. Una vez finalízada la división celular, las dos células hijas reorganizan ambos dtoesqueletos, actina y microtúbulos, en versiones más reducidas que los de la célula madre, permitiéndoles adoptar sus formas Independientes.

l 1

¡¡

1

·¡

!¡ ,, dí' una hora; en algunos caso~. tales como las primeras divisiones nucleares del em• de Drosophila, el citoesqueleto de actina y los microtúbulos pueden reorganizarse por IJ'It•to en menos de cinco minutos (Figura 16-3). ~luchas células necesitan también reorgani7.aciones rápidas del citoesqueleto para su !lllamiento normal durante la interfa~e. Por ejemplo, el neurr6filo, un tipo de célula ~Jfnca de la línea blanca, persigue y engulle bacterias y bongos que accidentalmente han '\li, lo a las partes del cuerpo, por lo general estériles, a través de cortes de la piel. Al igual

1

11

;1

distancia de la superficie celular

0 11m

·n

2(.1m

r~ ~ti-

.

rfase

• •

4jlm

~: ~1 ~..

i .• •1. IT'.l1

ofase

;-··. ' i

.

.. .11! \

• .. .••• ¡

.

~

1

1

·" t

.

1

In

•fase

,

1

••

.. 1

, .:

.'.J \ '

11

.._

..

..

/

6(.1m

' t

. . ,.

.... ~ " ,~, .....' 1

Rgura 16-3 Cambios rápidos que se producen en la organización del citoesqueleto observados durante el desarrollo de un embrión temprano de Drosophila. ITCT En esta célula plurinuclear gigante, las primeras divisiones celulares se producen cada 1Ominutos o menos en un citoplasma común. las reorganizaciones rápidas de los filamentos de actina (rojo) y de los microtúbulos (verde) observadas en el embrión vivo son necesarias para separar los cromosomas en la mitosis, mientras se evita que cada núcleo colisione con sus vecinos. (Cortesfa de William Sullivan.)

¡ 1 1

(tambren conocidos como mterofilamentos) son dos polfmeros hellcoidales de la protelna actrna. Aparecen como estructuras flexibles, con un drámetro entre S-9 nm. organizados en una gran variedad de haces hneales, de redes bidrmen\ronales y geles tridimensionales. Aunque los filamentos de actina están dispersos en el citoplasma de la célula, se encuentran muy concentrados en el córtex, justo por deba¡o de la membrana plasmátrca

• - o

..

. ... .

• • , •• •

~

:' o

. . ....-

~

·~- ,., .,. . •.

'· ....... ·~

'

.•••

=- :_!

100nm

t

C' Vo·~

Los mrcrotubulos son cilindros largos y huecos formados por la protelna tubullna Con un diametro externo de 25 nm son mucho más rlgidos que los filamentos de actina Los microtúbulos son largos y rectos y normalmente trenen un extremo unido a un centro organizador de mlcrotúbulos (MTOC) llamado centrosoma

Los frlarr - ~nto +nterm.,J' •s son estructuras parecrdas a cuerdas, de un diámetro de unos 10 nm; están formados por las protelnas de los filamentos Intermedios. que constrtuyen una familia numerosa y heterogénea de protelnas. Uno de los tipos de filamentos intermedros forma una malla llamada lámina nuclear que se localiza deba¡o de la membrana nuclear interna Otros filamentos intermedios se extienden a lo largo del crtoplasma proporcionando a las células resistencia mecanica. En un tejido eprtelial, se extienden por el citoplasma desde una umón celular hasta otra y proporcionan resistencia al epitelio entero

OENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO

mayoría de células que se arrastran, lo!> neutrófilos avanzan extendiendo estructuras ·rantes en el extremo de avance formadas por nuevos filamentos de actina polimerit u ando la evasiva presa bacteriana se mueve en una djrección diferente, el neutrófilo ·mganizar sus polarLr..adas estructuras protuberantes en cuestión de segundos (Figura \mbos tipos de reorganizaciones rápidas del citoesqueleto se describirán con más 1·n la sección final de este capftulo.

toesqueleto también puede formar estructuras estables 1!'lulas que han con'>eguido una morfología estable y diferenciada tales como las neurnadtuas o las células epiteliales, los elementos dinámicos del citoesqueleto deben -.nrdonar también estructu ras altamente estables para la o rganización celular. En las cépuclialcs especializada¡, que recubren órganos como el intestino y el pulmón,las protu1;,, del citoesqueleto de la superficie celular incluyendo microviUi y cilios son capaces .nwner una longitud. un diámetro y una localización constante a lo largo de toda la vililrélula. Para los haces de actina en el centro de los micrm·illi de las células epiteliales esto sólo significa unos cuantos dra~. Sin embargo, los haces de actina del ce nIn!> estereocilios de las célula~ pilo!>as del oCelo interno deben mantener su organiz.atable durante toda la vida del arumal. puesto que estas células no ~e renuevan. Aun filamentos de actina indiVIduales se mantienen dinámicos de una fonna impresio' '>e remodelan} -.ustituyen de forma continua cada 48 horas de media, incluso denl''tas estructuras de la superficie celular estables que persisten durante décadas. Atlt•más de fonnar protuberancias especializadas y estables en la superficie celular, el ci·leto es responsable de la polaridad celular, pennitiendo en las células diferenciar una )pical y una parte basal asr como partes laterales. La infonnación de la polaridad codipor la organización del citoesqueleto a menudo debe mantenerse toda la vida de la cé1~•' células epiteliales polarizadas como las que revisten la pared del intestino, por utilizan haces organi7.ado-. de microtúbulos, filamemos de actina y filamentos in.mnuos para mantener diferencias funcionales críticas entre la superficie apical que absortrientes d esdc el lumen del intestino por donde pasa el alimemo a la superficie ank•t•·ral donde la célula transfiere los nutrientes a través de la membrana plasmática hacia ulación sangurnea. Deben mantener también uniones adhesivas fuertes con las células para permitir que esta capa de células sirva de barrera frsica efectiva cngurn 16-5). 111luso una célula pequer\a y morfológicamente sencilla como la de la levadura u1romyces ceret,isiae necesita una polaridad grande y estable. La característica más nolit• la estructura de estas célula¡, es su elevada asimetría, evidente en la manera en que ulen por yemas generando una célula hija pequeña y una célula madre más grande. Nmetría es debida a la orientación polar del citoesqucleto de actina. En esta!> células se t!n dos tipos de ensamblaje de los filamentos de actina; cables de actina (largo!> haces ,,mentos de actina) y fragmentos de actina (ensamblajes pequeños de filamentos con el córtcx celular que indican los lugares de endocitosis mediada por actina). lulas de levadura proliferantes deben ser muy polarit.adas para penrutir a la célula crelllél yema en un lugar concreto de la superficie celular, mientras que el lado opuesto ereforma uni forme. En este proceso, los fragmentos de actina se encuentran en una elevada en el extremo en crecirruento de la yema. con los cables de actina ali'' y aplmtando hacia ellos. Esta organización d e actina dirige la secreción de la nueva reluJar y de otros materiales hada el lugar de gemación (A gura 16-6). La organización de las estn1cturas de actina influye a la ve1. en la orientación del huso mitótico de que un conjunto completo de cromosomas replicados pueden ser rurigidos hacia la hija al fmal del proceso de la división celular. 1

969

Figura 16-4 Un neutrófilo a la caza de una bacteria. TCTA > En esta preparación de sangre humana, un grupo de bacterias (flecha blanca) está a punto de ser capturado por un neutrófilo. Mientras la bacteria se desplaza, el neutrófilo reensambla rápidamente su densa red de actina del extremo en avance (rojo) para dirig~rse hacia el lugar donde están las bacterias. El rápido proceso de ensamblaJe y desensamblaje del citoesqueleto de actina en esta célula le perm1te cambiar la orientación y dirección de su movimiento en pocos segundos. (A partir de un vfdeo grabado por David Rogers.)

' 1 1

1

ji

1

,\

j\

l

l

!¡ 11

970

Capitulo 16: El citoesqueleto

A PICAL

microvílli

red terminal de actína un1ón adherente

desmosoma

hemidesmosoma lámina basal ~

filamentos Intermedios microtubulos mlcrofilamentos de actina

BASAL

Figura 16-5 Organización del d toesquelet en células epiteliales polarizadas. Todos len componentes del citoesqueleto cooperan produciendo las formas caracteristicas de 1.1) células especializadas incluyendo las célul.n epiteliales que tapizan el intestino delgado. En la superficie apical (superior), mirando hacia ellumen intestinal, los haces de filamentos de actina (rojo) forman los m~erov1lli que aumentan la superficie de la que dispone la célula para la absorción de nutrientes a partir de los alimentos. Justo pOJ debajo de los microvllli, una banda circular de filamentos de actlna contribuye a la formación de las uniones célula célula que impiden que el contenido dellumen Intestinal sea vertido al orgamsmo. Los filamentos intermedios (azun están anclados a otros tipos de estructuras adhes1vas incluyendo desmosomas y hemldesmosomas que conectan las célula epiteliales en una lámina robusta y las adh1eren a la matriz extracelular subyacen! en la cara basal de la célula; estas estructur adhes1vas tan importantes ser~n tratadas el Capitulo 19. Los mícronibulos (verde) se distribuyen verticalmente desde la superfl ap1cal de la célula hasta la superficie basal y proporcionan un sistema global coordina que perm1te dinglf a los componentes de nueva síntesis hacia sus localizaciones espec1ficas.

Pequeñas subunidades proteicas forman cada uno de los tipos de filamentos del citoesqueleto A menudo las estructuras del citoesquelcto recorren la célula desde un extremo a otro, extendiéndose decenas o inclu~o centcnare~ de micras, aunque por lo gene m! cada una de las moléculas proteicas sólo miden unos cuanto'> nanómetros. La célula construye las grande~ eslrtlctum!> mediante el ensamblaJe repetitivo de grandes cantidade., de pequefws subuni dade~. de la misma forma que mucho'> ladrillos fom1an un rascacielos. Dado que las '>ubunidades son peque1'las, difunden con rap1dez por el citopla'>ma, mientras que los filamentos no. De esta fom1a, las células pueden rcorgani7~rse eMructuralmente de forma rápida, desensamblando filamentos en un SitiO y ensamblándolos en otro c;itio más lejano (Hgura 16-7). Los 11lamcnto'i mtermedios se forman a partir de subunidades más pequenas que los convierten en alargados y fibrosos, 1111entms que los filamentos de actina y los microtúbulos se forman a partir de subunidades que hacen que sean compactos y globulares; la~ subuni dndes deactina forman los filamentos de actina,lac, subunidades de tulmlina fonnan los m1-

(A)

(8)

(0 1011m

Figura 16-6 Polaridad de los parches y cables de actlna en el ciclo celular de la levadura. Las estructuras de actma filamentosa en las células de levadura. marcadas con falatdina nuorescente, estAn formadas por los parches de actina (rnan(f circulares bnllantes) y los cables de acllna (lineas extendidas). (A) En una célula madi antes de la formaCión de la yema, la mayo(, de los parches se encuentran acumulado\ un extremo. Los cables están ellineados y apuntan hacia el conjunto de parches, 1 donde aparecer~ la yema . (B) Mientras la yema crece, la mayoría de parches permanecen en esta región. Los cables de la célula madre continúan apuntando este lugar de crecimiento de la nueva pa¡ celular (Cl Los parches están distribu1doi casi de forma uniforme sobre la superfic la yema, que ya tiene casi el tamaño final (D) Inmediatamente después de la división celular, las células madre e hija forman nuevos parches, concentrados cerca del lugar de división, aunque ambas células tienen todos los cables orientados al aza1 (DeT5. Karpova et al., J. Ce// Biol. 142: 1SOHS17, 1998.Con la autorización de The Rockefeller Univers1ty Press.)

AUTOENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO

1túbulos. Los tres tipos de filamentos del citoesqueleto se forman a partir de ensamblajes ta.ficoidales de sus subunidades (véase Figura 3-26), que se autoasocian, utilizando combiiones de contactos proteicos entre extremos y Laterales. Las diferencias en la estructura las subunidades y la resistencia de las fuel7..as que Las unen generan Las diferencias críticas manto a estabilidad y propiedades mecánicas que caracterizan cada tipo de ftlamento. Las uniones covalentes entre sus subunidades mantienen juntos a la mayoría de polímeros cígicos, incluyendo DNA, RNA y proteínas. Por el contrario, interacciones no-covalentes iles mantienen juntos los tres tipos de "polfmeros" del citoesqueleto. En consecuencia, rnsamblaje y desensamblaje puede producirse rápidamente, sin necesidad de formar o rumper enlaces covalentes. En el interior de la célula, cientos de diferentes proteínas accesorias están asociadas al ~t•squeleto y regulan la distribución espacial y el comportamiento dinámico de los fila·ntos transformado la información recibida a través de las vfas de señalización en acciones l"itoesqueleto. Estas protefnas accesorias se unen a Jos filamentos o a sus subw1idades y minan los lugares de ensamblaje de nuevos filamentos, regulan la ruptura d e los filauos formando sub unidades, cambian la cinética de ensamblaje y desensan1blaje, transnan la energfa en fuerza y unen los filamentos unos a otros o a otras estructuras celulares 111 los orgánuJos del citoesqueleto o a la membrana plasmática. En estos procesos las l'inas accesorias someten al citoesqueleto al control de las señales extracelulares e inlulares, incluyendo las que producen las grandes transformaciones del citoesqueleto .une cada ciclo celular. Su acción conjunta permite a la célula eucariota mantener la t!Stura interna altamente organizada y 11exible que posee y posibilita el desplazamiento.

971

subunidades solubles peque~ as

.. --

polimeros filamentosos largos

-~· ••• ••• •••••• • • •• • (A)

... . .•.

~ · ~

_¿ ..... •

~~ '

" '-

se~al, como por ejemplo un nutriente

~ESENSAMBlAJE

~1 yO flll""""' ,/'

!LAMENTO DE UN FON RÁPIDA DIFUSI DE SUB UNIDADES

REENSAMBlAJE DE FILAMENTOS EN EL MISMO LUGAR

1

filamentos formados por protofilamentos múltiples 1en propiedades ventajosas (B)

~·neral, se considera que la unión de subunidades proteicas formando un filamento es

unple reacción de asociación. Una :.ubunidad libre se une al extremo de un filamento

'a contienen subunidades, formando un filamento que tendrá una longitud den ,_ 1. La '"adicional de cada subunidad en el extremo de un polimero genera un nuevo extremo u· puede unirse una nueva subunidad. Sin embargo, en las células los resistentes fllaIIIS del citoesqueleto no se construyen simplemente uniendo subunidades de esta for' omo si se tratara de una cuerda lineal. Por ejemplo serían suficien tes cerca de mil •',meros de tubulina en línea para abarcar el diámetro de una célula pequeña eucariota, un filamento formado de esta forma no tendrfa suficiente resistencia para resistir la l(la ambiental, a menos que cada subunidad estuviera unida con fuerza a s us vecinas. unión tan fuerte limitarla la velocidad de desensamblaje de los filamentos y transfor' el citoesqueleto en una estructura estática y poco útil. l11s polfmeros del citoesqueleto combinan resistencia y adaptabilidad, ya que están rruidos de múltiples protomamemos - largas cuerdas lineales formadas por subunidamidas extremo con extremo- que también se asocian de forma lateral; estos protofilaros se enrollan unos alrededor de otros formando una hélice. La adición o pérdida de uhunidad en el extremo de un protofilamento genera o rompe un conjunto de enlaces rudinales y uno o dos conjuntos de enlaces laterales. Sin embargo. para que un flla'" se rompa por la mitad hace falta que desaparezcan enlaces longitudinales en distinrotofilamentos al mismo tiempo (Figura 16-8). La gran diferencia energética entre " procesos permite a los filamentos del citoesqueleto resistir a las rupturas térmicas, 11 .rs que sus extremos son estructuras dinámicas, en los que la adición o la pérdida de nrdades se pueden producir rápidamente. llc forma parecida a otras interacciones proteína-proteína, las subunidades de los frlal•ls del citoesqueleto se unen a través de w1 gran número de interacciones hidrofóbicas nlaces no-covalentes débiles (véase Figura 3-4). La localización y el tipo de los enlaces .•. producen entre las subunidades son distintos para los diferentes filamentos del citolt•to. Por ejemplo, los filamentos intermedios se ensamblan fom1ando fuertes contac••·ralcs entre las partes sobreeruolladas de las hélices a, que se extienden sobre la " parte de la longitud de cada una de las subunidades fibrosas. Dado que cada una de 1hunidades está distanciada en el filamento, los filamentos intermedios toleran los eswntos y las rotaciones, y forman estructuras rígidas parecidas a cuerdas (Figura 16-9). lmntrario, los microtúbulos se generan a partir de subunidades globulares que se man1 ¡untas principalmente mediante enlaces longitudinales, de forma que los enlaces

Figura 16-7 El citoesqueleto durante los cambios en la forma celular. La formación de los filamentos proteicos a partir de subunidades proteicas mucho más pequeñas permite un ensamblaje y desensamblaje regulado, lo que redefine la forma del citoesqueleto. (A) Formación de un filamento a partir de una protelna pequeña. (B) Rápida reorganización del citoesqueleto en una célula respondiendo a una señal externa.

1

1

1)

1

972

Capít ulo 16: El citoesqueleto

~

~

FRAGURA

EL CENTRO OMPE UN ENLACE

DESAPARICIÓN

UN EXTREMO OMPE UN ENLACE

••••••••• +

+

PROTOFILAMENTO SIMPLE: T~RMICAMENTE INESTABLE

]

........... . ....................... .

+++++++++ .................................... ++++++•••

~

..

Figura 16-8 Estabilidad ténnica de los filamentos d el cltoesqueleto con extremO\ d inámicos. la fonnación de un filamento del cltoesqueleto a partir de más de un protofilamento penníte el dinamismo de sus extremos, de fonna que los filamentos resisten la ruptura ténnica. En este ejemplo hipotético, el filamento estable está formade por cinco protofilamentos. Los puentes que mantienen unidas las subunldades en los filamentos se muestran en rojo .

.... ...... ..............................

1

5 protofilamentos

~

-

•••+-+•+4--+

.................................. .... .......................

~ ...................................

DESAPARICIÓN

FRACTURA

UN EXTREMO MPE UN ENLACE NGITUOINAL Y DOS NLAaS LATERALES

El CENTRO OMPE 5 ENLACES NGITUDINALES

................................ ...............................

++++++4-+

+

PROTOFILAMENTOS MÚLTIPLES: T!:RMICAMENTE ESTABLES

laterales que unen a 13 protofilarnentos son mucho más débiles. Por esta razón, los microtú bulos se rompen con más facilidad cuando se curvan que los filamentos intermedios.

La nucleación es la etapa limitante en la velocidad de formación de los polímeros del citoesqueleto La organización en protofilamentos múltiples de los polímeros del citoesqueleto supone importantes consecuencias adicionales. Oligómeros cortos formados por unas cuantas subunidades pueden ensamblarse de forma espontánea, pero son inestables y se desensamblan fácilmente puesto que cada monómero sólo está unido a unos cuantos monómeros distintos. Para que se forme un filamento grande, las subunidades se tienen que ensamblar en un agregado inicial, o núcleo, que está estabilizado mediante muchos contactos subunidad-subunidad y que a partir de entonces puede alargarse con rapidez mediante la adición de más subunidades. El proceso inicial de ensamblaje de este núcleo se llama 1111cleación del fllamento, y puede durar bastante tiempo, dependiendo del número de subunidades que se deban unir para formar el núcleo lnícial. La inestabilidad de los pequeños agregados genera una barrera cinética a la nucleación, que puede observarse con facilidad en una solución de actina o tubulina puras (las subunisubunidades largas escalonadas: dominan los contactos laterales

l PROPIEDADES PARECIDAS ACUERDAS

Figura 1&-9 Un filamento resistente fo rmado por subunldades fibrosas alarg adas con contactos laterales fuerte:s. Los filamentos intermedios están organizados de esta fonna y, por tanto. son e.specialmente resistentes a las fuerza1 de replegamiento y estiramiento aunque se doblan fácilmente.

ITQENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO

nudeación (fase lenta)

alargamoento (fase de crecimiento)

concentración de monómeros .en el. estado estacoonano

1 =; Ce- --: .

estado estacionario (fase de equilibrio)

B'.

alargamiento (fase de crecimiento)

estado estacionario (fase de equilibrio)

100

~

9

JIB

'¡f

~~ . ' • ~"'f'1l amento d e actma

"'e

--·

'B

con subunidades entrando y saliendo

....

973

..

., E

1

"'"' ~::: 16 e-: "'-'::>

--· ·--

. {filamento de actina B con subunidades entrando y saliendo

"'~ .. o "'~ "'

..,/• filamento de actina ...._ • en crecimiento

-

e

./ti filame~to. de actina ...._ en crec1m1ento 11

"' 01 / _ .,5.2 Ql

1,..obunidades actina _ t; _ (A)

<)'

"'

/

~

. ohgómeros

o tiempo después de añadir la sal -

'

-

aqul se añaden fihmrntos :k i!'(""n,-

{B)

ole los l'llamcntos de actina y de los microtúbulos, respectivamente). Cuando se inicia lmcrización en un tubo de ensayo que contenga los componentes individuales (aullido la temperatura o la concentración de sales), se produce una fase inicial de calma ·u la que no se observan filamentos. Sin embargo, en esta fase inicial unos cuantos .ulos pequef1os e inestables tienen éxito y se transforman en formas filamentosas más h de fom1a que a esta fase inicial le sucede una fase de elongación rápida del filamenl.a que las ~ubunidades se añaden rápidameme a los extremos del mamento nucleado ntl 6-IOA). Por último, el sistema llega a una fase de equilibrio en la que la velocidad de ~~~de nuevas subunidades en los extremos del filamen to se equiJibra con su velocidad ~u:tación. La concentración de subunidades libres en solución en este punto recibe el •lt' de concentraci6n critica, Ce. Como se explica en el Panel1 6-2 (pp. 978-979), el valor oncen tración crítica es igual a la constante de velocidad de pérdida dividida por la .tute de velocidad de adición, es decir, Ce = kon/ kon· :o lase inicial del crecimiento de los filamentos se elimina si los filamentos terminales 'rentes (tales como fragmentos de filamento!> que se han formado químicamente} se n ;t la solución al principio de la reacción de polimeri7..ación (Figura 16-1 OB}. La célu1 ,,·echa esta necesidad de nucleación: utili7.a protefnas especiales para ca tal izar la nulnll de filamentos en lugares determinados y detem1inan la localización en la que se uhlen nuevo~ filamentos. F.n el fondo, la regulación de la n udeación de los filamentos 1 manera para que las células controlen su forma y su movimiento. 1

subunidades de actina y de tubulina se ensamblan cabeza cola dando lugar a filamentos polares I<TOtÚbUIOS CStán formadOS por SUbUnidades de tubuJina. cada SUb unidad de lUbUJiheterodímero formado por dOS tipOS de protefnas globulareS fntimamente relaciotlenominadas wbulina ay rubulina fJ, que están unidas con ftterza ente sí mediante "' no-covalentes (Figura 16-11). Estas dos proteínas sólo se encuentran en este heteu•ro. cada monómero a o~ tiene un lugar de unión para una molécula de GTP. El GTP •a un monómero de tubulina a queda físicamente atrapado en la interfase del dfmero ' a puede ser hidroli7.ado o expulsado; puede ser considerado como pane integral de la tura heterodimérica de la tubulina. Por el contra.rio, elnucleótido de la subunidad de lina ~aparece tanto en forma de GTP como de GDP y puede ser hidrolizado. Como se ndrá más adelanre,la hidrólisis del GTP si tuado en este lugar tiene un efecto importa:n1.1 d inámica de los microtúbulos. In microtúbulo es una estructura cilíndrica hueca formada por 13 protofilan1entos pa"· cada uno de los cuales está formado por moléculas de tubulina a y tubulina 13 que se 1~<111. Cuando los heterodfmeros de tubul.ina se ensamblan formando el micro tú bulo ci' o hueco, se producen dos tipos de contactos proteína- proteína. A lo largo del eje lonlonal del microtúbulo,la "cabe7.a" de una molécula de tubulina ~se une con la "cola" de •lticula de tubulina a del heterodfmero adyacente. Este típo de unión es muy parecida a ·mantiene juntos a los monómeros a y~ formando un dfmero; la energfa de unión es oUl

1

1

~-~f"•-r·-J~

toempo después de añadir la sal -

Figura 16-1 O Polimerización de actina en función del tiempo en un tubo de ensayo. (A) la polimerización empieza cuando aumenta la concentración salina de una solución de subunidades puras de actina. (B) la polimerización empieza de la misma forma, pero con fragmentos de filamentos de actina preformados que actúan como lugar de nucleación para el crecimiento del filamento. Tal como se indica, el porcentaje(%) de subunidades libres refleja la concentración critica (Ce), el punto en el cual no ex1ste intercambio neto de polimero.

l

974

Capítulo 16: El citoesqueleto

tubulina 13

fl a heterodimero de tubulina subunidad de un microtubulo)

\

u_

protofilamento

lumen

extremo más

~ ~ 50nm ~ ~

~ ~

extremo menos

(A)

tubultna u

(8)

(C)

muy elevada. Perpendicularmente a esta~ interacciones se forman contacto~ laterales entre protofilamento<; vecino!.. Fn esta dimensión, los contactos laterales principales ~e forman entre monómerm. del mic,mo tipo (a-u. ~-~).Ambo., tipos de contactos se rt•piten en la lá mina hclicoidal regular del microtúbulo. Debido a que los contactos mlilliplcs en la lámma mantienen a las subunidadc~ t•n su Jugar, la adición o sustracci<in de subunidades <;e produ ce casi exclusivamente en los l'Xtremos delmicrotúbulo (véa!.e la Hgura 16-8). Estos contactos múltiples entre subunidades convierten a los microtúbulos en estructuras rígidas difíciles de doblegar. La rigidez de un filamento se caracteriza por <;u longillld colllínua, una propiedad del filamento que describe cuál debe ser su longitud antes que las fluctuaciones térmicas aleatorias provoquen su curvamiento. La longitud conunua de un microtúbu1o es de algunos milímetros y los convierte en lo-. elemento~ estructurales más rígidos y rectos de la mayoría de rtilulas animales. Las subunidades de cnda uno de los protoftlamentos de un microtlibulo se ensamblan a partir de subunidades que apuntan en la misma dirección y los protolilamentos están alineados en paralelo (en la Figura 16-11, por ejemplo, en cada heterodímero la tubulina a está hacia abajo y la tubulina p hacia arriba). Así pues, el microtübulo tiene una estructura diferencial polarizada, con las tubulinas a expuestns en un extremo y las tubulinas p expuestas en el otro extremo. La subunidad de actina es w1a cadena polipeptfdica globular simple y no es un dímero sino que es un monómero. Como en el caso de la tubulina, cada subunidad de acti.na dis pone de un lugar de unión para un nucleótido, pero para la actina los nucleótidos son el ATP (o ADP) en vez del GTP (o GDP) (Figura 16-12). De forma similar a la tubulina, las subunidades de actina se ensamblan cabe7..a con cola generando filamentos con distinta polaridad estructural. Se puede considerar que un filamento de actina está formado por dos protofiJamcntos paralelos que giran uno sobre el otro siguiendo una hélice de rotación hacia la derecha. Los mamentos de actina son relativamente flexibles y se curvan con facilidad compamdos con los microrúbulos huecos y cilíndricos. con w1a longitud continua de sólo unas cunntas decenas de micras. Pero en una célula viva, proteínas accesorias (véase más adelan te) unen y entrecruzan los fllamentos unos con otros, haciendo que esras grandes cstmcturas de accina sean mucho más resistente& que los fiJamentos individuales.

.. microtubulo

50 nm

Flgura 16-1 1 Estructura de un microtúbulo y sus subu nidades. (A) La subunidad de protofilamento es un heterodfmero de tubulina, formado por un par de monómc de tubulina a y de tubulina ~. ínt1mamentr unidos entre si. La molécula de GTP en el monómero de tubullna está unida de tal forma que puede considerarse parte integf de la proteína. Por el contrario, la molécula GTP en el monómero de tubulina no es¡j unida tan fntimamente, pero uene un pa¡x muy Importante en la dinámica del filamen Ambos nucleótidos se representan en rojo En (B) se muestra esquemilt1camente una molécula de tubuhna (un heterodimero n y un protofilamento. Cada protofilamento esta formado por muchas subunidade! adyacentes que tienen la misma orientac (C) El microtubulo es un tubo formado por 13 protofilamentos alineados en paralelo. (0) Segmento corto de un mlcrotúbulo observado con el microscopio electrónico. (E) Electrom1crografía de un corte transv de un microtúbulo que muestra el anillo dt 13 protofilamentos. (0, por cortesfa de Richard Wade; E. por cortes fa de Richard Linck.)

p

AUTOENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO

extremo más

975

molécula de actina extremo más

extremo menos

(A)

,icrotúbulos y filamentos de actina tienen dos extremos distintos 1e crecen a velocidades diferentes w·ntación paralela y regular de sus subunidades proporciona a los ftlamcntos de actina ' microtúbulos su polaridad estructural. Esta orientación determina que lo~ dos extrcdt• cada polímero sean distintos, de manera que tienen un efecto muy importante en las 1dades de crecimicmo de los filamentos. La unión de una ~ubunidad al extremo de un •'nto de 11 subunidadcs, genera un filamento den+ 1 subunidades. En ausencia de luh de 1\TP o de GTP. la diferencia de energía libre y, en consecuencia, la constante de llhrio (y la concentración crf!ica), para la adición de una subunidad a un extremo del lll'ro, serán las mismas que para la adición al otro extremo del polfmero. En este caso. las 1.111tes de asociación de ambos extremos kon 1 kt,rr serán idéntica~. aunque los valores ,ftuos de ambas constantes pueden ser distintos. In un filamento de estructura polar, la::. constantes cinéticas para la asociación y la di' ion kon y korr respectivamente son a menudo mucho mayores en un exlremo que en el \,(pues, si se permite que un exceso de subunidades purificada!> se ensamble a frag' ~~marcado<; de filamentos prefom1ados, se observa que uno de los extremos de cada 1u·nto se alarga mucho más rápido que el otro (Figur a 16-13). Si los filamentos se diluIJ!idamente de forma que la concentración de subunidades disminuye por debajo de la ··mración crítica, el extremo de crecimiento rápido se despolimeriza también a la mis ·lucidad. El más dinámico de los dos extremos de un filamento, donde tanto el creciuu como la disociación se producen rápidamente, se llama extremo más, y el otro ,•. t•l nombre de extremo menos. n los microtúbulos, las subunidades ex están expuestas en el extremo menos y las tidades ~en el extremo más. En los filamentos de actina, la ranura de unión de ATP en >~H)mero está dirigida hacia el extremo menos. (Por razones históricas, los extremos 41•· los filamentos de actina se conocen como eruemo1> "romos" -barbed- y los enrellll'nos como "puntiagudos" - pointed- debido a la apariencia de !lecha de las cabezas •"ína cuando se unen al filamento.) 1 alargamiento del filamento se produce de forma espontánea cuando la variación de .1 libre (AG) para la unión de una subunidad soluble es inferior a O. Este fenómeno ocu1.111do la com;entración de las sub unidades en solución s upera la concentración crflica. '"mo, la despolimerización se produce rápidamente cuando la variación de energía li'uperior a cero. Una célula puede combinar procesos energética mente desfavorables los procesos espontáneos; asr pues, la célula puede usar la energía libre liberada dula polimerización o la despolimerización espontáneas de los filamentos para realizar h<ljo mecánico, en particular, para empujar o estirar una carga que lleve adherida el n-

ext remo menos (B)

Figura 16-12 Estructura de un monómero y de un filamento de actina. (A) E.l monómero de actlna tiene un nucleótido (ATP o ADP) unido en una ranura profunda en el centro de la molécula. (B) Disposición de los monómeros en el filamento. Aunque a menudo el filamento se describe como una h~lice simple de monómeros, tambi~n se puede imaginar como dos protofllamentos que se mantienen unidos entre si por contactos laterales y que se enroscan uno alrededor de otro como dos hebras paralelas de una h~lice, con un giro repetido cada 37 nm. Dentro del Alamento todas las subunidades tienen la misma orientación. (C) Electromlcrograffas de filamentos de actina contrastados negativamente. (C, cortesfa de Roger Craig.)

976

Capítulo 16: El citoesqueleto

lamento. Por ejemplo, el alargamiento de los microtúbuloc; puede ayudar a empujar las membranas hacia el exterior y su despolimerización puede estirar a los cromosomas mitóticos separándolos de sus homólogos durante la anafase. De forma parecida, la elongación de los filamentos de actina interviene en la formación del exuemo director de las células móviles, como analizaremos más adelante.

El recambio rotatorio (treadmilling} y la inestabilidad dinámica son consecuencias de la hidrólisis de nucleótidos producida por la tubulina y la actina La presente explicación de la dinámica de los filamentos ha ignorado un hecho critico que

puede aplicarse tanto a los filamentos de actina como a los microtubulos. Además de su habilidad para formar polfmeros no-covalentes, las subunidndes de actina y de tubulina son e111jmas capaces de hidrolizar nucleósidos trifosfato, ATP o GTI~ respectivamente. En el caso de las subunidades libre-., esta hidrólisi~ se produce muy lentamente, pero se acelera cuando las subunidades se incorporan a los filamentos. Poco después de la incorporación de una subunidad de actina o de tubulina a un filamento, se produce esta hidrólisis; el gmpo fosfato es liberado de cada subunidad, pero el nucleósido di fosfato permanece atrapado en la estmcuara del filamento (en la tubulina, el lugar de unión delnucleótido se encuentra en la parte media entre dos '>Ubunidadcs vecinas -véase Figura 16-11-, mientras que en la actina, elnucleótido se encuentra en una ranura cerca del centro de la subunidad véase Figura 16-12). Así pue~. pueden existir dos tipos de estructuras distintas, una, la "forma T" con el nucleótido trifosfatO unido {ATP para la actina y GTP para la tubulina), y oua, la "forma D" con el nucleótido difosfato unido {ADP para la actina. GDP pam la tubulina). Cuando el nucll•ótido se hidroli1.a, buena parte de la energía libre liberada por la rotura de los enlaces fosfato-fosfato, de alta energía, se almacena en la red del polímero. Esto provoca que la vuriación de energía libre para de la disociación dt•la forma O del poltmero sea más negativa que la variación de energía libre p:~ra la disociación de la fonna T del polímero. En consecuencia, la proporción de kun 1k011 pam la forma O del polímero, que es numéricamente igual a su concentración crítica 14!DJI. es mayor que la proporción correspondiente para la fonna 1 del polímero. Así pues, Ce( O) es mayor que c•. ( J'). Para ciertas concentraciones de subunidades libres, las formas D se disociarán mienua-; que lal! formas 1 crecerán l::n una célula viva, la mayoría de -.ubunidades libres están en forma 1, dado que la concemracaón libre t:lnto de AIP como de GTP es alrededor de diez veces más alta que las de ADP y (,DP. Cuamo más tiempo haga que las subunidadc-. se hayan unido al polímero, más probable es que hayan hidrolizado '>U nucleótido. Fl hecho de que la subunidad del extremo de un filamento este en formaTo O condicionará las velocidades relativas de hidrólbis y de adicaón de <,ubunidades. Sala velocidad de unión de subunidadcs es alta, es decir, el lilamemo está creciendo n\pidarnente, será más fácil que '>C anada una nueva subunidad al polímero antes de que el nucleótido que se ha unido antes haya '>ido hidrolizadu, de forma que el extremo del polímero pem1anccerá en la forma T, con una cnbeUI 1TPo GTP. ~in embargo, si la velocidad de unión de las subunidades es baja, se puede producir la hidrólisis del nucleótido trifosfato antes de que ~e miada la nueva subunidad y el extremo del filamento estará en la fonna D. La velocidad de unión de subunidades al extremo de un ruamento es igual al producto de la concentración de subunidadcs libres por la constante de velocidad ~m La ~~~~es mucho más rápida para el extremo más de un filamento que para el extremo menos, debido a las diferencias estnacturales emrc ambos extremos del filamento {véase Panel 16-2). A una concentración intermedia de subunidades libre~. puede ser que la velocidad de unión de subunidades sea mayor que la hidrólisis de nucleótidos en el extremo más, pero menor que la hidrólisis de nucleótidos en el extremo menos. En este caso, el t•xtremo más de un filamento permanecerá en la confom1ación T y el extremo menos adoptará la conformación D. Como acabamos de explicar, la formaD tiene una concentración crítica más alta que la forma T (la forma D tiende más fácilmente hacia el desensamblaje, mientras que la forma T tiende más fácilmente hacia el ensamblaje). Si la concentración de subunidades libres en solución se encuenua en un rango intennedio - más alta que la concentración crítica de la forma T (es decir, del extremo más), pero más baja que la concentración crítica de la forma D (es decir, del extremo menos)-, el filamento a1iadirá subunidades en el extremo más y simtútáneamente perderá subunidades en el extremo menos. Este hecho determina la propiedad del recambio rotatorio (rrea.dmilling) de filamentos (Figura 16-14 y Panell6-2).

Figura 16 13 Crecimiento preferencial de mlcrot úbulos en los extremos •más• Tanto los filamentos de actina como los microtubulos crecen más rapido por un extremo que por el otro. En este caso, un haz estable de microtubulos obtenido del axonema de un cilio {descmo m~s adelante) se Incuba durante un tiempo e con subunldades de tubulina en condici de polimenzación. Los mtcrotubulos crecen más rápidamente en el extremo "más" dell1 de mícrotubulos, extremo que se encuentr en la parte superior en esta microfotogrilf {Por cortesla de Gary Borisy.)

977

UTOENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO

<• >

mdades solubles que están en la forma T pollmeros son una mezcla de formas T y D (U )

••• 1

<• >

cre<omiento

t "'e: "O'()

LA POLIMERIZACIÓN VA SEGUIDA DE UNA HIDRÓLISIS DE NUCLEÓSIDOS

L

"O~ ·g g

~o;o

+

+ r- MeGOCC

~ ·o

t

acortamoento

+

-,

L-.r-- concentración 1 de subunidades rango del

el crecimiento en el elttremo más es rápido; el acortamiento es lento C.,(T) < C.,(D)

_ _ _¡__ _ _ _........,.

-.tL:.~ ;;_...L..

r"'!ln'lhll')

(B)

rntl

Para C, (T) < C < C.(D) se produce el recambio rotatorio

Durante el recambio rotatorio, las subunidades son reclutadas en el extremo más del Wlm•·ro en forma T y liberadas del extremo menos en forma O. La hid rólisis de ATP o GTP produce origina la diferencia de energra libre de las reacciones de asociación/disoen los extremos más y menos de los filamentos de actina y de tubuJma, haciendo pote recambio rotatorio. J\ una determinada concentración intermedia de subunidades. uniento del filamento en el extremo más se equilibra exactamente con la ctisociación .trnento en el extremo menos. l::ntonces, las subunidades oscilan rápido entre los estahrL' y filamentoso, mientras que la longitud total del filamento permanece constante. ,., ambío en estado estacionario neces1ta un consumo constante de energfa a partir de tlilisis de los nucleósidos tnfosfato. La cantidad de recambio rotatorio que se produce :nterior de la célula no se conoce con crrtel.a, pero in uítro se ha observado el recambio 1 filamento sencillo es el caso de la actina y en células vivas se ha observado un renoparecido a éste en el caso de microtúbulos individuales (Flgurn 1~15). ' 'diferencias cinéticas entre el comportamiento de la formar y de la forma O tienen m'ecuencia importante para el comportamiento de los filamentos. Si la velocidad de 1 de subunidades a un extremo es parecida en magnitud a la velocidad de hidrólisis, 111.1 probabilidad finita de que este extremo 'le mantenga en la forma T. porque la hidrónalmente "atrapará" a la unión y transformará el extremo en la forma D. Esta transfor· e!. repentina y al azar, con una cierta probabilidad por unidad de tiempo. .u pongamos que la concentración crítica de subunidade~ libre es intermedia entre 11 ¡•ntraclón critica del extremo en forma T y la concentración crftica del extremo en D (es decir. en el mismo rango en el que se observa el recambio rotatorio). l:n estas •ones, cualquier extremo que esté en forma T crecerá, mientra~ que cualquier extre11' esté en forma D ~e acortará. En un filamento, un extremo podria crecer duranw un periodo de tiempo en forma T. para cambiar repentinamente a la forma O y empezar con rapidez incluso aunque la concentración de subunidades libre se mantutmstante. Un tiempo más Larde, podría de nuevo volver a la forma 1 y crecer de nuevo. ntt~rconversión rápida entre un estado en crecimiento y un estado en disociación a una a concentración de subunidadc!. libre, se denomina inestabilidad dinámica 1~1&\). El cambio de!>de el t;recimiento al acortamiento rápido se llama catlístrofe, us que el cambio hacia el crecimiento se conoce como rescate e:e JI una población de microtlibulos, en cualquier momento, algunos de los extremos es' forma T y otros estan en forma O y la proporc1ón depende de la rasa de hidrólisis y de :•·ntración de sub unidades hbn.~ en un momento dado. l.a diferencia estmctural entre

Figura 16-1 S Recambio rotatorio de un microtúbulo observado en una célula viva. Una célula fue inyectada con tubulina que se habfa unido covalentemente al colorante fluorescente roda mina, de forma que una de cada 20 tubulinas era fluorescente. Se observó la fluorescencia de los diferentes microtúbulos con una cámara electróniCa muy sensible. El microtúbulo mostrado parece deslizarse de izquierda a derecha, pero en realidad el enre¡ado del microtubulo permanece estacionario (como se muestra por la señal en el microtúbulo que se indica con la flecha roja) mientras el extremo más (a la derecha! crece y el extremo menos (a la Izquierda) se acorta. El extremo más también muestra inestabilidad dinámica. (De C.M. Waterman-Storer y E.O. Salmon.J. Ce// Blof. 139:417-434, 1997. Con la autorización de The Rockefeller Univers1ty Press.)

Figura 16-14 Recambio rotatorio de un filamento de actlna o de un mlcrotúbulo, debido a la hidrólisis del nucleósido trlfosfato tTas la adición de una subunldad. (A) Esquema explicativo de la existencia de concentraciones criticas (Ce) distintas en los elttremos más y menos. Las subunldades con nucleósidos trifosfato unidos (subunidades de forma T) polimerlzan en ambos extremos de un filamento en crecimiento; entonces, el nucleótido es htdrolizado en el entramado del filamento. En este ejemplo, mientras el filamento crece, en el extremo más el proceso de crecimiento es más rápido que el acortamiento y, en este extremo, la subunldad terminal siempre está en la f()(ma T Sin embargo, en el extremo menos el acortamiento es más rápido que el crecimiento, de forma que las subunidades termtnales en este extremo están en la forma O. (B) El recambio rotatorio se produce a concentraciones intermediaS de subunidades libres. La concentración cntlca para la polimerización en el extremo de un filamento con la forma Tes más baja que para el e)(tremo con la forma O. Si la concentración de subunidades se encuentra entre estos dos valores, el extremo más crece mtentras que el extremo menos se acorta y se produce el recambiO rotatorio.

101Jm

VELOCIDADES DE CRECIMIENTO Y DE A CORTAMIENTO Un pollmero lineal de moléculas proteicas. como por ejemplo un filamento de actina o un microtúbulo, se ensambla (polimeriza) y se desensambla (despolimeriza) mediante la adición y la eliminación de subunidades en los extremos del polfmero. La velocidad de adición de estas subunidades (llamadas monómeros) viene dada por la constante k 00, cuyas unidades son de M 1 seg 1 La velocidad de pérdida viene dada por la constante k 0 ff (un1dades seg- 1) . polimero (con n subun1dades)

subunidad

+ kon

1t koff -~~~~

NUCLEA CIÓN Un polfmero helicoidal está estabilizado mediante muchos contactos entre subunidades adyacentes. Para la act1na, dos moléculas de actina se unen mediante enlaces relativamente débiles. pero la unión de un tercer monómero de actina formando un trlmero proporciona una mayor estabilidad al conjunto.

-

- r~

La adición posterior de monómeros puede tener lugar sobre este trfmero, q ue actua como m1• J de la polimerización. El lugar de nucleación de la tubulina es mucho más grande y tiene una estructura más compleja (posiblemente un an1llo de 13 o más moléculas), pero el principio es el mismo. El ensamblaje de un núcleo es relativamente lento, lo que explica la fase inicial lenta (fase lag, de retraso) producida durante la polimerización. La fase lenta se puede reducir o eliminar por completo si se añaden núcleos prefabricados, tales como fragmentos de microtúbulos o filamentos de actina previamente polimerizados.

POLIM ERIZACIÓN EN FUNCIÓN DEL TIEMPO El numero de monómeros que se añaden por segundo al polímero (filamento de actina o microtúbulo) será proporcional a la concentración de las subunidades libres {k0 nC)• pero las subunidades abandonarán el extremo del polfmero a una velocidad constante {k0 ff) que no depende de C. A medida que el polfmero va creciendo, las subunidades se van mcorporando de forma q ue C cae hasta alcanzar un valor consta nte denominado e •n · ntra• 1• 1n cr '1r" (e,). A esta concent ración, la velocidad de adición de subunidades es igual a la velocidad de pérdida. En este punto de equílibrio, one - •u

C=~=~ ·, . (donde K es la constante de equilibrio para la adición de subunidades, véase Figura 3-43).

El ensamblaJe de una protelna formando un polímero helicoidal (p.ej., un filamento del citoesqueleto o un flagelo bacteriano), muestra está curva respecto al tiempo: FASE DE EQUILIBRIO

o

~

§

8. ~

"O

"' ..,

:9

'é ,---"'

tiempo-

e d• ·r ' , •r :e se produce mientras los monómeros se añaden a los extrE expuestos del polfmero en crecimiento, provocando la elongación del filament o .' l · •• s• · ·ll •'<'jllll br1o, o eqa~o ··'.t.,c•O'l,ric . se alcanza cuando el crecimiento del polimero debido a la adición de monómeros está exactamente en equilibrio con el acortamiento del pollmero debido a la pérdida de monómeros.

-

-------~- ----------

l

LENTO

RÁPIDO

l

subunidad en

el polimero

Este cambio conformacional afecta a la velocidad con la que las subunidades se ai'laden a los dos extremos. Los valores de k00 serán distintos para el extremo más y para el extremo menos del poli mero, pero la relación k 0 ttfk00 y, por tanto, la será la misma en ambos extremos para el caso de una reacción de polimerización sencilla {sin hidrólisis ni de ATP ni de GTP). Esto es debido a que cuando se pierde una subunidad en un extremo, se rompen exactament e el mismo número de interacciones entre subunidades que cuando se pierde una subunidad en el otro extremo, y el estado final de la subunidad después de la disociación es idéntico

e,.

1

ta fase inicial retra tda (' JSt 1. g) corresponde al tiempo que dura la nucleación

Los dos extremos de un filamento de actina o de un microtubulo polimerizan a velocidades distintas. El extremo extremo de crecim iento rápido se llama E ·•tro r o 'T'< ., mientras que menos el extremo de crecimiento lento se llama extr( mo r11 ·nc La diferencia de velocidad de crecimiento de los dos extremos es posible gracias a cambios conformacionales de cada subunidad cuando se incorpora al polfmero. subunidad libre

FASE INICIAL RETRASADA

en ambos casos. Asl pues, la aG de la subunidad perdida, que determina la constante de equilibrio para su asociación al extremo, es idéntica en ambos extremos: si el extremo más crece cuatro veces más rápido que el extremo menos, también tiene que disociarse cuatro veces más rápidamente. Por tanto, para e> ambos extremos crecen; para ambos se acortan La hidrólisis del nucleósido trifosfato que acompaña a la polimerización de la actina y de la tubulina elimina este condicionante.

e,.

e< e,.

la molécula de actina transporta una molécula de ATP fuertemente unida, que es lrolizada formando una molécula de ADP tamb1én unida con fuerza a la actina 'uanto se ensambla en el polfmero. De manera similar, cada molécula de tubulina ll\porta una molécula de GTP fuertemente unida, que se convierte en una molécula GOP unida 1gual en cuanto la molécula se ensambla en el polímero. ___ ( rr nro o .qc.~ .. ~ ..·flv•w ATP o GTP) -- - -· -- - (D•mon6mero subun1dad en el polimero qw' t mp ,,.. 3 \DP o GOP)

T~

-

' O

hidrólisis del nucleótido un1do reduce la afin1dad de unión de cada subunidad .pecto a la subunidad vecina, haciéndola mt\s ft\cilmente disociable de cada uno los extremos del filamento (véase Figura 16-16 para un pos1ble mecamsmo). r lo general, es la forma \.....!... la que se anade al filamento y es la forma o la se libera del filamento. Si sólo se cons1deran los acontecimientos que t1enen ¡gar en el extremo mas;

~

~

'~

D

T

o

La INESTABiliDAD DINÁMICA y el INTERCAMBIO ROTATOI-:10 son dos comportamientos observados en los polimeros del citoesqueleto. Ambos procesos están asociados con la hidrólisis de nucleótidos trifosfato. Se cree que la inestabilidad dinámica predomina en los microtúbulos mientras que el intercambio rotatorio podrfa predominar en los filamentos de actina.

omo antes, el poli mero crecerá hasta que C = Ce. Por motivos didácticos, podemos miderar que k"on y k1 011 son insignificantes, de forma que podemos decir que 1crecimiento del polímero cesa cuando r. k'

o

C=

=

l.

La velocidad de adición de subunidades a un filamento de actina o a un microtúbulo en crecimiento puede ser más rápida que la velocidad a la cual se hidroliza el nucleótldo que llevan unido En estas condiciones, las subunidades de los extremn< l del filamento forman un casquete ("cap") de subunidades que tienen unido el nucleósido trifosfato: un casquete de ATP en el filamento de actina y un casquete de GTP en el microtúbulo .

or

.e trata de un estado estac1onano y no de un verdadero equilibrio, ya que el ATP ue es hidrolizado puede ser reemplazado por una reacción intercambiadora de udeótidos de la subunidad libre { 0 _, _ . . } .

na consecuencia de la hidrólisis del nucleótido que acompaña la formación un pollmero es la variación de la concentración critica en los dos extremos 1polimero. Debido a que k0 off y k1on se refieren a reacciones diferentes, 11 relación k 0 0 flkron no tiene por qué ser necesariamente la misma en los dos ~tremos del polimero, s1endo; •t'

e (·

t e•n

'T

o

e

~t'·

tn..

10 n · s)

-"

~\um 1 endo

que ambos extremos del polimero son accesibles, continuará polimerización hasta que la concentración del monómero libre supere valor de e, para el extremo más, pero esté por debajo de e, para 1extremo menos. En este estado estacionario, las subunidades se nsamblarán al extremo más y se desensamblarán del extremo menos 1 velocidades idénticas. El pollmero mantendrt\ una longitud constante ro exist1rá un flujo neto de subunidades a través del pollmero, lo que conoce como t• l 1rr t 11 r a1 •r

~ microtúbulos se despolimerizan unas 100 veces más rápidamente del extremo •«> contiene GDP que del extremo que cont1ene GTP. Un casquete de GTP favorece

crecimiento, pero si se pierde, se produce un acortamiento.

----- -- -

casquete de GTP

,----.,

-.....

CRECIMIENTO - - ·

ACORTAMIENTO

•t- ·

Cada microtúbulo puede alternar periodos de crecimiento lento y de desensamblaje rápido, fenómeno llamado mesobilid . .d dmam1<:a

980

Capítulo 16: El citoesqueleto

el extremo en forma Ty los extremos en formaD es muy grande. Las subunidades de tubulina con el GTP unido al monómero ~producen protoftlamentos rectos que forman contactos laterales regulares fuertes con otras subunidades. Pero la hidrólisis de GTP a GDP esrá asociada a un sutil cambio conformacional de la proteína que convierte a los protofilamentos en curvados (Figura 16--168). En un microtúbu lo que esté creciendo rápidamente, el extremo GTP constriñe la curvatura del protOfilamento y el extremo parece recto. Pero cuando las subunidades terminales han hidrolizado sus nucleóridos, esta constricción es eliminada y aparece el extremo curvado. Esta liberación cooperativa de la energía de hidrólisis almacenada en el microtúbulo produce un rápido desprendimiento del microtúbulo y, en consecuencia, aparecen anillos y oligómeros curvados de tubulina unida a GTP cerca de los extremos de los microtúbulos en des polimerización (Figura 16--l 6C). Los fllan1entos de actina también sufren fluctuaciones de longitud pero a una escala mucho menor, puesto que en su estado estacionario la longitud fluctúa solamente unas micras o algunos minutos si lo comparamos con las decenas de micras de los micro tú bulos en la inestabilidad dinámica. En la mayoría de células eucariotas, se considera que la inestabilidad dinámka predomina en los microtúbulos mientras que el intercambio rotatorio predomina en los filamentos de actina.

El recambio rotatorio y la inestabilidad dinámica facilitan la reorganización rápida del citoesqueleto ·\A:\1 Tanto la inestabilidad dinámica como el recambio rotatorio permiten a la célula mantener el mismo contenido de filamentos, mientras que las subunidades oscilan de forma constante entre los filamentos y el citosol. ¿Cuál es el dinamismo de los microtúbulos y de los filamentos de actina demro de una célula? Un microtúbulo q ue presente diferencias estructurales importantes entre los extremos en crecimiento y los extremos en disociación, oscila entre crecimiento y disociación cada pocos minutos. Los extremos de los diferentes microtúbulos se pueden observar a tiempo real y estudiar su inestabilidad dinámica (Figura 16-17). Debido a su pequeño tamaño y su denso empaquetamiento es mucho más difícil visualizar los extremos de los filamentos de actina individuales en una célula viva. Sin embargo, ulilizando técnicas adecuadas basadas en el microscopio de fluorescencia, se puede observar que el recambio de los filamentos de actina es bastante rápido, de forma que cada filamento sólo persiste durante unas pocas decenas de segundos o algunos minutos. A primera vista, el comportamiento dinámico de los ftlamentos parece una pérdida de energía. Para mantener constante una concentración de filamentos de actina y de microtübulos, muchos de los cuales están en proceso de recambio rotatorio o inestabilidad dinámica, la célula liene que hidrolizar grandes cantidades de nucleósidos tri fosfato. Como ya hemos explicado con nuestra analogía inicial de las hormigas, la ventaja de la célula está en la ncxibilidad espacial y temporal inherente a un sistema estructural en constante recambio. Las subunidades son pequef1as y pueden difundir con rapidez; una subunidad de actina o de tubulina puede difundtr de un lado a otro de una célula eucariota típica en tan sólo uno o dos segundos. Como se ha mencionado, la etapa limitante en la formación de un nuevo filamento es la nucleación, asf que estas sub unidades de difusión rápida se ensamblan a los extremos de los filamentos preexistentes o en lugares concretos en los que las etapas de nucleación estén catalizadas por proteínas específicas. En cualquier caso, Jos nuevos filamentos son muy dinámicos y, a menos que sean estabilizados de una forma específica, tienen una existencia efímera. Controlando los lugares de nucleación y de estabilización selectiva, cada célula puede controlar la localización de sus sistemas de lilamentos y, por tanto. su estructura. Parece como si la célula estuviese ensayando constantemente una gran variedad de estructuras internas y sólo rnant u viese las que le son útiles. Cuando las condiciones externas varían, o cuando aparecen señales internas (como durante las transiciones en el ciclo celular), la célula cambia su estructura de forma rápida (véase Figuras 16--2 a 16--4). La hidrólisi~ de los nucleósidos trifosfato ha evolucionado de forma independiente en la actina y la tubulina permitiendo que sus lilamentos se despolimericen rápidamente una vez han polirnerizado. La actina y la tubulina no están relacionadas en cuanto a su secuencia de aminoácidos: la estructura de la actina tiene una lejana relación con la enzima glucolítica hexoquinasa, mientras que la tubulina también está relacionada de forma muy lejana con una gran familia de GTPasas que incluye las proteínas G heterotriméricas y las GTPasas mo-

AUTOENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO

.....

!

crecimiento rápido de un extremo con un casquete de GTP

!

pérdida accidental del casquete de GTP

l l

(A)

...

! ¡

981

CATÁSTROFE

~

......-....;=..;;;.....;;.;..-·.......

-

acortamiento rapido

. ..

~-

se vuelve a construir un casquete de GTP

RESCATE

...

crecimtento ráptdo de un extremo con un casquete de GTP ~

etc.

dlmero de tubulina GTP (l

p

GTP intercambia:-¡ casquete de GTP

protofilamento recto

1

LA HIDRÓLISIS DEL GTP CAMBIA LA CONFORMACIÓN DE LA SUB UNIDAD Y DEBILITA EL ENLACE EN EL POLIMERO

• 1

-........'t...... . . . . l

DESPOLIMERIZACIÓN

región menos estable del mícrotúbulo que contiene dimeros de tubuhna untdos a GOP

(C)

CRECIMIENTO

ACORTAMIENTO

tra 16-16 La inestabilidad dinámica es debida a las diferencias estructurales entre los extremos de los microtúbulos que crecen y que se acortan. la concentración libre de tubulina en solución está entre los valores críticos Indicados en la Figura 16 148, un extremo sencillo de un microtubulo · sufrir transiciones entre un estado en crecimiento y un estado de acortamiento. Un miCrotubulo en crec1m1ento t1ene en sus extremos subunidades :ont1enen GTP. formando un casquete de GTP. Si la hidrólisis del nucleólldo se produce más rápidamente que la ad1ción de una nueva subunidad, se ·dt· ~>1 casquete y los microtubulos cmptezan a acortarse; este fenómeno se denomina "catástrofe': Pero a este extremo en acortamiento todavla se le lt•n unir subunidades que contengan GTP Si se añaden en cantidad suficiente para formar otro casquete, el microtúbulo crecerá de nuevo, suceso tdo"rescate': (8) Modelo para las consecuencias estructurales de la hidrólisis del GTP en el mlcrotúbulo. La adición de los heterodlmeros de tubulina .portando GTP a un extremo del protofilamento provoca el crecimiento en una conformación lineal, lo que favorece el empaquetamiento en la pared Inca del miCrotúbulo, es dec~r,lo estabiliza. La hidrólisis del GTP después del ensamblaje camb1a la conformación de las subunidades y el protofilamento ndc a deformarse en una forma curvada que es menos capaz de empaquetarse en la pared del microtubulo. (C) En un miCrotubulo tntacto,los ,filamentos formados por subunidades que contienen GDP tienden a adoptar una conformación lineal mediante una gran cantidad de enlaces laterales l<1 pared del mlcrotubulo, especialmente en el casquete estable de subunldades que contienen GTP La pérdida del casquete de GTP permite que los >filamentos que contienen GDP se relaJen y adopten su conformación curvada. Este hecho conduce a una disrupción progresiva del miCrotúbulo y al n..amblaJe transitorio de los protofilamentos formando di meros de tubulina libres. Sobre los esquemas de un microtubulo creciendo y acortándose, las ·tromicrogratras muestran microtubulos reales en cada uno de estos dos estados, tal como se observan en preparaciones de hielo vltreo. Obsérvese tl<ularmente la curva de los protofilamentos con GDP en el extremo del microtúbulo que se está acortando. (C, cortesla de E.M. Mandelkow, E. delkow y R.A. Milligan, J. Cei/Biol. 114:977-991, 1991. Con la autorización de The Rockefeller University Press.)

982

1

Capítulo 16: El citoesqueleto

//

4

~'

1

'

-----/ 3 ,

/

~

,----

.

.' 1 d· ·¡ ;~ . / ~, 1 ll \ ¡.,.1,·1 1!' (' , , IJ 1 . . . q, ·( ¡. : / . . ·}·· i l ' ·J • . . ' '. '·!, 1..~ ·\' :

4i

¡"'

/·;

.

1 '1

'

:'~·.

j

4 ' ' ¡· 1

ti'Cl

1 ./.· ~~,.' 1~,'

..1.¡ 1 1

:

1 ···.· ~ ' '1 :_;

DI

3

1

1

,r./'· :

1

ttempo Oscg

----

1

l

,

' .

/'·.

~D9 (~l:

10¡~m

noméricas tales como Ras (descrito en el Capítulo 3) rn ambas familia'>, el acoplamiento entre la hidrólisis de los nucleólldos} los cambio~ conformacionalcs que alteran la función de la proteína parecen ~cr cambios evolutivos amiguos; sin embargo, el ohjcüvo de e~c aco plamicnto estructural ha variado a lo largo del tiempo incluyendo la transmisión de ~ei'lales, la catálisis y la regulación del c1do de polimerización/despolimeriz.ación. l·n ciertas cstrucnJras especializada.,, algunas n•g1ones del c1toesquclcto son menos d1 námicas. Ln una célula totalmente diferenciada, como por ejemplo una neurona, es conve nientc que una cierta estructura se mantenga a lo largo del tiempo. Para ello, muchos de SU'> filamentos de acrina y microwbulos se hallan estabilizados mediante su asociación con otras proteínas. Sin embargo, cuando se tienen que realizar nueva., concx1ones en el cerebro, como cuando la información es transferida a la ml•moria a largo plazo, mcluso en una célu la tan estable como una neurona tendrán que aparecer nueva., extensiones para realizar nuevas sinapsis. Para ello la neurona necesita disponer de las actividades din:lmicas y ex ploratorias intrínsecas de los filamentos de su citoesqueleto.

La tubulina y la actina han sido altamente conservadas durante la evolución eucariota La tubulina se encuentra en todas las cé lula~ cucariotas y existen múltiples isoformas. Las tubulinas humanas tienen secuencias de aminoácidos idénticas a las de las levaduras en un 75%. f.n lo-. mamíferos existen al menos '>cis fom1as de tuhulina a y un numero parecido de formas de lllbulina ¡3, cada una de ellas codificada por un gen distinto. l.as distinta<; fonnas de tubulina son muy parecidas entre sr y, por lo general. copolimeri1arün formando mi crotúbulos mixtos, al menos en el wbo de ensayo. Sin embargo, en las células pueden tener locali1.aciones diferentes y, por tanto, realizar funciones sutihnenre diferemes. Citemos un ejemplo de interés. los microuibulos de seis neuronas especializ.adas sensibles al tacto del ncmátodo Ctwnorha/xlit1s elegans contienen una forma específica de tubulina 13- Las muta ciones en el gen de esta proteína conducen a la pérdida de la sensibilidad por contacto sin que se produzca ningtin otro defecto aparente en el resto de funciones celulares. De forma parecida a la tubulina. la actina se encuentra en todas las células eucariotas. La mayoría de organismos tienen varios genes que codifican acuna; loe¡ humanos disponen de seis de estos genes. La actina es una proteína extraordinariamente conservada entre los organismos eucariotas. Por lo general, las secuencias de aminoácidos de las actina~ de diferentes especies presentan un 90% de homología. Pero de nuevo, al igual que la tubulina, pequeñas variaciones en la secuencia de aminoácidos de la actina pueden provocar diferencias funcionales significativas. En los vertehrados hay tres isoformas de la actina un poco distin· ras, Uamadas a, 13 y y, que se diferencian ligem.mente en su secuencia de aminoácidos. La a etina a se expresa sólo en las células musculares, mientras que las actina<, 13 y y se encuentran juntas en casi todas las células no musculares. La aclina muscular de las levaduras y de Drosopllila son idenltcas en un 89%, aunque la expresión de la actina de las levaduras en Drosoplula produce una mosca de apariencia normal pero incapa7 de volar. iPor qué la secuencia de aminoácidos de la actina y de la rubulina se ha conservado de manera tan estricta durante la evolución eucariota mientras que no ha sucedido lo mismo con las secuencias de otras proteínas del ci10esqueleto incluyendo a lo~ filamento~ intermedios y a la gran familia de proteínas asociadas? La explicación más sencilla es que la necesidad que un gran número de otras proteínas tengan que interactuar con la superficie de w1 filamento de actina o microtúbulo ha limitado la variabilidad de estas estructura~. Estudios

Figura 16-17 Observación directa de la inestabilidad dinámica de los microtúbulos en una célula viva. '"' Se observaron los mlcrotúbulos de una célula ep1telial del pulmón del tr1tón, después de inyectar en 1.1 célula una pequer'la cantidad de tubulina marcada con rodamlna tal como se muestra en la Figura 16 15. Obsérvese la inestabilidad dinám1ca de los m1crotúbulos en el extremo de la célula. Para hacer mas comprensible la imagen, se han senalado cuatro microtúbulos; cada uno de ellos muestra acortamientos y crecimientos de forma alterna. (Cortesla de Wendy C. Salmon y Ciare Waterman-Storer.)

AUTOENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO

983

wllcos y bioquímicos realizados en la levadura Sacclwromyces cereuisiae hru1 dernosu-ado · ltt actma interacciona directamente con docenas de proteú1as e indirectamente con mul ' ntras (Figura 16-18). En consecuencia, cua lquier mutación que se produjera en la ac.,, que provocará un cambio deseado en su interacción con una proteína, poclrfa a su vez lul'ir cambios no deseados en sus illteracciones con o u-as proteínas que se unen al mismo u o a un lugar cercano. A lo largo del tiempo, los orgru1ismos que han ido evolucionando 1 t•ncontrado mucho más provechoso mantener la actina y la rubulina y alterar las pro tede unión a ellas.

La estructura de los filamentos intermedios depende de los enlaces laterales y del sobreenrollamiento Klns las células cucariOLa~ pre~entan aclina} tubulina. Sin embargo, el tercer tipo en imtancia de filamentos del citoc~uelc to,losfi/amentos intermedios, sólo forma filamrntos lplasmáticos en aib'llnos metazoos, mcluyendo vertebrados, ncmátodos } moluscos. lu-.u en e~ tos orgamsmos,lo., filamentos intermedios no son necesarios en el citoplasma todos los tipos cclulare<.,. Las células gliales altamente especializadas (llamadas oligoden~,fitos), que fabncnn mielina en el.,istcmn nervioso central de los vertebrados, no tienen tlt'ntos intermediOS. Los filamentos intermedios son en particular abundantes en el ci,l.,,ma de las celulas somcuda.. a estrés mecánico y generalmente no se encuentran en uales con exoesqueletos ngidos como los artrópodos o los equinodermos. Parece ser que f1lamcnros intemH!dios tienen un papel importante en la transmisión de la fuerza mcca·' los tejidos para los animales blandos. 1us filamentos mtermedio'> citoplasmáticos están íntimanwme rt'lacionados con sus .t:stros. las laminas nucll'an·~. mucho mas comunes. Las laminas nucleares son filamt•nntcnnediO!>, protemas que forman una red que delimita la membrru1a interna delmicleo las células eucariotas, proporcionando lugares de anclaje a los cromosomas y poros nu 11''> (en el Capitulo 12 se ha dc'>crito su comportamiento dinámico dur.mte la división ul;1r). Algunas veces durante la evolución de los metazoos, lo., genes de las laminas apatcmente se han uuphcado y sus duplicados han evolucionado produciendo los filamenlntermedios citoplasmálicos parecido<> a nterdas

CLAVE:

e_.. miasmas . _ división celular, gemación, polaridad . _ secrecion, endo<Otosis

::....:;: sfntesis de lfpidos . _ filamentos donámicos otros

Figura 16-18la actina en una encrudjada de caminos. En todas las células eucanotas la actlna se une a una gran variedad de proteínas accesorias. El esquema muestra la mayoría de las interacciones que han sido demostradas, ya sea usando técnicas genéticas o bioqutmicas, en la levadura Soccharomyces cerevisíae. Las proteínas accesorias que actuan en los mismos procesos intracelulares se han representado con el mismo color, como se Indica en la clave. (Adaptado de D. Botsein et al., en The Molecular and Cellular Blology of the Yeast Saccharomyces íJ.R Broach, JR. Pringle, E.W. Jones, eds.J. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spnng Harbor Laboratory Press, 1991.)

984

Capítulo 16: El citoesqueleto

Los polipéptidos individuales de los filamentos lntennedlos son moléculas alargadas, que presentan un dominio central en hélice a que se enrosca con otro monómcro igual formando una súperhélice. Entonces, un par de dímeros paralelos se asocian de modo antiparalelo formando un tetrámero inestable. Este tetrámero repre~en ta la subunidad soluble que serfa análoga al dímero de tubulina al3 o al monómero de actina (figura 16-19). A diferencia de la actina y la tubulina, las subunidades de los fila memos intermedios no tienen ningún lugar de unión para nucleósidos trifosfato. La subunidad tetramérica está formada por dos dímeros apuntando hacia direcciones opuestas, por lo que sus dos extremo) son iguales. Por tanto, el filamento intermedio una vez ensamblado no tiene la polaridad estntctural que es crítica para los filamento~ de actina y los microtúbulos. Los tetrámeros se empaquetan lateralmente entre SI dando lugar al filamento, formado por ocho protolilamemos en paralelo constituidos por tetrámeros. !•ntonccs. cada filamento intermedio tiene una sección transversal de 32 hélices enrolladas. Fste gran numero de polipéptidos alineados, unidos entre sr mediante interacciones hidrofóbicas laterales fuertes Lípicas de las protcfnas con sobreenrollamientos, proporciona a los lilamentos intermedios su apariencia de cuerda. Se pueden deformar fácilmente, con una longitud conrinua menor de una micra (comparada con los milfmetro'i de lo'> microtúhulos o las cerca de diez micras de la actina) pero es mur difícil romperlos. lbdavfa se tiene muy poca información acerca del mecanismo de ensamblajl.' y desensamblaje de los filamentos intermedios, si lo comparamos con el conocimiento acerca de los microtúbulos y de los mamen tos de actina. pero algunos tipos de lilamentos intermed ios incluyendo a la l'imelllina forman esmictura!> altamente dinámicas en células tales co-

Figura 16-19 Modelo para la fo rmación d e un filamento Intermedio. El monómero mostrado en (A) se empareja con un monómero idéntico a él, formando un dimero (B), de forma que la región central conservada- se almea en paralelo y se empaqueta con¡untamente formando un sobreenrollamiento. (C) Dos dímeros se alinean, lado contra lado, y forman un tetrámero antlparalelo de cuatro cadenas polipeptfdicas. El tetrámero es la subunidad soluble de los filamentos Intermedios. (0) Dentro de cada tetrámero los dímeros están suficientemente distanciados uno de otro, lo que les permtte la asociación con otro tetrámero. (E) En el filamento intermedio final de 10 nm.los tetrámeros están unidos y forman un haz helicotdal que dispone de 16 dimeros (32 superenrollamientos) en sección transversal La mitad de estos dimeros apuntan en cada sentido. En el margen superior Izquierdo se muestra una electromtcrografia del filamento final. (Eiectromicrografia por cortesfa de Roy Quinlan.)

NHz

coou

(A)

región en hélice u en un monómero NH1 (B)

COOH

\(J NHz

COOH

48nm

,,

NHz

L____j 0, 111m

COOH

(0 ~

NH2

COOH

tet

(D)

,_.

-

COOH

-

---··

escalonado de dos dlmeros sobreenrollados

dos tetrámeros enlazados conjuntamente

r.:t

(E) ocho tetrámeros enrollados en un rdamento parecido a una cuerda

10nm

NH1

NH1

AUTOENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO

16-1 Principales tipos de proteínas de Jos filamentos intermedios (FI) t.s células de los vertebrados

v1mentina

muchas células de origen mesenquimático

desmina

musculo

proteina glíal acidica fibrilar

células glíales (as trocitos y algunas células de Schwann)

periferina

algunas neuronas

queratinas tipo 1(ácidas) queratinas tipo 11 (básicas)

células epiteliales y sus derivados (p. ej. el pelo y las uñas) neuronas

lhrobl asto~.

Fn condiciOnes normales es probable que su de~ensambla¡e está regulado ,, fusforilación de proteína<;, de la misma forma que la fosforilación regula el desensamdt• las laminas nucleares en la mltos1~ (véase Hgura 12- 20). Lo que evidencia su rápido hio es que subunidades marcadas microinyectadas en células en cultivo son rápidah' i ncorporad~ a los fiJamentos intcnnedios preexistentes -en cuestión de minutosu ras que la inyección de péptidos derivados de las regiones helicoidales conservadas de .uhunidades induce un rápido desensamblaje de la red de filamentos intem1edios. Es indestacar que esta microinyección también puede inducir el desensamblaje de la l•· microtúbulos y de filamentos de actina en algunas células que disponen de los tres tid•· redes de n.tamcntos, lo cual demuestra que en estas células existe una integración fundamental entre los tres sic;temas del ciLOesqueleto.

filamentos intermedios proporcionan estabilidad mecánica las células animales w1a gran variedad de formas de n.tamentos intermedios, los cuales además presentan más variaciones de secuencia en sus isoformas que las que exlstfan en las isofordt• actina y de tubulina. Cada dominio central en hélice a tiene 40 o más motivos hep~nws repetidos, que fom1an una gran estructura sobreenroUada (véase Figura 3· 9). Las tes isoformas tienen este dominio muy parecido, pero los dominios globulares N- y lus extremos pueden ser muy variados. In., diferentes tipos celulares expresan familias distintas de filamentos intermedios 16-1). Las queratinas son la familia de n.tamentos intem1edios más diversa; en las ('píteliales humanas hay cerca de 20 tipos distintos y cerca de 10 más son específicas uñas y del cabello; el análisis de la secuencia del genoma humano ha revelado que pot•xistir cerca de 50 queratinas distintas. Cada mamento de queratina está formado por cantidad idéntica de cadenas de queratina de tipo 1 (ácidas) y de tipo U (neuuas/básifurman heterodirneros, que se unen dos a dos formando la sub unidad tetramérica funtal (véase Figura 16-19). Las redes de queratina entrelazadas se mantienen w1idas ~multe enlaces disulfuro y pueden sobrevivir incluso después de la muerte de sus células, l!nnnndo cubiert~ resistentes en los animales como es el caso de las capas externas de la del cabello, las uñas, las garras y las escamas. La diversidad de las queratinas es clínicamuy ú til para el diagnóstico de los cánceres epiteliales (carcinomas), puesto que el particular de queratinas expresado proporciona una indicación del tejido epitelial en puede haberse originado el cáncer, lo cual puede ser de gran ayuda para escoger el •miento más adecuado. llna sola célula epitelial puede producir varios tipos de queratinas y éstas copolimet•n la misma red de filamentos (Figura 16-20). Los filamentos de queratina proporfuerza mecánica a los tejidos epiteliales en parte porque anclan los ftJamentos ~medios en los puntos de contacto célula-célula, Uamados desmosomns, o en los conl'élula-matriz,llamados llemidesmosomns (véase Figura 16-5). Estas importantes esaras de adhesión se describen con más detaUe en el Capftulo 19.

985

986

Capítulo 16: El citoesqueleto

Figura 16-20 los filamentos de queratina en las células epiteliales. Mlcrografia de lnmunofluorescencia de la red de filamentO$ de queratina (verde) en una capa de células epiteliales en cultivo. los filamentos de Céldá célula están conectados a los de las células vecinas a través de desmosomas (descnto en el Capitulo 19). Se ha marcado una segunda protelna (azun para revelar las uniones celulares (Cortesia de Kathleen Green y Evangeline Amargo.)

1011m

Las mutaciones en los genes que codifican las queratinas provoca algunas enfermedades genéticas humanas. Por ejemplo, cuando se expresan queratinas anormales en las capas basales de la epidermis, se produce un trastorno conocido como epidem10lisis bullosa simple, en la que la piel se descama en respuesta a un estrés mecánico muy débil, el cual rompe las células basales (Figura 16-21). Existen otros tipos de enfermedades parecidas entre las que se encuentran desórdenes de los epitelios que revisten el esófago, la boca y la córnea del ojo; están causados por mULaciones en diferentes queratinas cuya expresión es específica de estos tejidos. Todas estas enfermedades se caracterizan por una rotura celular como consecuencia de una lesión mecánica y una de:;organi7.ación o alteración del citoesqueleto de filamentos de queratina. Muchas de las mutaciones especfficas que pueden producir estas enfermedades alteran los extremos del dominio central, demostrando la importancia de esta zona especial de la protefna pam el correcto ensamblaje del filamento. Un segundo tipo de fllamentos intermedios, denominados neuroffiarnentos, se encuentran en concentraciones elevadas a lo largo de los axones de las neuronas de los vertebrados (Figura 16-22). ln IIÍL'O se ensamblan conjuntamente tres tipos de protefnas de neurofilamentos (NF-L, NF-M. Nr-1 1) formando heteropolimeros que contienen NF-L y uno de los otros dos monómeros. Las proteínas NF-H y NI'-M tienen dominios e-terminales muy largos que se unen a los filamentos vecinos y generan estnacturas alineadas con un espacio entre filamemos uniforme. Durante el crecimiento axonal se incorporan nuevas subunidades de ncurofilarnento a lo largo del axón, en un proceso dinámico que implica la unión de nuevas subunidades a lo largo del neurofilamcnto y también la unión de subunidades a los extremos del filamento. Después de que un axón crezca y conecte con su célula diana, el

Agura 16-21 Aparición de ampollas en l.a piel provocadas por un gen mutante de la queratina. Un gen mutante que codifica un.t queratina truncada (sin dominios ammo ni carboxilo·termmales) fue expresado en un ratón transgénlco. La proteina defectuosa se ensambló con las moléculas de queratiN normales y desorganizó la red de filamente» de queratina en las células basales de la piel Mlcrograflas ópticas de piel normal (A) y de piel mutante (8) muestran que las ampolla\ se producen a partir de la ruptura de las células de la capa basal de la epidermis mu tan te (flechas rojas cortas). (Q Un esquema de tres células de la capa basal de la epider mas mutante observadas con microscopia electrónica. Las células se rompen (flecha roja) entre el núcleo y los hemldesmosomas (t ratado en el Capítulo 19), que conectan los filamentos de queratina con la lámina basal subyacente. (De P.A. Coulombe, M.E. Hun011, R. Vassar y E. Fuchs,J. Ce/1 8101. 115:1661-1674 1991 Con autorización de The Rockefeller Universaty Press.)

. (A)

L.__j 40 11m

(B)

(C)

,UTOENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO

987

1

neurofilamentos

llt'tro del axón puede aumentar más de cinco veces. Parece ser que el nivel de expresión ••·urolilamento está directamente controlado por el diámetro axonal, que a su vez inla la velocidad a la que viaja la señal eléctrica a lo largo del axón. La enfermedad neurodegenerativa llamada ~clerosis lateral amiotrófica (ALS: a myo'llc lllteral sclerosis, o enfermedad de Lou Gehrigl está asociada a una acumulación y a ,,,,tmblaje anom1al de neurolilarnentos en los somas celulares y axones de las neuronas ras. q ue puede interferir en el transporte axonal normal. La degeneración de los axones ¡porta debilidad muscular y atrofia, que normalmente resulta fatal. La sobrcexpresión proteína<; humanas NP-1 o Nr;-H en un ratón ha comportado la aparición de una enK·dad parecida a la ALS. lA" filamentos de vimentina son el tercer tipo de filamentos intermedios. La desmina. nlt•mbro de esta familia, se expresa en el nuísculo liso, cardfaco y esqucléúco. Un ratón de·, mina presenta inicialmente un desarrollo muscular nom1al, pero en la edad adulta se ruan diversas anormalidades en las células musculares, induyendo fibras por complcJrdenadas.

IDferentes compuestos pueden alterar la polimerización los filamentos que la supervivencia de las célula!. eucariotas depende de un equilibrio entre el en llllthlaje y el dcsensamhla¡e de los altameme conservados filanJemos del citoesqueleto for" por actrna y tubulrna, estos dos tipos de filamentos son con frecuencia diana de narurales. Fstas toxinas son producidas como autodefensa por plantas, hongos o . .,IIJitS que no desean ser comidos pero no pueden "alejarse de los depredadores; por lo alteran las reacciones de polimerización de los filamentos. La toxina se une fuerteya sea al propio filamentl) o a la subunidad libre que forma el polfmero, dirigiendo la in de ensamblaje en la dirección que favorece la formación de la forma a la cual se l:t toxina. Por ejemplo. el compuesto latrrmculilw, extrafdo de la esponja marltima magnifica, se une a los monómeros de actina e impide su ensamblaje en fllauo;; en consecuencia, produce una despolimerización neta de los filamentos de actína. ntrario, lafaloidina, del hongo Ama11ita plwlloides se une y estabiliza los filamentos de produciendo un incremento neto de la polimerización de la actina. FMa seta, de as' atractivo aw1que no comc!>lible, también expresa otro tipo de toxina mortal, la a-amaun inhibidor de la polimerasa 11 del RNA. Cualquier cambio en los filamentos de es muy tóxico para las célula!.. De forma parecida, la colcllicinn, extraída del azafrán 'luilo (o a1.afrán silvestre), se une y estabiliza a las suhunidades de tubulina libres, proo la de!.polimerización de los microtúbulo!>. Al contrario, el taxol, extraído de la cordl•l tejo. ~e une y estabiliza a los microtúbulos, e incrementa la polimerización de la .. En la Tabla 16-2 se recogen esto~ y otros productos naturales. muy utilizados en celular para manipular el citoesqueleto. 1 :ompuestos corno estos tienen un rápido y profundo efecto en la organización del ciueleto de las células vivas (Figura 16-23). Han proporcionado las primeras evidencias lit' el citoesqueleto es una estructura dinámica, mantenida por un recambio rápido y

Figura 16-22 Dos t ipos de filamentos Intermedios en células del sistema nervioso. (A) Imagen de neurofilamentos preparados mediante congelación rápida y sublimación profunda del axón de una célula nerviosa que muestra el extraordinario entrecruz.amrento de los haces a través de puentes de proteína -una configuración que probablemente proporciona una gran resistencia a la tensión en este largo apéndice celular Las uniones cruzadas estc1n formadas por largas extensiones no helicoidales del extremo e-terminal de las proteínas más grandes del neurofilamento (NF-H). (B) Imagen de filamentos gliales en una célula glial obtenida mediante congelación rápida y sublimación profunda, que Ilustran que estos filamentos son lisos y t1enen menos puentes cruzados. (C) Electromicrografia convencional de un corte de un axón que muestra la distancia de separación regular de los neurofilamentos, mucho mc1s abundantes que los microtubulos. (A y B, por cortesla de Nobutaka Hirokawa; C, por cortesla de John Hopktns.)

988

Capítulo 16: El citoesqueleto

Tabla 16-2 Fármacos q ue afectan a los filamentos d e actina y a los microtúbulos

COMPUES10S I!SPECfFicos DEACTIM Faloidina

se une y estabiliza los filamentos

Gtocalasina

encasqueta los extremos más de los filamentos

Suinholida

fragmE'nta filamentos

Latruncuhna

se une a las subunidades e impide su polimerización

COMPUES105 ESPEdFIC05 DE LOS MICIOI'Oiulos Taxol

se une y estabiliza los microtúbulos

Colchicina, colcemlda

se une a las subunidades e Impide su polimerización

Vinblastina. vincristina

se une a las subunidades e 1mp1de su polimerización

Nocodazol

se une a las subunidades e impide su polimerización --~~~-

continuo de subumdade~ emre las formas filamentosas y las forma~ solubles, y de que e!.tc llujo de subunidades es necesario para la función normal del citoesqueleto. Los compuestos que se mencionan en la Tabla 16---2 se utilizan en biología celular para estudiar la posible panicipación de la actina y de los m•crotúbulos en mucho!> procesos ce lulares. Algunos de ellos también están siendo utilizados para el tratamiento del cáncer. Tanto los compuestos que despohmerizan los microtúbulos (como la vinblasuna), como los que polimerizan los microtúbulos (como el taxol), pueden matar a las células en división puesto que tanto el ensambla¡e como el descnsamblajc de los microtúbulos son cmcial e~ para el funcionamiento com•cto del huso mitótico (tratado más adelante en este caprtulo). Estos compuestos son eficientes para matar las células de ciertos tipos de tumores de pacientes humanos, a pesar de producir toxicidad sobre las células normales en división, In cluyendo la!. de la médula ósea roja, el intestino y los fohcu tos pilosos. Concretamente, el taxol ha sido muy utilizado para tratar el cáncer de mama y el cáncer de pulmón y funciona con éxito en el tratamiento de tumo re~ que son resistentes a otro~ agentes de quimioterapia.

La organización celular de las bacterias y la división celular dependen de homólogos del citoesqueleto eucariota Mientras que normalmente las células eucariotas son grandes y poseen una morfología compleja, la~ células de las bacterias por lo general sólo miden unas cuantas micras de Ion

Figura 16-23 Efecto del compuesto taxol sobre la organización de los microtúbulos. (Al Estructura molecular del taxol. De forma reciente, mediante quimlca orgánica se ha podido sintetizar esta compleja molécula. ampliamente utilizada para el tratamiento de d1versos cánceres. (B) Micrografía de lnmunonuorescencia que muestra la organización de los microtúbulos en una célula epitelial hep~tica antes de añadir el taxol. (C) Organización de los microtubulo!; en el mismo t1po celular después del tratamiento con taxol. Obsérvese el grueso circulo formado por haces de microtúbulos alrededor de la penferia celular. (D) TeJO del Pacifico (Toxus breVIfolio), la fuente natural deltaxol. (8, C de NA Gloushankova et al. Proc. Notl. Acod. Se/. U.S.A. 91:8597-8601, 1994 Con la autorización de National Academy of Sciences; O, cortesra de A.K Mltchell 2001. Her Majesty the Queen in Right of Canada. Canadlan Forest Serv1ce.)

~

H 1C-\.-O

o

o-~

o

H1C

-~-o

"6"1" O Ti-o OH

(A)

H

o

HO

e -CH ¡ ft

o

o

taxol

(C) 15¡~m

(O)

989

AUTOENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITO ESQUELETO

figura 16-24 La proteína bacteriana FtsZ, un homólogo de la tubulina en los procariotas. (A) Una banda de proteína FtsZ forma un amllo en una célula bacteriana en división. Este anillo ha sido marcado fusionando la proteína FtsZ con una protelna fluorescente verde (GFP) y se ha observado las células vivas de E. coli con un microscopio de fluorescencia. La fotograffa superior muestra la Imagen lateral del anillo como una barra central de la célula en división. En la fotografía mferlor, la Imagen g~rada, muestra la estructura del anillo. (B) Los anillos y filamentos de FtsZ. formados ín vítro, observados con el microscopio electrónico. Compárese esta tmagen con la de los microtúbulos mostrados a la derecha en la Figura 16-16C. (A, de X. Ma., D.W. Ehrhardt y W. Margolin, Proc. Natl Acad. SCI. US.A. 93:12998-13003, 1996. B, de H. A. Erickson et al., Proc. Natl. Acad. Sci. US.A. 93:519-523, 1996. Con la autorización de National Academy of Sciences.)

'

,,.v · (A)

111m

d )' adoptan formas sencillas y modes tas como esferas o cuerdas. Las bacterias tampoco [)(uwn de la elaborada red de orgánulos rodeados de membrana como el retfculo endotnalico y el complejo de Golgi Durante muchos años, los biólogos consideraron que la dt• citoesqueleto bacteriano era una de las ra:wnes de estas espectaculares diferencias organización celular entre el mundo eucariota y el bacteriano. Esta consideración cam·un el d escubnmiento a principios de la década de 1990 de que casi todas las bacterias y .t\'Oría de las arqueas presentan un homólogo de la tubuHna, rtsZ, que puede polimeri(urmando filamentos que c;e ensamblan en forma de ani.llo (llamado anillo Zl en el lugar .lt" ~e forma la pared celular durante la división celular (Figura 1&-24). La estructura plegada tridimensional de la proteína FtsZ es muy parecida a la estructura tubulina a o de la tubulina ~y, al igual que la tubulina, la hidrólisis del GTP se produce ,u tte la polimerizauón y provoca cambios conformacionales en la estructura del filaun. Aunque el anillo 1 se mantiene durante unos cuantos minutos, sus filamentos indtu.tles son altamente dinámicos, con una vida media aproximada de treinta segundo~. m ras la bactena se divide, el anillo Z disminuye hasta desensamblarse por completo, y se tdera que la ruptura del anillo Z puede contribuir a la invag¡nactón de la membrana ne,rw para que se produzca la división celular. El anillo Z tambi~n es el lugar donde c;e .dttan las enzimas e),pecializadas en la síntesis de la pared celular necesaria~ para la for¡,¡n del septo entre las dos células hijas. Las subunidades de FtsZ desensambladas, se ,.,amblan de nuevo más tarde en los nuevos lugares de fonnación de la pared celular en 1 t•lulas hijas (Figura 1&-25). ~lás recientemente se ha descubierto que las bacterias también d isponen de protclnas lu)logas a la actina. Dos de esta<;, MreB y Mbl se encuentran en las células con forma de tral o de bastón y las mutaciones que disminuyen )>U expresión provocan anormalidades t forma celular y defectos en la -.egrcgación de los cromosomas (Figura 1&-26). Los flla u tos MreB y Mbl se ensamblan in vitl() formando grandes espirales que se extienden a lo ) de la c~lula :,: parece que contribuyen a la detcnninación de la forma de la célula sir 'litio de esqueleto pam dirigir la síntesis de los peptidoglica.nos de la pared celular, de la forma que los microtúbulos comribuyen a organizar la síntesis de celulosa en la pa-

100nm

(8)

LJ

111m

L _ ____.

211m

Agura 16-25 Readaptaciones rápidas de FtsZ a través del ciclo celular bacteriano. (A) Al finalizar la segregación de los cromosomas, el anillo formado por FtsZ en el centro de la célula disminuye mientras la célula se divide en dos, igual que el anillo contráctil formado por filamentos de actlna y miosina en las células eucariotas. Los filamentos de FtsZ que se han desensamblado cuando las células se separan, se reensamblan de nuevo formando dos nuevos anillos en el centro de las dos células hijas. (B) Los cloroplastos en división (rojo) del alga roja tambtén utilizan un anillo proteico formado por FtsZ (amarillo) para dividirse. (A. de Q. Sun y W. Margolin, J. Bacteria/. 180:205G-2056, 1998 Con la autorización de American Society for Microbiology; B, de S. Miyagtshima et al.. Plant Ce/113:2257-2268, 2001 . Con la autorización de American Society of Plant Biologists.)

990

Capítulo 16: El citoesqueleto

...

. \

.-

.

.,... :··:---.-·.·"j

.. :~·

..

, ~.--

.

[ll·'-: :... ·... ..

.. ~ ~

~-.··

.

.1

Q {A)

J 5J~m

red celular vegetal de las plantas superiores (vease Hgura 19 -82). De fonna parecida a FtsZ. los filamentos en las espirales de MreB y Mbl son altamenle dinámicos. con una vida media de unos pocos minutos; como en el caso de la actina,la hidrólisis del ATP acompaiia el pro· ceso de polímeri/.ación. Otros familiares de MreB y Mbl tienen funciones m á!> (•speciali7.adas. Un homólogo bacteriano de la actina en panicular mteresante es ParM, codtficado en cienos plásmidos bacterianos que disponen de los genes responsables a la resistencia a los antibióticos y que frecuentemente provocan la expansión de la resistencia a múltiples fármacos en las epidemias. Los plásmidos bacterianos codifican por lo general todos los productos génicos necesarios para su propia segregación como estrategia que asegum una fiel herencia y propagación dentro de sus huéspedes bacterianos. In uirJQ, ParM se ensambla en una estructura de filamentos cuyos extremos se asocian con una copia del plásmido que codifica; el crecimiento del filamelllo ParM parece empujar al plásmido replicado igual que un huso mitótico funcionando a la inversa U1gura 16-27). Aunque ParM es un homólogo estructural de la actina, su comportamiento dinámico es significarivameme diferente. Los filamentos de ParM sufren una importame inestabilidad dinámica in 11itro, mucho más parecida a los microtúbulos que a los filamentos de actina en su manera de crecer y romperse. l.a estructura semejante a un huso parece qul' se forma por la estabilización selectiva de filamentos nucleados de forma espontánea que se unen a proternas especializadas reclutadas en los orf genes de replicación de los phhmidos. Los diversos homólogos bacterianos de la actina comparten eMructuras moleculares similares pero el parecido en la secuencia de sus aminoácidos es muy hajo (-10·15% de resi duos idénticos). Se ensamblan en ftlamcntos con distintos parrones de empaquetamiento de las h~lices, que a su vez presentan comportamientos dinámicos distintos. En vez de utili z.ar a la misma actina conservada para distinros propósitos como hacen las células eucario· tas,las bacterias han preferido que sus homólogos de actina proliferen y se especialicen en propósitos distintos. Ahor.t parece evidente que todas las células usan el principio general de organi1.ar una es tructura celular mediante la autoa.sociación de proteínas unidas a nucleótidos en mamemos helicoidales dinámicos, y que las dos familias más imponantes de aclina y tubulina son ancestrales, probablememe anreriores a la separación entre los reinos eucariota y bacteriano. Sin cm-

• 1

• \

monómeros plásm1do origen de de ParM replicación

filamentos proteínas de ParM de ParR

{A)

2 J~m

Figura 16-26 Proteínas homólogas a la actina determinan la forma celular en las bacterias. (A) La bacteria común del suelo Bacillus subtílis normalmente forma células con una formd de bastón regular. (B) Las células de 8. subtílís que han perdido la proteína homóloga de actlna Mbl crecen formando tubos contorneados y finalmente mueren. (C) La protefna Mbl forma largas hélices formadas por muchos filamentos cortos que se distribuyen a lo largo de la célula bacteriana y partiCipan en el direccionamiento de la síntesis de la pared celular. (De U. Jones. R Carbadillo-Lopez y J. Ernngton, Ce// 104:913·922. 2001. Con la autorización de Elsevier.)

Figura 16-27 Papel que tiene la protefna homóloga de actina ParM en la segregaci6n de los plásmldos. (A) Algunos plásmidos bactenanos resistentes a fármacos (amarillo) codifican una proteína homóloga a la actina. ParM, que nucleará de forma espontanea formando pequeños y d1námicos filamentO$ (verde) en todo el citoplasma bacteriano. Una segunda proteína codificada por el plásmido (azun se une a secuencias espec1ficas de DNA en el plasm1do y también estabiliza los extremos dinámicos de los filamentos de ParM. Cuando el plásmido se ha duplicado y los filamentos de ParM se estabilizan en ambos extremos, estos crecen y empujan a los plásmldos duplicados hacia ambos extremos de la célula. (B) En estas células bacterianas que incorporan un plasmido de resistencia a fármacos, los plásmidos se han marcado en rOJO y la proteína ParM en verrk. A la Izquierda, un haz corto de ParM con e<U a los dos plásmidos hijos rápidamente tras¡, duplicación. A la derecha, un filamento de ParM totalmente ensamblado ha empujado a los plásmldos duplicados hacia los polos celulares. (A, adaptado de E.C. Gamer, C.S Campbell y R.O. Mullins, Science 306:1021 · 1025, 2004. Con la autorización de AMS; B de J. Moller·Jensen et al" Mo/Ce//12:1477 1487, 2003. Con la autorización de ElsevierJ

AUTOENSAMBLAJE Y LA ESTRUCTURA DINÁMICA DE LOS FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO

• - .r f - )

1

\.

1\ \. (B)

l

211-m

t·l uso que hacen las bacterias de su citocsqucleto es algo distinto al de sus homólogos tc•tas. Por ejemplo, en las bacterias es la tubulina (1 rsZ) la que participa en la ciux:inesis .....,.mdo a la célula en división en dos células hijas), mientras que en las células cucariotas es ina la responsable de este proceso. Al contrario, los microttibulos eucariotas son los res•••••••h''"' de la M.'gl'Cgación de los cromosomas, mientras que las actinas bacterianas (ParM y MreB) cooperan en la segregación del DNA replicado en la., bacterias. Al menos una especie de bacteria!> con una forma poco usual de media luna, C'-aulobacter ws, parece esconder una proteína con un parecido estructural significativo con la ter.unilia de filaml·ntos del citoesqueleto de la~ células animales, los lilamentos imermellna proteína Urunada crescentina forma una estructura filamento~a que parece influir 'urma de la célula; cuando el gen que codifica la crcscentina es eliminado, la!> células de ..WIIttlctercrccen como hileras de bastones (Figura 16-28). l'llt''>LO que ahora sabemos que las bacterias presentan sofist icados citoesqueletos di...... ¿por qué han mantenido unas formas tan pequeñas y simples? De momento no se lt·ntificado protefluiS motoras que viajen a lo largo de los filamentos bacterianos; quizás •lución de las prote(nas motoras constituye una etapa critica para la elaboración mor·• de los eucariotas.

de lru cti/11/ru c•uetlriOIIlS e.1tt1 organiuulo espadalmeme por una rl'd de filtmU!IItOs os mrux:ida como citac·.~tleleto. Esta red contiene trr~ tipo.~ pnnripales de filamentos: los mi~ul•ulos,losfilamc•ntos de tutmn y losfilamemo~ intt•rml'flios. l.os tres tipos de filamentos ~e for•mo eT!S(Imblaje.\ l!e/icoidales de• sulmnidadt'S que se autQllSocinn grnertmdo combinacionr.s t11ctos proteicos extremo-extremo o lmerales. [.(¡.s diferencias en /aestntctLira de las subunidn'' fonna de nwoensamblaje fJroporciOII(lll a los ji/amemos propíedodes mfitinims distintru. rmll!ntos intermedios son semejames a cuerdas y fdriles de fomwr (X'rO diflcíle.s de romper. Los ~u/mios son tubos rigúlos y fuertes. Los filamentos de actina son los mtfs finos de los trl's y son de easnmblar y muy fdci/¡•s de romper. 'lins células t•ítm.los tn•s tipos de filamentos del citoe.>llue/eto sufren una rrmodeltuiófl coriSIta6t>mediante 1'1 en.wm/Jlajey de.\ensambltljedt•sus subunidlllles. l..os microni/Julo~ y los filamentos tUIII/Iell y piercú?tl .mbunidlllles linicameme en sus ¡•xtwmo~. con 1m e:ctrl.'mo (e/ e.uremo más) ulo más rápido que el otro (PI ex.trrmo menos). lA wbu/ina y la nctintl (lru subtmidndes de los ll/111/os y de los fila memos de tutina, rcs{Jl>ctii'Omente) ufll!fl e ltidrolizan muleósidos trifosfafllillllina une GTP y la acrirlll AJP). La hidrólisis dr los r111ch>ótidos les amfien• su comporta· tlindmico caracwrístico. l..os filamentos de actiflll funcionan sobre todo por recambio en~ambltimlose por un1•.xtrrmo y de.seusnmbldndose por el extremo opuesto. l.os microtti· rle lns ct!lulas jcmcimw/1 prrdomitlllfltemente mediame inestabilidad dintfmica, por In cual 'mttíbulo sufre etnfXIS altenlllllfes de crecimieflfo y de rotura en un mismo extl'l'mo. ,f,..nrms que ltl wbulitw y In actina /tan sido muycm~.servadas a lo li1rgo de la evalución de ltl o'ltcariota. la familw de fila memos intermedios e.1 nmy di11ersa. Hlly ww gran {lariedad de c'.lpecfjicas de tejido 1'11 el citoplasnw tú> UIS células nninwll'S, incluyendo lo.\ filamentos de llll de las célulns epiteliales, los neurofilamemos de In.~ células nen1iosas y lo.~ filiunentos de ele las célultlS musculares. En todos estas células. la función primaria di' los fila memos ines proporcionar reslSiencta mL>cdnica a.' bacterias wmbié11 presemnn protefnas llomólogas a la tubulina, a la aclltlll y a lo~ fila" llllermedios, que fomzan estrucwras filamentosas dinámicas implicadfiS en/a fonna de las venia dil'isión celulm: ~t•l11sma

991

Figura 16-28 Coulobactery crescentfna. La bacteria en forma de hoz Coulobacter crescentus expresa una protefna con una serie de dominios de sobreenroflamiento similares en tamaño y organización a los dominios de los filamentos intermedios eucariotas. En las c~lulas,la proteína crescentina forma una fibra que rodea la cara interna de la curvilínea pared celular bacteriana. Cuando el gen no es correcto, la bacteria es viable pero crece en forma de bastón recto. (De N Ausmees, J.R. Kuhn y C. Jacobs-Wagner, Ce//115:705-713, 2003. Con la autorización de Elsevier.)

992

Capítulo 16: El citoesqueleto

CÓMO REGULAN LAS CÉLULAS LOS FILAMENTOS DE SU CITOESQUELETO Los microtúbulos, los lilamentos de actina y los lilamentos intermedios son más dinámicos dentro de la célula que en el tubo de ensayo. La célula rt>gula la longitud y la estabilidad de sus filamentos, y también r.u número y su geometría. Los filamentos pueden formar una gran variedad de esLructuras de orden superior regulando la unión de los filamentos entre ~r o a otros componentes celulares. Algunas propiedades de los lilamemos están reguladas por modificaciones covalentes directas de las subunldades del filamento, pero la mayor parte de la regulación la ejercen un gran conjunto de protefnas accesorias que se unen a los filamento<; o a las subunidades libres. Algunas de las protefnas accesorias má!. importantes asociadas con los microtúbulos y los filamentos de actina <te mueMran en el Panel l6-3 (pp. 99·1-995). Esta sección describe cómo las proteínas accesorias modifican la dinámica y la estnlctura de los filamentos del citoesquelto. Empezamos con una exposición sobre cómo se nuclean lo'i microtúbulos y los lilamentos de actina en las células, puesto que este hecho constituye una parte muy importante en la determinación de la organización total del interior celular.

Un complejo proteico que contiene tubulina y nuclea a los microtúbulos Mientras que las tubulinas C1 y~ son los bloques de conc,trucción habituales de los microt\i bulos, otro tipo de tubulina, Uamada wlmlina y. tiene una papel mucho más especiali1.ado. Esta protefna, presente en mucha menor cantidad que las otras dos, está implicada en la nucleación del crecimiento de los microtubulus en organismos muy diferentes, desde la-. levaduras hasta los humano'>. Generalmente los microtúbulos se nuclean a partir de una lo cali1.ación intracelular conocida wmo centro organizador de m lcrotúbulos CMTOC: micro t ubule-organlzing cemer). Anticuerpo~ dirigidos contra la tubulina y marcan el MTOC en prácticamente todas las especie'> y tipos celulares examinados hasta el momento. Los microtúbulos se nuclean por su extremo menos, de forma que su extremo más va creciendo a partir de cada MTOC generando d iferentes tipos de dispo~iciones de microtubulos. Un anillo complejo de tubullna y(y-1\JRC: tu bu/in ring comple:c) capaz de nuclear el crecimiento de microtúbulos en un tubo de ensayo se ha aislado tanto a partir de células dl• insecto como de células de vertebrados. Dos protefnas, también conservadas desde las levaduras hasta la especie humana, '>e unen duectamente a la tubulina y junto con otras proteínas que ayudan a generar el anillo de moléculas de tubulina y. Este anillo se puede observar en los extremos meno., de los microttíbulos nucleados por y-ThRC y parece que actúa de base para crear un microtúbulo con 13 protofllamentos (Figura 16-29).

En las células animales los microtúbulos se forman a partir del centrosoma En la mayoría de células animales existe un MTOC bien definido llamado centrosoma, loca.lizado cerca del núcleo. Desde este punto focal, los microtúbulos citoplasmáticos emergen en forma de cstreUa y con una conformación astral. Los microtúbulos son nucleados en el centrosoma a partir de sus extremos menos, de forma que los extremos más apuntan hacia fuera y crecen hacia la periferia celular. Los microtúbulos nucleados en el centrosoma crecen y se

, . ·ICC··· ~ ... • -·~~' ~

(A)

(B)

...

protelnas accesorias en el complejo de anillo de tubulina y

(Q

L__j 100 nm

Figura 16-29 Polimerización de tubulina n ud eada a p artir d e com plejos en forma de anillo de tubulina y. (A) Estructura del compleJO de anillo de la tubulina y reconstruida a partir de la media de compleJOS purificados individuales observados mediante microscopia electrónica. (B) Modelo para la nudeaci6n del crec1m1ento de un miCrotúbulo a parttr de y-TuRC La lfnea roja indica un par de proteínas unidas a dos moléculas de tubullna y. este grupo puede ser aislado como un subcomplejo separado del anillo más grande. Obsérvese la discontinuidad long1tudtnal entre dos protofilamentos. Los microtúbulos generalmente tienen una de estas •costuras· rompiendo el empaquetamiento uniforme de la hélice~ los protofilamentos. (Q Electromicrografia de un microtúbulo sencillo nucleado a partl! de un complejo de anillo de tubulína y. (A y C. de M. Montz et al. Nat. Ce// Biol. 2:365-370, 2000; Con la autorización de Macmillan Publlshers Ltd.)

REGULAN LAS CÉLULAS LOS FILAMENTOS DE SU CITOESQUELETO

993

+

¡Jres de nucleadón mpleJos en ani llo de tubulina y)

1\,

+

). ()

o

matriz del centrosoma +

~

'

V

''arde '•·ntrlolos

+

!'~·.

+ +

(C)

mlcrotu· bu1os creci d e los complejos dendo a partir tubulina yen el centrosoma e anillo de

(B)

n continuamente por su inestabilidad dinámica rastreando todo el volwnen tridimenUn centrosoma está formado de una matriz centrosómica fibrosa que con••••ls de 50 copias dey-l\JHC. Muchas de las proteínas que forman esta matriz todavía no •In identificadas y también se desconoce cómo reclutan y aclivan el y- ThRC. unersos en el centrosoma se presentan un pa.r de estructuras cilfnd ricas algo enigmá' h'puestas en ángulo recto, en una configumción en forma deL (Figura 16-30). Se t.ralus centrlolos, que son como los corpúsculos basales de los cilios y flagelos de las móviles (se describirá más adelame). Los cemrfolos organizan la matriz. del centrotambién llamado material pericentriolar), asegurando su duplicación en cada ciclo al duplicarse a sf mismos (Figura 16-31). Como se describirá en el Capítulo 17, dul.t interfase el centrosoma se duplica y se separa en dos partes iguales, de forma que nuad contiene un par de centrfolos duplicados. Cuando empieza la mitosis, estos dos "omas hijos se desplazan hacia lados o puestos del núcleo y forman los dos polos del 1111tótico (véase Panell7- l, pp. 1072- 1073). Un cemrfolo está formado por un cilindro dt• mic.rotúbulos modificados y un gran número de protefnas accesorias. No se com,. muy bien la base molecular de esta duplicación. In hongos y diatomeas, los microtúbulos se nuclean en un MTOC que está inmerso en o~ltura nuclear formando una pequena placa denominada corpúsculo polar mirótico. ,. que las plantas superiores nuclean los microrúbulos en distintos lugares distribuidos dor de la envoltura nuclear. Ni los hongos nl las plantas superiores disponen de cenA pesar de estas diferencias, todas estas células tienen tubulina y, y parece que la uti(>;lra nuclear a sus microtúbuJos. l;n las células animales, la configuración astral de los microtúbulos es muy resistente, ~Iremos más muy dinámicos apumando hacia la periferia celular y extremos menos -.tables localizados cerca del núcleo. El sistema de microrúbulos radiando a partir del o ..oma actúa como un dispositivo que proporciona supervivencia a las regiones más 1de la célula

Figura 16-30 El centrosoma. El centrosoma es el centro organizador de microtúbulos (MTOC) más importante de las células animales. localizado en el citoplasma, en las proximidades del nucleo, está formado por una matriz amaña de protelnas fibrosas a las que se adhieren los complejos de anillo de tubulina y que nuclean el crecimiento de los microtúbulos. Esta matriz está organizada por un par de centrfolos, como se describe en el texto. (B) Un centrosoma con miCrotubulos unidos. El extremo menos de cada uno de los microtúbulos está incrustado en el centrosoma, creciendo a partir de un complejo de anillos de tubullna y, mientras que el extremo más de cada microtúbulo queda libre en el citoplasma. (C) En una Imagen reconstruida del MTOC de una célula de C elegans, se puede observar un grupo denso de microtúbulos saliendo del centrosoma. (C, de E.T. O'Toole et al., J. Cei/Biol. 163:451-456,2003. Con la autorización de The Rockereller University Press.)

matriz del centrosoma

1

centriolos

(B)

200nm

(A)

Figura 16-31 Un centríolo en el centrosoma. (A) Electromicrografia de un corte ultrafino de un centrosoma mostrando una visión de un centrlolo materno en un corte longitudinal de un centrlolo hijo. Se pueden observar numerosos microtúbulos en sus proximidades. (B) Estructura de un par de centríolos. (A, de GJ. Mack. Y. Ou y J.B. Rattner, Microsc. Res. Tech. 49:409-419, 2000. Con la autorización de John Wiley & Sons. 8, adaptado de D. Chrétien et al., J. Struct Bio/. 120:117-133, 1997. Con la autorización de Elsevier.)

FILAMENTOS DE AGINA +

-:=2&+

-~ +

-e

.

~+ compleJO ARP

formma

nuclea el ensamblaje que dará lugar a una red y permanece asociado al extremo menos

nudea el ensamblaje

y permanece asociada al extremo más en crecimiento

timosina se une a las subunidades impidiendo su ensamblaje

•• •••

G

~

• •• •••• •••

~ - -~

" "'

subunidades de actina

,111"

..... cofilina

se une a los filamentos de actlna-ADP, acelera el desensamblaje

•.-;.~ -.. sJ:IIJ -~ / -.. ....

rO ._.,'(<&

- - - - filo m•"'• '""'"' +

gelsolma rompe filamentos y se une al extremo m~s

profilina se une a las subun1dades, acelera su alargamiento

O""'

""----\_ __ _,

+

- - - - - tropo'!'iosina estabiliza el filamento

....,;~

proteína casquete impide el ensamblaje y desensamblaje en el extremo más

formac1ón de haces, entrecruzamiento y unión a membranas

membrana plasmática

filamina

espectrina

ERM

Algunas de las proteínas accesorias más importante del citoesqueleto de actina. Excepto para las proteínas motoras tipo miosina, que será tratado en otra sección más adelante, se muestra un ejemplo de cada uno de los tipos más importantes. Cada uno de ellos se describe en el texto. De todas formas, las células contienen más de cien tipos distintos de proteínas de unión a actina y existen importantes t ipos de proteínas asociadas a la actina que todavfa no se han identificado.

MICROTÚBULOS

..

~ + y-TuRC nuclea el ensamblaje

y permanece asociado

r

centrosoma

al extremo menos

~ ~' \.

~ ~

,l "

~

-

'-' .. ''

~

estatmina

, . ... 8

/ +TIP

se une a las subuni dades e Impide su ensamblaje

dlm"o< d• '"""""' /

' ~ ~ :­

permanecen asociados a los extremos más en crecimiento y pueden unirlos a otras estructuras, como por ejemplo las membranas celulares

r ~~~ ~ ,

+

'

.J,...J..

' • ---------

.1

+

o ..

--------

+ "

~

/

quinesina~ 13

aumenta el desensamblaje catastrófico en el extremo más

microtubulo

E

XMAPilS estabiliza los extremos más y acelera su ensamblaje

+

catanina

MAP

rompe mlcrotubulos

estabilizan los microtubulos uniéndose a ellos lateralmente

formación de haces de filamentos y entrecruzamiento

2 tau

MAP-.2

plectma los une a los filamentos intermedios

Algun as de las protefnas accesorias más importantes del citoesqueleto de microtúbulos. Se muestra un ejemplo de cada uno de Jos principales tipos, excepto para las dos clases de proteínas motoras, que serán descritas en otra sección más adelante. Cada uno de ellos se describe en el texto. De todas formas, las células contienen más de cien tipos distintos de proteínas de unión a microtúbulos; como sucede para las proteínas asociadas a actina, existen importantes tipos de protefnas asociadas a los microtúbulos que todavía se desconocen.

996

Capítulo 16: El citoesqueleto

10J.1m

alejadas de las células y que coloca el cemrosoma en su centro; este proceso se p roduce inclu'>o en medios artificiales (figura I S-32). Incluso en un fragmento celular aislado que haya perdido e l centrosoma, los microtúbulos d inámicos interactúan con los orgánulos membmnosos y las proternas motoms se orgamzan adoptando una disposición en forma de estrella con los extremos menos dirigidos hacia el centro, aunque este proceso pueda Implicar a más componentes que el simple mecarúsmo de empuje usado por el ccmrosoma aislado (Figura l S-33). Esta capacidad de los microtubulos del citoesqucleto para encontrar el centro de la celula establece un sistema general coordinado, que permite pos1cionar muchos orgánulos dentro de la célula. Cclulas altamente especiali7..adas como la<; neuronas, la.~ células musculares y las células epiteliales deben usar mecanismos adicionales para esta· blecer sus elaborados y coordinados sistemas internos. Asf, por ejemplo, cuando una célula epitelial forma las uniones célula-célula y se polari1..a, los extremos menos de los microtúbulos ~e mueven hacia una región cercana a la membrana plasmática apical. Oesde esta localización as1mcmca, se forma un haz de microtübulos casi paralelos a lo largo del eje longitudinal de la célula, con los extremos más extendiéndose hasta la superficie basal (véase Figura 16-5).

Figura 16-32 El comportamiento del centro buscador de un centrosoma. (A) Se micrograbaron pequeño pocillos cuadrados sobre un sustrato de plé\stíco. Se introdujo un centrosoma en uno de estos pocillos, junto con una solución de subunidades de tubullna Mientras los mlcrotúbulos pollmerlzan, nucleados por cl centrosoma, empujan contra las paredes pocillo. La necesidad de ser empujados por igual en todas las direcciones para estabili1M la posición, fuerza al centrosoma hacia el centro del podllo. Las tres imágenes fueron tomadas a intervalos de tres mmutos. (8) Un centrosoma centrado por si mismo, fi¡ado y marcado para mostrar la dístribud6! de los mlcrotubulos empujando las cuatro paredes del envoltorio. (De T.E. Holy et al. Proc. Natl. Acod. Se/. U.S.A. 94:6228-6231, 1

Con la autorización de Natíonal Academy of Sclences.)

..

A menudo los filamentos de actina se nuclean en la membrana plasmática Al conlrario de lo que ocurre con la nucleación de los microtübulos, que se produce en la parte interna del citoplasma y cerca del nücleo, los filamentos de actina se nuclean frecuen temente en o cerca de la membrana plasmática. Por lo tanto. en la mayoría de células la densidad más alta de filamentos de actina está en la periferia celular. La capa situada bajo la membrana plasmática se Uama córtex celular y los filamentos de actina de esta capa son los responsables de la forma y el movimiento de la superficie de la célula. Por ejemplo, en función de cómo es su unión entre eUos o su unión con la membrana plasmática. las estructuras de actina pueden formar proyecciones de la superficie de la célula muy variadas. Esto incluye a los haces pumiagudos tales como los microtJil/i o jilopodios. velos emergentes y alargados llamados lamelipodios que ayudan a la~ células a despla?arse sobre sustratos sólidos y las evaginaciones fagocfticas de los macrófagos. Con frecuencia, la nucleac1ón de los filamentos de actina en la membrana plasmática está re~,'Uiada por se1iales externas, Jo cual permite a las células cambiar rápidamente su centrosoma con un par de centrlolos

4 HORAS

DE ESPERA

se corta por aqul con una aguja

fragmento celular se<cionado

l\~+},1 ... 1

c~lula

melan6fora

nuevo centro (..: organizador - --', ¡. de m1crotúbulos, sin centrfolos

fragmento celular con microtúbulos organizados

Figura 16-33 Un haz de mlcrotúbulos puede encontrar el centro de la célula. DesptJés de cortar con una aguja el bra¡ de una célula pigmentaria de un pez. lo microtúbulos del fragmento cortado se reorganizan de forma que sus extremo! menos se colocan cerca del centro del fragmento, orientados hacia un nuevo centro organizador de m1crotúbulos.

997

REGULAN LAS CÉLULAS LOS FILAMENTOS DE SU CITOESQUELETO rrgrdez respondiendo a los cambios de su entorno. Esta nucleación puede estar capor dos tipos distintos de factores reguladores, el complejo ARP y las forminas (se ''mas adelante). El primero de ellos es un complejo de proteínas que incluye a dos relacwn{ll/a.s co11 la actina, o ARP (acti11-related protei11s), cada una de las cuales una homología del45% con la acUna. De forma análoga a la función del y-·1\.JRC, el l

extremo más

actína [

W

Arp2

factor actívador

~

otras protelnas

__i_ Arp3

+ Arp2

complejo ARP act1vo

••• ...

monómeros de actina

[~ ] extremo menos

Arp3

D•J

extremo más

filamento de actina nucleado

(O)

!O 'S

l__j 10nm

16-34 Nucleación y formación de la red de actina por el complejo ARP. (A) Estructuras de los complejos Arp2 y Arp3 comparadas con la estructura ''" A pesar de que la cara equrvalente al extremo más (superior) tanto de la molécula de Arp 2 como de la molécula de Arp3 es muy similar al mds de la actina, diferencias tanto en la zona lateral como en el extremo menos (inferior) impiden que estas proteínas puedan formar filamentos por o coensamblarse con los filamentos de actina. (B) Modelo de nucleación de los filamentos de actina por el complejo ARP. En ausencia de un factor Arp2 y Arp3 pueden estar unidas mediante protefnas accesorias manteniendo una orientación que les impide nuclear un filamento nuevo de ·uando un factor activador indicado por el tridngulo azul se une al complejo, Arp2 y Arp3 se juntan formando una nueva configuración parecida . . . , o más del filamento de act1na. Entonces, las subunidades de actma pueden ensamblarse en esta estructura y superar la etapa llmitante de la ~n del filamento (véase Figura 16--1 O). (C) El complejo ARP nuclea filamentos de forma mas eficiente cuando está unido lateralmente a un filamento nte. El res.ultado es una rama de filamento que crece en un clngulo de 7Cf> con respecto al filamento ongrna.l. Rondas repetidas de ramificaciones la formación de una red de actina en forma de árbol. (O) En la parte superior, electromicrografia de filamentos de actina ramificados formados • o subun1dades de actJna purificadas con complejos ARP punficados. En la parte Inferior, imagen reconstruida de una ramificación en la que las ~ds cristalinas de actina y del complejo ARP se han ajustado a la densidad electrónica. El filamento materno se distribuye desde la parte superior a la rior y el filamento hijo se ramrfica hacia la derecha en el punto donde el compleJO ARP se une a tres subunidades de actina del filamento materno. Mullins et al. Proc. Noti. Acod. Sci. U.S.A. 95:6181-6186, 1998. Con la autorización de National Academy of Sciences y de N. Volkmann et al., Science 2459, 2001 Con la autorización de Macmillan Publishers Ltd.)

. E

998

Capitulo 16: El citoesqueleto

Rgura 16-35 Función del complejo ARP en las células vegetales. (Al Células de la epidermis de la hoja del malz forman pequeños lóbulos ricos en actina que encajan las células vecinas como las piezas de un rompecabezas. (8) El patrón regular de las células encajadas cubriendo la superficie de la hoja. (C) Las células epidérmicas en una planta mutante que carece del complejo ARP no forman los lóbulos Interconectados. Las células en forma de ladrillo tienen un tamaño y una distribución normales, pero forman hojas parecen demasiado brillantes a simple visa (De MJ. Frank. HN Cartwright y LG. Smlth, Development 130:753-762, 2003. Con la autorización de Company of B1olog1sts.)

complejo ARP (también conocido como complejo Arp 2/.1) nuclea el crecimiento de los filamentos de actina a partir del extremo menos y posibilita de este modo un alargamiento rápido de los filamento'> por el extremo más (Figura 16-34A y 8). 1:.1 complejo tambicn puede unirse lateralmente a otro filamento de actina y permanecer unido al extremo menos del filamento que ha nucleado. de forma que se generan filamentos en forma de árbol (Figura J6-34C y 0). En los anima le~. el complejo ARP está asociado con cstructums en el extremo en crt•cimienlo de las células migratorias. El complejo también está locali1.ado en regiones de crecimumto rápido de filamentos de actina como los lamelipodios y su actividad nucleadora está regulada por diversas moléculas set'lalil.adoras intracelulares y componentes localizados en la cara citoplasmática de la membrana celular. Este complejo altameme conservado tambtén está implicado en la nucleación de lo'> filamentos de actina cerca de la membrana plasmática en las levad uras, donde es necesario para poder formar la actina cortical (véa'ie Figura 16-6), y en las células vegetales, donde dtrige la formación de los haces de actina en la superficie necesarios para el crectmiento de las complejas formas celulares en una gran variedad de tejidos distintos (Figura 1&-35). Tanto la tubullna y como los complejos ARP son antiguos desde el punto de vista t..>volutivo y se han conservado en una gran variedad de especies eucariota'>. Parece que los genes que los codifican ~urgieron por duplicación del gen de w1a de las ~ubu nidadcs de los microtúbulos o de los mamentos de actlna, respectivamente. A continuación se produjo una divergencia y una especialización de las copias géntcas, de forma que ahora codifican proteínas con una función nuclcadora especial. Asf pues, en lo!. dos ststemas del ciwesqueleto se ha producido una e!.tralcgia parecida. f~~te hallazgo indica la gran importancia que tiene una nucleación regulada como principio organil.ador general de las células.

El mecanismo de la nucleación influye en la organización de los filamentos Puesto que el complejoARP nuclea el crecimiento de un ftlamcnto nuevo de actina de forma más eficiente cuando está unido lateralmente a un lila mento viejo de actina,la activación regulada del complejo ARPen las células animales tiende a conducir hacia el ensamblaje de redes de actina ramificadas con texwra de gel. Sin embargo, la mayoría de grandes estructuras de actina encontradas en las células están formadas por haces paralelos de filamentos de actina no ramificados, incluyendo el surco de división encontrado en el ecuador de las célula'! en mitosis (véase Figura 16-2) y los cables de actina que se localizan hacia La gema en crectmlento de las levaduras (véase Hgura 16-6). La formación de la mayoría de estos haces de actina se induce mediante un grupo distinto de protemas nucleadoms,lasforminas. que son capaces de nuclear el crecimiento de los filamentos rectos y no ramificados que pueden ser entrecru~.ados por otras protemas formando los haces paralelos. Las forminas son una gran familia de protefnas dlméricas (el genoma del ratón codifica cerca de 15 formlnas distintas). Cada subunldad de formina presenta un lugar de unión para un monómero de actina y parece que el dimero de formina nuclea la polimeri7-ación del fiJamente de actina mediante la captación de dos monómeros. Mientras el nuevo filamento crece, el dime ro de formina se mantiene asociado con el extremo más en rápido ere-

..

REGULAN LAS CÉLULAS LOS FILAMENTOS DE SU CITOESQUELETO

extremo más

extremo menos

permitiendo la unión de nuevas subunidades en el extremo en crecimiento del fi. (Figura 16-36). l.stc comportamit•nto es muy distinto al del complejo ARPo al

\IIIC, que se mantiene unido al extremo menos del ntamento de actina o al microtúlmpide tanto la adición como la perdida de subunidades en este extremo.

999

Figura 16-36 Alargamiento de actina mediado por las formínas. Las proteínas llamadas forminas (verde) forman complejos diméricos que pueden nuclear la formación de un nuevo filamento de actina (rojo) y permanecer asociadas al extremo más de rápido crecimiento mientras éste se alarga. La formina mantiene su unión a una de las dos subunidades de actina expuestas en el extremo más, mientras permite el ensamblaje de las nuevas subunidades. En la ilustración, sólo se muestra una parte de la gran molécula de form1na. Otras reg1ones regulan su actividad y se unen a estructuras concretas de la célula. La mayoría de forminas están conectadas de forma Indirecta con la membrana plasmática y colaboran en la polimerización insercional del filamento de actina justo por debajo de la superflcie de la membrana.

rgamiento de los filamentos está modificado proteínas que se unen a las subunidades libres • lo!> filamentos han sido nucleados, por lo general se alargan por adic1ón de subuni•lubles. En la mayoría de células no musculares de los vertebrados aproximadamente tll' la actina está fonnando filamentos, mientras que el 50% restante se encuentra , -.oluhle aunque esta proporción puede cambiar con rapidez en respuesta a señales 1:s habitual que la conct•ntración de monómero soluble oscile emre 50 y 200 ¡.tM mLJ. concentrac•ón sorprendentemcnw elevada dada la baja concentración crítica la para la actina pura en un tubo de ensayo (inferior a 1 ¡.¡M). ¿Por qué una parte de permanece soluble y no pohmeriza formando filamento!.'? La ra?ón está en que estan abundante de suhunidades contiene protcmas especiales que se unen a los ...,..,,wros de acuna e 1m piden su polimeri7.ación o la hacen menos favorable (el efecto es lo al del compuesto latrunculina). De entre estas proteínas, la más abundanrc es una proteína denominada timositw. 1os monómeros de actina unidos a la timosina se ran en un estado cerrado, en el cual no pueden asoc1arse ni al extremo más ni al exllt·nos de los filamentos de actina y tampoco pueden h1drolizar o cambiar el nuclcó~ llevan unido. mo consiguen las células recolectar e~to~ monómeros de acuna de eMe conjunto rado y los utiliz..an para polimerizar? Podría parecer que la timosina estuviera regula···" de transducción de señal como las mencionadas en el Capftulo 15, pero no se ha rado que este sea el cac;o. Por el contrario, el n.>clutamicnto depende de otra proteína de 1 monómero. la projiliua. La profilina se une al monómero de actina en la cara .ti lugar de unión al ATP. de forma que bloquea el lugar al que se asociarla el monóm t'l extremo menos del filamento, mientras que deja expuesto el lugar del monóme,. une al extremo más (Figura 16-37). Sin embargo, el complejo profilina-actina 1111ir~e fácilmente al extremo más libre. Al producirse esta unión, se induce un cambio nacional de la actina, la cual disminuye su afinidad por la proftlina, por lo que esta se dejando al filamento con una subunidad más. Puesto que la profUina compite con la 1.1 por la unión a los monómeros de actina, el resultado neto de una activación local ., ulas de profilina desplaza las subunidade!> de actina secuestradas por la timosina a rnos más de los ntamentos. El crecimiento de los ftlamentos de actina depende m u' de la activación de profilina para aquellos filamentos cuyos extremos más están h a ciertas forminas (la familia de proteínas nucleadoras de actina descrita anteliPl; en es ros casos, el crecimiento del filamento de actina puede necesitar que la ac·nomérica esté unida a la profilina (Figura 16-38). tt•n diferentes tipos de mecanismos intracelulares que regulan la actividad de la . mcluyendo la fosforilación de la propia profilina o la unión de la proftlina a lípidos mositol fosfato. Estos mecanismos pueden definir los lugares donde actuará la Por ejemplo, la capacidad de la proftlina de movilizar la.s subunidades de acrina odas hacia los extremos de los filamentos en crecimiento es crítica para su ensam-

molécula de ATP en la ranura de untón al ATP

\

actina

Figura 16-37 La profllina unida a un monómero de actina. La molécula de profllina se muestra en azul, la de actina en rojo y el ATP en verde. La profillna se une a la cara de la actina opuesta a la ranura donde se coloca el ATP. Este heterodfmero de profilina-actina puede unirse y alargar el extremo más de un filamento de actlna, pero está Impedido estéricamente para un1rse al extremo menos. (Cortesia de Michael Rozycki y Clarence E. Schutt.)

1000

Capitulo 16: El citoesqueleto

blaje en la membrana plasmática. La profilina se localiza en la cara citoplasmática de la membrana plasmática puesto que se une a los fosfotrpidos ácidos de membrana de esta cara. Fn esta localización, las seiíales e>..uacelulares pueden activar la profilina produciendo una polimerización explosiva y local de aclina y la aparición de estructuras móviles ricas en actina como los filopodios y los lamelipodios (véase más adelante). Además de unirse a la actina y a los fosfohpidos, la profilina también puede unirse a otras proteínas intracelulares que presentan dominios ricos en prolina; estas protefnas también pueden colaborar en la localización de la profilina en los lugares donde es necesario un rápido ensamblaje de los filamentos de actina. Como ocurre con los monómeros de aclina,la célula secuestra a las subw1idades de tubulina no polimerizadas manteniendo el conjunto de subunidade~ líbres en unos niveles sensiblemente más altos que la concentración crítica. Una molécula de la pequeña protema esta/mina se une a dos heterodímeros de tubulina e impide su unión a los e>. tremo<; de los mictrotúbulos. Así pues, la estatmina disminuye la concentración efectiva de las subunidades de tubulina disponibles para la polimerización (efecto análogo al del compuesto colchicina). Además, la estatmina aumenta la probabilidad que un microtlibulo en crecimiento sufra la transición catastrófica hacia el estado de ntptura La fo'>forilación de la e!>tatmina inhibe su unión a la tubulina y las señales que inducen esta fosforilación pueden increnwntar la velocidad de elongación de los microtúbulos y suprimir la inestabilidad dmámíca. A menudo las células cancerosas sobreexprcsan estatmina; se cree que el aumento en la tasa de recambio de los microtübulos inducido contribuye a los cambios característicos de la fonna celular asociados con la malignización y la fonnación de tumores.

actina formona

bigote de formon• 1 1

--

:

:f•lamentO' , de actma :

!

Existen proteínas fragmentadoras que regulan la longitud y el comportamiento cinético tanto de los filamentos de actina como de los microtúbulos En algunas situaciones, una célula puede romper un lilamelllo largo ya eXJstente en muchos filamentos más cortos. Este suceso genera una gran cantidad de extremos nuevos: un fila memo largo -.ólo liene un extremo más y un extremo menos, pero al romperse en docenas de filamelllos cortos, cada uno de eUos presentará su propio extremo menos y su propio extremo más. Fn cienas condiciones intracelulares, estos extremos recién formados nuclean la elongación de un filamento; en e!>te ca.,o,la fragmentación acelera el ensamblaje de nuevas eMructuras de filamentos. Ln otras condictones, la fragmcmaciün induce la dc!>polimerización de los filamentos viejos, aumemando la '.elocidad de despolimerización del orden de diez veces o más. Además, algunos filamentos cambian las propiedade<, físicas y mecánicas del ciloplasma: cuando los fllamentos se fragmentan los haces largos y rígidos y los geles se hacen más fluido'>. Para romper un microtúbulo se deben romper trece enlaces longitudinales, uno por cada protofilamento. La proteína caranina, derivada de la palabra japonesa que significa "c<,pada", rraliza esta ftmción (Figura 16-39). La catanina está formada por dos subunida de!>, una subunidad pequefla que hidroliza el ATP y que realiza la fragmentación y una subunidad mayor que dirige la catanina hacia el cemrosoma. La catanina libera los microtLíbulo-. de su unión al centro organizador de microlúlmlos y se cree que desempeiia un papel importante en la rápida despohmerización observada en los polos del huso milótico durante la meio'>is y la mito~is. 'lambién puede participar en la de~ polimerización y libera ción de los microtúbulos en las células proliferantes en interfase y en células postmitóticas como las neuronas. A diferencia de la fragmentación de los microtúbulos mediada por catanina que requiere A1 P. la fragmentación de los ftlamentos de actina no necesita energía extrn. l.a mayoría de las protefnas fragmentadoras de actina forman parte de la superfamilia gelsolina, cuya actividad fragmentadora se activa por un incremento de los niveles de Ca2' citosólico. La gelsolina presenta subdominios que se unen a dos lugares distintos de la subunidad de aclina, uno expuesto en la superficie del filamento y otro que normalmente se encuentra escondido en el enlace longitudinal hacia la próxima subunidad del prololilamento. De acuerdo con un modelo sobre la fragmemación por gelsolina, esta proteína se une de forma lateral a un filamento de actina y espera hasta que se produce una fluctuación térmica que genera un pequeño agujero entre dos subun idades vecmas del protofilamento: entonces. la gclsolina introduce su subdominio en el agujero y rompe el filamento.

REPETICIÓN CON RECARGA DE LA EN LOS "BIGOTES"

1

crecimiento rápido y contonuo del filamento de actlna en el extremo más Figura 16 38 Profilina y forminas. Alg miembros de la familia de las forminas dominios no estructurados o "bigotes" poseen diversos Sitios de unión para la profilina o para el complejo actina-¡ ,rof Estos dominios son flexibles y actúan de plataforma para la unión de actina a más en crecimiento del filamento de cuando tiene unida la form1na. En determinadas condiciones, esto puede incrementar la velocidad de alargamiento filamento de actina, que crece más rápidQ lo esperado en una reacción de difusión controlada, y a más velocidad en presenaal de formina y de profilma que en su (véase Figura 3- 80C).

REGULAN LAS CtLULAS LOS FILAMENTOS DE SU CITOESQUELETO

1001

proteínas que se unen lateralmente a los filamentos - ....... __ estabilizarlos o desestabilizarlos .,e ha formado el filamento mediante nucleación y elongación a partir del conjunto unidades solubles, a menudo su estabilidad y propiedades dinámicas se ven modifi¡•or un conjunto de protefnas que pueden unirse lateraJmente al polímero. Diferentes ·" asociadas a los filamentos utilizan su energía de unión para disminuir o incre1.1 energía libre del polímero, de forma que pueden estabilizarlo o desestabili7..arlo, 111 amente. proternas que se unen lateralmente a los microtúbulos reciben el nombre genérico mdnas asociadas a los microtúbuJos o MAP (m icrotubule-associated ¡Jroteilzs). De for•Tida al compuesto taxol, las MAP pueden estabilizar los microtúbulos evitando su unblaje. Un conjunto de MAP puede también mediar la interacción de los microtú·· •n otros componentes celulares. Este conjunto de proteínas es muy abundante en runas, en las que los haces de microtú bulos estabilizados forman el núcleo de los axo··ndritas que se extienden desde el cuerpo celular (Pigura 16-40). Estas MAP tienen 11111imo un dominio mediante el cual se unen a la superficie de los microtúbulos y ,.. 'e proyecta hacia su exterior. La longitud de este dominio de proyección determina •na de empaquetamiento entre distintos micro tú bulos. como se ha demostrado meIngeniería celular al sobreexpresar diferentes MAP. Así, las células q ue sobreexpresan l.r cual presenta un dominio de proyección muy largo, forman haces de microtúbulos . muy distantes los unos de los otros, mientras que las células que sobreexpresan tau, \1' con un dominio más corto, fom1an haces más relacionados de microtúbulos emrdos (.Figura 16-41). La protefna tau unida a los ftlamentos también puede regular el rte de los orgánulos rodeados de membrana, dirigido por las proteínas motoras. que ·•lmá más adelante. . \tAP son dianas de algunas protefnas quinasa y su fosforilación puede tener un patario en el control tanto de su actividad como de 5U locali?..ación en el interior de las 1 ntre las proteínas quinasa más importantes que pueden regular a las MAP están ··t' activan y desactivan mientras la célula avanza a través del ciclo celular (descrito en ••tlo 17). En particular, la actividad de las MAP regula los cambios en la dinámica de rutübulos que se producen cuando la célula los reorgani7-a formando el huso mitótip.uándose para la segregación de los cromosomas (véase Figura 16-2). ··más de unirse a los laterales de los microtúbulos, las proteínas tau forman sus pronnentos helicoidales cuando la concentración es bastante alta. 1:1 citoplasma de las "en Jos cerebros de gente afectada de Alzheimer posee grandes agregados d e lilatau. llamados nudos neurofibrilare!>. Se desconoce si estos aglomerados de tau son "·i o una consecuencia de la neurodegeneración asociada con esta en fermedad. lorma parecida, los filamentos de actína también pueden verse afectados por la •tcral de proteínas accesoriae;. En la mayoria de células, algunos de los filamenros de ,. csrabilb-an mediante unión a tropomiosinfl, una p roteína alargada que se une si•·ilrnente a siete subunidades de actina adyacentes en un mismo protofllamcnto. La ,. tropomiosina a lo largo del filamento de actina puede in1pedit a este filamento inar con otras protefnas; por esta razón, la regulación de la unión de la tropomiosina es pa muy importante en la contracción muscular, como se explicará más adelante 1 igura 16-78). 1 importante proteína de unión a la actina, que se encuentra en todas las células rll.ts, es la cofilinn, que desestabili7-a los ftlamentos de actina. También llamada factor nwrizador de actina. esta proteína presenta la caracteristica poco común de unirse la actina filamentosa como a las subunidades libres. l..a cofilina se une a lo largo de l•lamento haciendo que se enrosque un poco más estrechamente (Figura 16-42). Este

Figura 16-40 Localización de las MAP en el axón y las dendritas de una neurona. Esta micrografla de inmunofluorescencia muestra la distribución del marcaje de tau (verde) y de MAP2 (naranja) en una neurona del hipocampo en cultivo. Mientras el marcaje de tau está confinado en el axón (largo y ramificado en esta neurona), el marcaje de MAP2 se encuentra restringido en el soma celular y en las dendritas. El anticuerpo utilizado para visualizar tau sólo se une a la forma no fosforilada; la forma fosforilada también se encuentra en las dendritas. (Cortesfa de James W. Mandell y Gary A. Banker.)

20 ¡un

Figura 16-39 Ruptura de microtúbulos mediante cata nina. Se adsorbieron mlcrotúbulos marcados con roda mina y estabilizados con taxol sobre una superficie de cristal y se añadió catanina purificada junto con ATP. (A) Treinta segundos después de la adición de la catanina hay pocas roturas en los microtubulos. (8) El mismo campo tres minutos después de añad1r la catanina. Los filamentos han sido cortados por muchos lugares, originando una serie de fragmentos más pequeños a partir de los largos microtubulos. (De JJ. Hartman et al., Ce//93:277-287, 1998. Con la autorización de Elsevier.)

1002

Capítulo 16: El citoesqueleto

(A)

Figura 16-41 Organización de los haces de mlcrotúbulos por las MAP. (A) MAPl une al entramado del microtúbulo por uno de sus extremos y extiende un largo brazo con otro dominio de unión en el otro extremo. (Bl Tau se une al entramado del microtúbulo por sus dominios N- y e-terminales adoptando una forma de a (C) Electromicrografla mostrando una transversal de un microtúbulo en una :~1 que sobreexpresa MAP2. la distribución regular de los microtúbulos (MD en este es el resultado de la long1tud constante dt brazos de MAP2. (0) Corte similar a travh un haz de microtubulos de una célula qUf sobreexpresa tau. Los mlcrotúbulos están mucho más juntos que en (C) porque el bt que proyecta tau es mucho más corto. (C y cortesfa de V. Chen et al., Noture 360:647 1992. Con la autorizaciónde Macmillan Pubhshers Ltd.)

(8)

' (C)

(O)

1

1

300nm

estrés mecánico debilita los contactos entre las subunidades de actina del filamento, debilitándolo y favoreciendo su rotura. Además, también facilita la pérdida de las subunidades con ADP del extremo menos del filamento. Estas acti\'idades aceleran rápidamente el desensamblaje del filamento de actina Como resultado de ciJo, en el interior de la célula lamayoría de ftlamentos de acUna tienen una vida media más corta que los filamentos formados invitro a partir de actina purn. Los filamentos de actina pueden protegerse de la cofllina mediante unión a la tropomiosina. La cofilina '>e une sobre todo a los filamentos que contienen ADP y menos a los que contienen ATP. Puesto que habitualmente la hidrólisis del M'P es más lenta que el ensamblaje de los filamentos, los filamentos de actina m:ls nuevos de la célula todavfa tienen AfP y son re· sistemcs a la de~polimerización inducida por la cofilina. Asf pue'>, la coftlina favorece de for· ma eficiente la despolimcri7.ación de los filamentos más antiguos de una célula y asegura un recambio rápido de todos los filamentos de acuna. Corno analizaremos más adelante, el desensamblaje mediado por cofilina de los filamentos viejos pero no de los nuevos es crítico para el crecimiento dirigido y polarizado de la red de actina responsable del desplazamiento celular.

La dinámica de los filamentos puede verse drásticamente alterada por la unión de proteínas que interaccionan con sus extremos Las proteínas que se unen a las zonas laterales de los filamentos pueden cambiar su comportamiento dinámico. Sin embargo, para conseguir un efecto máximo, estas proteínas ge-

(A) filamento de actina

74 nm (B) filamento de actlna

+ cofllína

57 nm

..

Ffgura 16-42 Giro de un filamento de inducido por cofllina. (A) Reconstrucclon tridimensional de una crloelectromicrogr~ de un filamento fabricado a part1r de actint pura. El fragmento muestra el espacio qUf exsiste entre dos giros de la hélice de actu\1 (B) Reconstrucción de un filamento de recubierto con cofilina, que se une en una proporción de 1:1 a las subunldades de act1na a lo largo del filamento. La cofilina es una protefna pequeña (14 kilodaltons) comparada con la actina (43 kllodaltons), por lo que los filamentos parecen sólo ligeramente más gruesos. La energfa de 1.1 unión de cofilina se utiliza para deformar filamento de actina, enrollándolo un poco más sobre sf mismo y reduciendo la distar entre dos g1ros de la h~llce. (De A. etai. J. Ce//Bio/. 138:771 -778, 1997. Conla autorización de The Rockefeller Unlversity Press.)

REGULAN LAS aLULAS LOS FILAMENTOS DE SU CITOESQUELETO

población de filamentos sin casquete: crecimiento por ambos extremos

población de filamentos con casquete: crecimiento sólo en el extremo menos

-

concentración de monómero

no·nte tienen que recubrir por completo todo el filamento, lo cual implica que su este•l'lrfa debe ser muy alta (p. ej., se necesita una tropomiosina por cada siete subunida·ll'lina, una tau por cada cuatro subunidades de mbulina o una cofilina por cada ndad de actina). Por el contrario, las protemas que se unen sobre todo a los extremos . lllamentos pueden ejercer efectos drásticos sobre la dinámica del filamento, aunque ten presentes en muy bajos niveles. Puesto que la adición y pérdida de subw1idades .luce principalmente en los extremos de los filamentos, una sola molécula de estas 11.1s por cada filamento de actina (que contiene más o menos de 200 a 500 monómeros in a) puede ser suficiente para transfom1ar la arquitectura global de la red de filamcn•rtina. omo se ha descrito, un filamento de actina que pare su crecimiento y no sea estabilipedficamente por la célula puede despoli merizar con rapidet: puede perder subunit.tnto del extremo más como del extremo menos, una vez las moléculas de actina de trl•mo hayan hidrolizado su ATP y lo hayan convertido en la forma D. Sin embargo, 1urfa de los cambios más rápidos se producen en el extremo más. La unión de una •u1 casquete al extremo más (Cllpping protein), estabiliz.a este extremo del filamento de ltJ cual enlentece la tasa tanto de crecimiento como de des polimerización al inactivar 1110 más (Figura 16-43). De hecho, la mayorfa de los filamentos de actina de una céncn en su extremo más protefnas tales como CapZ (denominada asf por su localizan la banda Z del músculo, véase más adelante; también llamada protefna casquete). ntremo menos, un filamento de actina todavía puede estar recubierto por el comple1' 4ue fue responsable de su nucleación, aunque es posible que en la mayoría de célulll hos de los filamentos de actina ya no presenten el complejo ARP en su extremo "\ no estén recubiertos. · o;abe que en las células musculares, en las que la vida de los filamentos de actina es ·• tonalmente larga, los filamentos están recubiertos en ambos extremos: por CapZ en el '"'más y por tropomodulina en el extremo menos. La tropomodulina sólo se une a los •os menos de los filamentos de actina que han estado recubiertos por tropomiosina y p •r tanto, presentan una cierta estabilización.

rentes tipos de proteínas alteran las propiedades losextremos de los microtúbulos que crecen rápidamente "mo de un microtúbulo, que presenta 13 protofilarnentos formando un anillo hueco ·1 igura 16-ll), es una estructura mucho más grande y compleja que el extremo de un

uto de actina, de forma que pueden producirse muchas más interacciones de protefnas •rias. Ya hemos descrito tm casquete importame para los microtúbulos: el complejo 1111ina yen forma de anillo (y-ThRC), que produce la nucleación del crecin1iento de los ••ubulos en el centro organizador y también recubre sus extremos menos. Otra protef'pnrtante que recubre los extremos de los microtúbulos es un complejo proteico espe••c se encuentra en los extremos de los microtúbulos de los cilios (se describirá más ••le), donde los microtúbulos son estables y conservan su longitud. AIJlunas proteínas que actúan en los extremos de los microtúbulos desempeñan papeles h·' más importantes que los de ser simples proteínas recubridoras de filamentos.

1003

Figura 16-43 Encasqueta miento de los filamentos y sus efectos sobre la dinámica del filamento. Una población de filamentos no encasquetados ganan y pierden varias subunidades en ambos extremos, el menos y el más, de forma que crecen o se acortan rápidamente en función de la concentración disponible de monómeros libres (linea verde). En presencia de una protelna que encasqueta el extremo más (linea roja). sólo el extremo menos puede unir o perder subunidades, por lo que el filamento crecerá de forma más lenta a cualquier concentración de monómero superior a la concentración crítica y la ruptura será más lenta a cualquier concentración de monómero por debajo de la concentración crítica. Además, la concentración critica para la población pasa a ser la del extremo menos del filamento.

1004

Capítulo 16: El citoesqueleto MAP RESULTADO microtúbulos m.Hiargosy menos dlnillmicos la frecuencia de cat.irtrofes ha disminuido y/o la velocidad de crecimiento ha aumentado

casquete de GTP en el extremo mas de un microtúbulo

f.

factor catastro fe (quinesina 13)

Figunt 16-44 Efectos de las protelnas qut se unen a los extremos de los microtúbuhn. En las células, la transición de un microtút.. entre un estado de crecimiento y un estado de acortamiento está controlada por protelnas especiales. Una MAP como XMAP21 S estabiliza el extremo que esta en crecimiento de un mtcrotubulo al unirse preferentemente a este lugar. Con funciona opuestas destacan los factores de catastrof como la qulnesina-13, un mtembro de la superfamilia de proteínas motoras tipo qutnesina (tratado mas adelante).

la frecuencia de catastrofes ha aumentado

Concretamente, pueden afectar de forma dramática la inestabilidad dtnámica de los microrúbulos (véase Figura 16-16). Pueden influenciar la velocidad a la cual los microrúbulos cambian de un estado de crecimiento a un estado de despolimeri7.ación (la frecuencia de Las catástrofes) o de un estado de despolimerización a un estado de crecimiento (la frecuencia de los rescates). Por ejemplo, una familia de proteína-; relacionadas con la quinesina y conocidas como factores de catástrofe, aumentan significativamente la velocidad de catástrofe (estas proteínas son miembros de la familia de la quinesma-13; véase Figura 16-58). Se unen de forma especifica a los extremos de los microtubulos y parece que separan los protofilamentos entre sí, disminuyendo la barrera de energía normal de activación que impide que un microtúbulo se transforme en un protofilamento curvado, típico del estado de des polimerización (véase Figura lli-16C). Acciones opuestas a ésta pueden c¡er mediadas por proteínas MAP, como la proteína ubicua denominada XMAP215 que tiene homólogos muy parecidos en un amplio abanico de organismos, desde las levaduras a la especie humana (XMAP: Xenopus microwbuleassociated proteitl); el número corresponde a su peso molccu lar. Esta proteína posee una habilidad especial para estabilizar los extremos libres de los mlcronibulos e impide el cambio desde un estado en crecimiento a un estado de despolimerlzación. La fosforilación de X.~lAP215 durante la mitosis inhibe su actividad y cambia el balance de su competición con los factores de catástrofe (Figura 16-44). El cam bio incrementa unas diez veces la inestabilidad dinámica de los microtúbulos que se observa durante la mitosis, una transición que representa un valor crítico para la construcción eficiente del hu~o mitótico (véase Figura 17-33).

(B)

(A)

L

5¡.tm

Agunt 16-45 Proteínas+TIP locall.zadas en los extremos más en crecimiento de los mlcrotúbulos r (A) En una célula epitelial en culttvo, cada mlcrotubulo (verde) ti un extremo más asociado a la prot +TIP EB1 (rojo). (B) En la levadura de escisión en forma de vara Schlzosacchoromyces pombe, lo! extremos más de los microtúbulos (verde) estan asociados con el homólogo de EB1 (rojo) en los dos polos de las celulas en forma de varilla. (A, de A. Akhmanova y C.C. Hoogenraad, Curr. Opm. Ce// Biol 17:47-54, 2005. Con la autorizactón de Elsevier; B, cortesla de Ken Sawi

REGULAN LAS CÉLULAS LOS FILAMENTOS DE SU CITOESQUELETO

1 n muchas células, los extremos menos de los micro tú bulos están estabilizados por su t.tdón con el cemrosoma, que a su vez sirve como lugar de despolimerización de mithulos. Por el contrario, los extremos más exploran y se extienden a lo largo del espacio .1r Unas protemas asociadas a los microtúbulos llamadas proteínas tracking de los extre~ruís (+TTP, de tip, punta) se acumulan en estos extremos acúvos y viajan alrededor de la l.t romo pasajeros de Jos extremos de los microtúbulos de crecimiento rápido, disociántlc los extremos cuando los microtúbulos empiezan a romperse (Figura 16--45). t\lgunas d e las +TlP. como los factores de catástrofe relacionados co n quinesina y la l'l l5 mencio nados anteriormente, modulan el crecimiento y la fragmentación del ex" de los microtúbulos donde están unidas. Otras controlan el posicionamicmo de los ••tubulos ayudando a capturar y a estabilizar el extremo del microtúbulo en creci mienlus lugares específicos de las proteínas diana en el córtex celular. Por ejemplo, EBI , una ma +TIP presente tamo en levaduras como en humanos, es esencial para el posicio naHu del huso mitótico de las levaduras, dirigiendo los extremos más en crecimiento de ••rrotúbulos del huso mitótico hacia una región de amarre en la yema y ayudando a su •1•· en esta zona.

las células, los filamentos se organizan en estructuras orden más elevado '.thora, hemos descrito cómo las proteínas accesorias regulan la localización y el comllliento dinámico de los filamemos del citoesqueleto. Estas proteínas pueden nuclear unblaje de los filamentos. unirse lateralmente a sus extremos, o unirse a las subul•·s libres de los filamentos. Pero para que los filamentos del citoesqueleto formen un ,.¡cto intracelular útil que proporcione a la célula integridad mecánica y determine rma, los diferentes nJamentos tienen que estar organizados e íntimamente unidos 111do estructuras de orden más elevado. El centrosoma es un ejemplo de este tipo de ortdores; además de nuclear el crecimien to de los rnicrotúbulos. los mantiene unidos t.tndo una geometría definida, con todos los extremos menos inmersos en el centrosolns extremos más apuntando hacia el exterior. De esta forma, el centrosoma genera un 11110 de microtúbulos en estrella. que es capaz de encontrar el centro de cada célula ··l'igura 16-32). • ltro mecanismo utilizado para organizar los fllan1entos en grandes estructuras es el entt.amiento de filamentos. Como se ha señalado anteriormente, algunas MAP pueden tr microtúbulos y disponen de dos dominios: uno que se une lateralmente al micro tú' \ lo estabiliza) y otro que se proyecta hacia el exterior y contacta con otros microtúbulos lott•rtos de MAP. En el citoesqueleto de actina. las funciones de estabilización y entrernicnto están separadas. La tropomiosina se une lateralmente a los filamentos de actilrro no dispone de ningún dominio de proyección. El entrecruzamiento viene mediado "-.egundo grupo de proteínas de unión a la actina que sólo tienen esta nmción. Los o·mos intermedios son de nuevo distintos; están organizauos por autoasociaciones lt•s de los propios filamentos y por la actividad de entrecruzamiento de protefnas ac,,,., como ahora describiremos.

filamentos intermedios están empaquetados y entrecruzados mando hileras compactas ' 11lamento intermedio se forma como un largo paquete de subunidades tetraméricas ,. Figura 16--19). Además, muchos filamentos intermetliu:. se empaquetan entre sr y se ''ncian; por ejemplo, las proteínas NF-M y NF-H de los neurofilamentos (véase la Tabla p. 985) presentan un dominio C-terminal que se extiende desde la superficie de un •·mo intermedio ensamblado hacia el exterior, uniéndose al nJamento vecino. Estos .''de neurofilamemos forman hileras paralelas muy resistentes que se mantienen uni•••r contactos laterales múltiples, proporcionando estabilidad y fuerza a las largas ex•mes neuronales (véase Figura 16--22). • ltros tipos de empaquetamiento de los filamentos intermedios se mantienen unidos •rtHeínas accesorias. como laftlagrina, que en las céluJas en diferenciación de la epi'" empaqueta a los filamentos de queratina proporcionando a las capas más externas piel su aspereza característica. La plectina es una proteína de entrecruzamiento muy

1005

Capítulo 16: El citoesqueleto

1006

0,51Jm

Agura 16-46 La plectina entrecruza diversos elementos del citoesqueleto. La plectlna (verde) realizando d1versos entrecruzam1entos entre filamentos intermedios (azul) y microtúbulos (rOJOS). En esta electromicrografia, las manchas (amarillos) son partículas de oro coloidal unidas a los anticuerpos anuplectina. Para poder observar estas proteínas se ha extra toda la red de actina. (De T.M. Sv1tkma y G.G.Borisy,J. Ce//Bio/. 135:9911007, 1996. Con la autorización de The Rockefeller University Press.)

interesante. Además de empaquetar los filamentos intermedio~. tan1bién los une a los microtúbulos. a los haces de filamentos de actina y a los filamen tos de la proteína motora miosina JI (descrito más adelante); además permite la unión de los haces de mamen tos intermedios a las estructuras adhesivm; de la membrana pla~mática (Figura 1&-46). Mutacione~> en el gen de la p lectina cau~n una devastadora enfermedad en la cc;pccie humana que combina los efettos de la epidermolisis bullosa (provocada por una alteración de los filamentos de queratina de la piel), con los de la distrofia muscular (a causa de una al te ración de los filamentos de desmina) y con una ncurodegencración (provocada por una alteración de los neurofilamentos). H ratón que ha perdido el gen de plectina, mucre a los pocos día!. del nacimiento y presenta ampolla!> en la piel y unos músculos esquel~tico y delcorazón totalmente anormale!>. Asf pues, aunque la plectina puede no ser imprescindible para la fonnación inicial y el ensamblaje de los filamentos intermedios. su acción de entrecruzamiento es necesaria para proporcionar a las células la fuerza que necesitan para superar el estrés mecánico inherente a la vid<~ de los \'enebrados.

Proteínas de entrecruzamiento de propiedades distintas organizan diferentes ensamblajes de filamentos de actina En las células ru1imales, Jos mamen tos de actina están organizados en dos tipos de disposiciones: en haces y en redes parecidas a geles (Figura 1&-47). Como se ha indicado, esras dis tin tas estructuras se fonnan por la acción dt> protcfnas nucleadoral. diferentes: los largo~ y recto'> filamemos producidos por lru. fom1inas fonnan haces y el complejo ARP produce re des (geles). Las protetnas de entrecruzamiento de los filamentos de actina que ayudan a estabilizar y man tener estas estructuras pueden dividirse en dos clase~. proteínas que forman haces y proteínas que forman geles. Las protefnas que forman hace!> entrecruzan los filamentos de actina en disposiciones paralelas mientras que las que fonnan geles mantienen unidos los filamentos de actina en intcn,ccciones en diagonal dando Jugar a las redes laxas.

fibras de estrés

/~

filopod1o

~~- ~- ,

~

.....

~ ·.~

haz contráctil

red semejante a un gel 100 nm

haces paralelos muy JUntos

Figura 16-47 Haces de actina en una Se muestra un fibroblasto desplazándose en una placa de cultivo, con tres areas aumentadas para mostrar la organizaoón de los filamentos de actma. Los filamentos act1na pueden verse en rojo, con flechas apuntan hacia los extremos menos. Las de estrés son contráctiles y ejercen Los filopodios son proyecciones espinosas de la membrana plasmática que permiten la célula explorar su entorno. El córtex se sitúa por debajo de la membrana plasmatK

REGULAN LAS CÉLULAS LOS FILAMENTOS DE SU CITOESQUELETO

1007

espectrina (tetrámero)

fimbrina (mon6mero)

u.-actínína (dimero)

filamina (dlmero) 50 nm

';al mente, ambos tipos de proteínas entrecruzadoras tienen dos lugares de unión al fi1110 de actina parecidos entre sf, que pueden formar parte de una cadena polipeplíd.ica ll.t o pueden estar compartidos por dos cadenas polipeptidicas que se mantienen jw11111ando un dfmero (Fi.gura 16-48). El espaciado y la disposición de estos dominios de 1;a dos polipéptidos determina el tipo de estructura de actina que forma una determll>roteína entrecruzadora. 1da tipo de proteína empaquetadora determina qué moléculas pueden interactuar " fllamentos de actina. La miosina 11 (se trata más adelante) es la proteína motora de 11;1~ de estrés y de otros conjuntos contráctiles. f:.l empaquetamiento tan elevado pro', por la pequeiia proteína empaquetadora monoméricafimbrina aparentemente ex1la miosina, por lo que los filamentos de acdna paralelos unidos por fimbrina no son n:tiles; en sentido contrnrio,la laxitud del empaquetamiento pro\'ocado por la protcfnpaquetadora dimérica, a-ac1inina permite la entrada de moléculas de mlosina, ha" que las fibras de estrés sean contráctiles (Figura 16-49). Como consecuencia de las ·ndas de espaciado entre los filamentos de actina, el empaquetamiento por fimbrina 11.1ticamente descarta el empaquetamiento por a-actinina y viceversa, siendo los dos dt• proteínas mutuamente excluyentes. 1 l'illinc~ es otra protcfna empaquetadora que, de forma parecida a la fimbrina, predos lugares de unión al filamento de actina muy cercanos en una misma cadena polilira. La villina (junto con la fimbrina) ayudan a entrecru1.ar de 20 a 30 filamentos de t•mpaquetándolos muy estrechamente, como los que encontrarnos en los microvilli, ••·nsiones digitiformes presentes en la membrana plasmática de la cara a pi cal de mu··lulas epiteliales (véase Figura 16-50). Por ejemplo, cada célula epitelial de absorción 1t·~tino delgado humano (enterocito) tiene algunos miles de microvilli en su superficie 1 r..ada uno de e Uos mjde cerca de 0,08 11m de diámetro y 1 ~un de largo y posibilita que 1..-rficie de absorción celular sea 20 veces mayor de lo que sería si no tuviera microvilli. do se introduce villina en un cultivo de fibroblastos, en células que no presentan esta ma y sólo tienen w1os cuantos microvilli. los microvilli existentes se alargan y se esta11 <lla vez que se induce su aumento de número. El núcleo de los filamentos de actina microvilli se adhiere a la membrana plasmática de forma lateral con Jos brazos de la il~m•

" :o! de actma y de u-actinina

Figura 1~ Estructuras modulares de cuatro protelnas que entrecruzan los filamentos de actina. Cada una de estas protelnas presenta dos lugares de unión a la actina (en rojo) de secuencias relacionadas. La fimbrlna tiene dos lugares de unión a la actina directamente adyacentes, de forma que mantiene muy juntos dos filamentos de act1na (unos 14 nm), alineados con la misma polaridad (véase Figura 16-49A). En la o:-actinina,los dos lugares de un1ón están separados cerca de 30 nm de forma que los haces de actlna que forman están empaquetados de una forma más laxa (véase Figura 16-49A). La fila mina tiene dos lugares de unión a actina conectados en forma de V, de manera que entrecruza filamentos de actina formando una red en la que los filamentos forman entre si ángulos casi rectos (véase Figura 16-51 ). La espectrina es un tetrámero de dos subunldades a y dos subunldades ji; el tetrámero tiene dos lugares de unión de actlna espaciados cerca de 200 nm (véase Figura 10-41 ).

Figura 16-49 Formación de dos tipos de haces de filamentos de actlna. (A) La a-actlnlna, que es un homodlmero, entrecruza filamentos de actma en haces laxos que permiten a la protelna motora mioslna 11 (no mostrada) participar en el ensamblaje. La fimbrlna entrecruza los filamentos en haces muy juntos, que excluyen la miosina.la fimbnna y la a-actinina tienden a excluirse mutuamente debido a las diferencias de espaciado que generan entre los haces de filamentos de actlna. (8) Electromicrografla de moléculas de cx-actin1na purificada. (B. cortesra de John Heuser.)

filamentos de actina y fimbrina

50nm haz cont ráctil empaquetamiento laxo que permite (A) a la miosina 11 entrar en el haz

haz paralelo empaquetamiento apretado que impide a la miosina 11 entrar en el haz

(B)

100nm

1008

Capitulo 16: El citoesqueleto

regtón amorfa tenida densamente extremos más de los filamentos de actina

microvílli

membrana plasmática

haz de filamentos de actina

membrana plasmática

brazos laterales (miosma-1, calmodultna)

red termtnal

entrecruzamtentos (villina, ftmbrina)

(A)

(B)

(0

miosina 1(descrita más adelante), proteína que presenta un lugar de unión al filamento de actina en un extremo y un dominio de unión a lfpidos por el otro. Parece que estos dos tipo~ de entrecruzamicntos, uno uniendo los ftlamentos de actill3 entre sí y el otro uniéndolo~ a la membrana plasmática, son suficientes para formar los microvilli celulares. Sorprendente· mente los r.llones que han perdido el gen de la villina forman microvilli inte~tinales con una morfología norrnal,lo cual indica que otras proteínas proporcionan una función redundante suficiente para este propósito. Sin embargo, la remodelación de los microvilli intestinales en respue!>ta a cierto'> tipos de estrés o ayuno está inhibida.

La fila mina y la espectrina forman redes de filamentos de actina Las proteínas empaquetadoras descritas dbponcn de conexiones rectas y rígidas entre sus dos dominios de unión a los filamentos de actina y tienden a alinear a los filamentos en haces pamlelos. Las proteínas entrecruzadoras que disponen de conexiones nexibles entre sus dos dominios de unión no forman haces sino geles laxos de filanlCntos de actina. Cualquier proteína cntrecruzadora que tenga c;us dos dominios de unión a la actina separados entre sí una distancia suficiente puede fom1ar geles de actina tridimensionales. La Ji lamina (\éase figura 16-48) facilita la formación de geles altamente viscosos y laxos enla7.ando dos filamentos de actina en ángulo recto (Figura 16-51). Los geles de acuna formados por filamina son necesarios para que las células extiendan proyecciones de membrana parecidas a láminas - llamadas lamelipodios que les permiten arrastrarse por superficies sólidas. La filamina ha desaparecido en algunas células cancerosas, especialmente en los melanomas malignos (cánceres de las células pigmentarias). Estas células no pueden arrastrarse de forma apropiada y presentan protuberancias desorgan.izadac; de la membrana (Figura 16-52). l.a p~rdida de ftlamina es mala para la célula de melanoma pero es buena para el paciente; puesto que la célula es incapaz de arrasrrarse y migrar, las células sin fiJamina son menos invasivas q ue sus semejan res que todavfa expresan la proteína, por lo que el cáncer tiene menor tendencia a metasrati:.-..ar. Una proteína formadora de geles muy bien estudiada es la espectrina, que fue identificada por primera vez en los eritrocitos. La espcctrina es una proteína larga y flexible formada por cuatro cadenas polipeprfdicas (dos subunidades a y dos subunidades ~).dispuestas de forma que los dos lugares de unión al filamento de acrina se hallan a 200 nm de distancia

l___j t¡;m

Figura 16 50 Un microvilli. (A) La parte central de un microvilll está formada por 1 haz de filamentos de actina paralelos, qut mantienen mediante prote1nas formador. de haces de acttna -villtna y flmbrína. los brazos laterales (formados de miosina-1 y la proteína de unión al Ca 2·, calmodulína conectan los lados del haz de filamentos acttna a la membrana plasmática contigl los extremos más de los filamentos de a• están en el extremo del microvtlli, inmer. en una sustancia amorfa, muy electrode que tiene una composiCión desconocidi (B) Electromicrografia de una célula epit intestinal tras aplicarle la cnofractura, er que se muestra la red terminal situada p deba¡o de la membrana plasmiittca aptc los haces de filamentos de actina que f• el e¡e del miCrovilli se extienden entre l¡ termtnal, donde se unen entre si media un grupo complejo de proteinas del citoesqueleto, que Incluyen la espectnr la miosina 11. Por debajo de la red termt encuentra una franja de filamentos intermedios. (Q Micrografía electrónic; una fina sección de mlcrovilli. (B, por ce de John Heuser; C, de P.T Matsudaira y Burgess, Cold Spring Harb. Symp. Quanr 46: 845-854, 1985. Con la autorización Cold Spring Harbor Laboratory Press.)

REGULAN LAS CÉLULAS LOS FILAMENTOS DE SU CITOESQUELETO

1009

Figura 16-51 La filamina entrecruza filamentos de actina en una red tridimensional que tiene propiedades físicas de gel. (A) Cada homodfmero de filamina tiene cerca de 160 nm de longitud cuando está extendida, en su totalidad y forma un ángulo grande y flexible entre dos filamentos de actina adyacentes. (8) Un conjunto de filamentos de actina entrecruzados por fila mina forman una red o gel mecánicamente muy fuerte.

•párese con los 14 nm de la fibrina o los 30 nm de la a-actinina, véase Figura 16-48). En ·r•l rocitos, la espectrina sólo se encuentra debajo de la membrana plasmática, forman ' gel bidimensional mantenido por filamentos cortos de actina; la espectrina lme este la membrana plasmá tica puesto que dispone de si lios de unión independientes para lilas periféricas de membrana, las cuales se encuentran situadas cerca de la bicapa lit mediante proteínas integrales de membrana (véase Figura 10-41). La red resultante r.t un cortex celular rígido que proporciona un soporte mecánico a la membrana plas.t. que permite a los eritrocitos recuperar su forma habitual después de atravesar los m•s. En el córtex de la mayoría de las células de los vertebrados se han encontrado pa,., muy próximos de la espectrina, que también colaboran en el mantenimiento de la ,, vla rigidez de la membrana.

50 nm

elementos del citoesqueleto pueden unirse membrana plasmática

Jll

a\

de

,)

de

Ja

Cll

><»

nl>l,

l.

el~

¡la

Kll

:al orml'

ued

nte

'ay nal

a de

Jrtesll D.R

tructuras del citoesqueleto de actina pueden proporcionar rigidez o cambiar la forma membrana plasmática. llemoc; descrito al menos dos ejemplos: la red de espectrina-acllll' yace debajo de la membrana plasmática de los eritrocitos y los haces de villina-aclo·los microvi lli que incrementan la superficie de absorción en las células epiteliales. La "rdad de eslas estructuras depende de la unión especffica entre estas estructuras y las •nas o lípidos de la membrana plasmática. r--u se comprenden todavía las conexiones del citoesqueleto cortical de actina con la tomna plasmática. Una an1plia familia de proteínas intracelulares íntimamente relacio. la familia ERAf (llamada asf por sus tres miembros iniciales, ezrina, radixina y moesi"·nen miembros necesarios para el mantenimiento de la polaridad celular e implicados ··xocitosis y la endocitosis. El dominio C-Lerminal de las protefnas ERM se une directa.,. a los lados de los filamentos de actina. El dommio N-terminal se une a la car.t cito•-ltrca de algunas glucoprotefnas transmembrana, incluyendo a CD44, el receptor para olo hialurónico, un componente de matriz extracelular. " uniones entre la actina y la membrana plasmática mediadas por las proteínas c·,tán reguladas por señales tanto intracelulares como cxtracelulares. Las proteínas ERM n existir en dos conformaciones, una conformación eX1endida activa que oligomeriza lll' a la acúna y a una protefna transmembrana, y una confonnación plegada in activa, ual los extremos N- y e-terminales est~n empaquetados juntos mediante intcrac. tntramoleculares. El paso de una conformación a ot:ra se puede producir por fosfori l o por la unión a PIP2, y cualquiera de los dos se puede producir, por ejemplo, en •·,ta a señales extracelulares. Asf pues, la fuel7.a de los contactos mediados por las pro1 RM entre el citoesqueleto de actina y la matriz extracelular es sensible a una gran l.uJ de señales recibidas por la célula (Figura 16-53). 1-• pérdida de uno de los miembros de la familia, llamado merlina, comporta la aparih- una forma de la enfermedad genética denominada neuroflbromntosis, en la c ual se

(B)

(A)

r. Biol de

Figura 16-52 La pérdida de filamina provoca anomalla.s en la motilidad celular. (A) Grupo de células de melanoma que presentan un nivel anormalmente bajo de fllamina. Estas células no son capaces de formar lameiipodlos normales, sino que están cubiertas con "burbujas• de membrana. Como consecuencia de ello pueden arrastrarse muy poco y no tienden a formar metástasis. (8) Las mismas células de melanoma a las que se les ha restaurado artificialmente la expresión de fllamina. Ahora las células forman lamelipodios normales y son muy metastasicas. Este ejemplo pone de manifiesto el profundo efecto que puede tener la presencia o ausencia de una proteína estructural sobre la morfologia y la motílidad celulares. (De C. Cunningham et al., J. Ce//Bío/.136:845-85 7, 1997. Con la autorización de The Rockefelier University Press.)

(B)

~ 10J1m

101 O

Capftulo 16: El citoesqueleto

proteína transmembrana (p. eJ., CD44) membrana plasmática

CITOSOL

~ ~

FOSFORILACIÓ UNIÓN DE PIP1

conformación plegada inacttva de una protelna ERM

·~ ~EDIADO conformación extendida activa de una protelna ERM

POR ERM

filamento de actina

SENALES

desarrollan múJliples tumores benignos en los nervio'> aud1livos y en Oleas partes del ~istcma nervioso. bita es una de las muchas indicaciones de la existencia de un -;istema de retroaHmentación que conecta los elementos estructurales celulares con el control del crecimiento celular (véase Capítulo 17). Las proteínas descritas en este apartado, que controlan el ensamblaje y posicionamiento de los filamentos de actina y de los microtúbulos, se resumen en el Panel 16 ·3 (pp. 994-995). Algunas de estas proteínas tienen una función adicional de ayuda conectando la estructura inLcma de la célula con otras células o con la membrana basal extracelular. Tanto los mamemos de acuna como los filamentos imermedios son cruciales para este tipo de conexiones, que requieren las uniones célula-célula y célula-matriz que se describirán en el Capítulo 19.

Resumen Las diversas formas y funciones de las estruclllms de losfilamenlos del citoesqueh•to en/as céluklS eucariotas dependen de un repertorio muy tJersdtil de proteírulS accesorias. Cnda l/110 de los tres tipos defilamemos (microllíbulos,filamemos illfermedios y filamentos de actina) dispone de 1111 conjunto importallle de tales proteinas accesorias. Un determinante primario de los lugares donde seforman estniClllrtlS del citoesqueleto es In regulación de los proc,·l'sos que permiten la tmclención de mte11os filamentos. En la mayorfa de células animales, los microtúbulos se nuclean en el cemrosoma, w1 complejo dl' ensamblaje localizaflo cerca del cemro de la célula. Por el comrario, la mayor parte de los fila memos de actinn se twclean cerca de la membrana plasmática. Ln cinética dr Pnmmblaje y desensamblaje de un filamento puede 1wse enlentedda o acelerarla por proteínas accesorias que se unen a las subunidlUJes libres o a los filamentos. Algunas de estas protemas alteran k1 dindmica de los filamelltos uniéndose a sus extremos o fragmentándolos en segmelllos más pequetlos Otro grupo de protl'fllas accesorias e11sam!Jla los filamentos e11 grandes estructuras ordenmÜLS, emrecruzdndolos e11 formas definidas geométricamellte, y otra familia de proteituLS acceMJrias determina la forma y las propiedades adIJesil'as de las células, uniendo losftlnmencos a la membrana plasmática.

MOTORES MOLECULARES Fmre la~ proteínas más fascinantes que se asocian con el citoesqueleto están los motores moleculares llan1ados protefn as motoras. Estas proteínas extraordinarias se unen a los filamentos polarizados del ciloesqueleto y utilizan la energía derivada de ciclos repetidos de hidrólisis del Al P para desplanrse sobre ellos. En cada célula eucariota pueden coexistir docenas de proteínas motoras diferentes. Se diferencian en el tipo de filamento al que se unen (unas a los de aclina y otras a los microtúbulos), en el sentido en e l que se desplazan a lo largo del filamento y en la carga que transportan. Muchas proteínas motoras transportan orgánulos rodeados de membrana - tales como mitocondrias, cisternas del Golgi o vesículas secretoras- a sus localizaciones apropiadas de la célula. Otras proteínas motoras inducen a los filamentos del citoesqueleto a ejercer tensión o a deslizarse unos contra otros, generan-

Figura 1~53 Papel de las proteínas de la familia ERM en la ad hesión de lo filamentos de actlna a la membrana plasmática. El desplegamiento regulao) las proteinas de la familia ERM, lnduddo fosforilaclón o unión a PIP2. deja expu• mn dos lugares de unión, uno para un filame de actma y otro para una protelna transmembrana. Por tanto, la activación c1t estas protelnas puede originar y estabillw protuberancias de la superficie de la céluLI en respuesta a señales extracelulares.

~no~:c MOLECULARES

101 1

rzas que pem1iten fenómenos tales como la contracción muscular, el batido de los •1la divisió n celular. " proteínas motoras del citoesqueleto, que se desplazan de forma unidireccional 1.1da a lo largo de un polfmero, actúan de forma parecida a otras protefnas o complejos • ns de las q ue ya hemos tratado, tales como las polimcrasas de DNA y de RNA, las he) los ribosomas.lbdas ellas tienen capacidad de utilizar energía libre para propu lsarl.trgo de una vía determinada; la dirección de este deslizamiento es dependiente de la ulad estruc tura l de la vfa. Todas ellas generan desplazamiento acoplando la hidrólisis lt•ótidos trifosfato a cambios conformacionales a gran escala de la proteína, como ex'"'' en el Capítulo 3 (véase Figura 3-77). '' proteú1as motoras del citoesqucleto se asocian a sus vías de filamentos mediante ,..., apicales o "cabeza", también Uamadas dominios motores, que unen ATP y lo hidroli••ngidas por ciclos de hidrólisis del nucleótido que produce cambios conformacionaprotefnas oscilan entre estados en los cuales están fuertemente unidas al filamento y "en los q ue no lo están. A través de un ciclo mecánico-químico de unión al filamento, '' ' conformacional, liberación del filamento, relajación conformacional y unjón de .•1filamento, la prorefna motora y su carga asociada se despla7.an, paso a paso, a lo •Id mamento (de forma característica una distancia de unos cuamos nanómetros). El ""' mo to r (cabeza) detem1ina la identincación de la vía y la dirección del desplaza'" mientras que las colas de las proteínas motoras determinan el ripo de carga y, por , 1.1 función biológica de cada proteína motora. ta sección, se inicia con la exposición de los tres grupos de proteínas motoras: miosi.luinesinas y d incínas. A continuación describiremos de qué manera pueden transpor' •1rgánulos rodeados de membrana o cambiar la forma de estructuras construidas a dl• fllamentos del citoesqucleto. En el último apartado de este capítulo, se examinará 1.1 colaboración entre las proteínas motoras y los filamentos dinámicos del citoesqueJ¡·,l" rito anteriormente inducen comportamientos celulares complejos.

proteínas motoras basadas en actina son miembros la superfamilia de las miosinas twra proteína motora identificada fue la mJoslna del músculo esqueléLico, que genera de la conrracción muscular. Fsta miosina llamada miosina fl (véase más abajo) es 'llltefna alargada formada por dos cadenas pesadas y dos copias de dos cadenas ligeras. •ma de las cadenas pesadas dispone de un domin1o apical globular en su extremo u mal que contiene la maquinaria generadora de la fuerza, seguida de una secuencia 11110ácidos muy larga que forman un dominio helicoidal que favorece la dimerv.ación de d··na pesada (Figura 16-54). Las dos cadenas ligeras se unen cerca del dominio apical tnrnal, mientras que la cola helicoidal se empaque la con las colas de otras moléculas de 11.1. EsLas interacciones cola-cola forman grandes "filamentos gruesos" bipolares for1" '

extremo N•termmal sobreenrollam•ento de dos hélices u

nC z

F

1

1

:lill•

•tremo e-terminal

p

p

.:-:.-. t-'--;;~~

: ~,;~-·...• • .r_:~~" :"!' ~-::-·t ~

""-.,., ...... -• - . , . -~ -, , ~--.·-

~-'~ :.;~~ .. -~•.!..

cadenas ligeras

..:•. . " ..,__ _.,. ~;,.f:: ;.<e; ~::;,.·....·."~... ·~:---;::-··~--~ ..!_'4 ••- -:..:.__._.::i~; !":!'.:.;:,...:e·:.~;; ·-~>!.

~

región bisagra o cuello 150 nm

. - - -~ ._4, _;..--~ '"=:.:~!··::..:.;-;:~ '!"/~J ~.> '*'";~ ... -. . . :--:·. ":· . ;., ·-.r.-: -~ ~~.:-··"":.,·<.r~l .

... ,_..,.... ...

'"~•:::- ......~. ~ . ..... __..,..._"':.·;'-~ r.:,--. - :..._~--~-.·.!·,;:,;...-. :~'..~ ,. .. ., ._'..,:.':'.............r!f'.o.;.,~~~ ... .. ...,, . . ..,....... " ' . ....:-":'-··!' .. ..' ..,--:· -

Figura 16-54 La miosina 11. (A) Una molécula de miosina 11 está compuesta por dos cadenas pesadas, cada una de las cuales tiene alrededor de 2000 aminoácidos de longitud (verde) y cuatro cadenas ligeras (azul). Las cadenas ligeras son de dos tipos; en cada cabeza de mioslna hay una molécula de cada tipo. La dimerización se produce cuando las dos hélices a se enroscan una alrededor de la otra formando un sobreenrollamiento mediado por la asociación de aminoácidos hidrofóbicos localizados regularmente (véase Rgura 3-9). La disposición en sobreenrollam1ento produce una cuerda extendida en solución, por lo que esta parte de la molécula se denomina el dominio de cuerda o cola. (B) Las dos cabezas globulares y la cola pueden observarse claramente en micrografías electrónicas de moléculas de miosina sombreadas con platino. (B, por cortesra de David Shotton.)

..

~,·~ :' ~ ....

~

~

.~,-..._,

!~

.,.; ~"!'~~:-¡:.:; .~'.:

. •",..\~~,\~. ·. . #,··~. ' •! •••••\~. . ' k·~

...-, \ '~~~~~': · ··~, :~~'\ -" .

'

·,.-...-1--.·-·,.~ - - ....~~.;,~_..:,. - ;-<.,4 . "!~:.j r ;.... J- ~ . . . . ,

. • :;..

¡_.;~-----·~· .-..,.," ~r~~~ ----~ .'ft;:;Z=.¡-:;.; ~-, ':~.ez.,.; ... ~·... • ...-r••:..,-.. =..,s. _ _... .... ·-· .. ·--

(B)

100 nm

1012

Capítulo 16: El citoesqueleto

(Q

colas de m1osona

10

SOO nm cabezas de miosina

(B)

Rgura 16 SS El filamento grueso bipolar de la miosina 11 en el musculo. (A) ElectromiCrografia de un filamento grueso de miosina 11 aislad: a partir de músculo de rana. Nótese la zona central desnuda, libre de dominios de cabeza (B) Esquema no dibujado a escala. Las molécula) de m1osina 11 se agregan conjuntamente a través de sus colas, de forma que sus cabezas se proyectan hacia el exterior del filamento. La ZON desnuda del centro del filamento está formada por colas de mlosina 11. (C) Pequeña sección de un filamento de miosina 11, reconstruido a partir de electromicrografias. En verde se ha representado una molécula de miosina. Los filamentos citoplasmáticos de m1osina 11 en las células no musculares son mucho más pequenos aunque de orgamzación parecida (véase Figura 16 72). (A, por cortes1a de Murray Stewaf C, basado en RA Crowther, R. Padron y R Cralg, J. Mol. Bio/.. 184:429-439, 1985. Con la autorización de Academic Press.)

mados por ciento~ de cabezas ~lobulares, que en los extremos del filamento grueso se hallan orientadas en sentidos opuestos (Agurc 16-55). Cada cabeza de miosina une e hidroliza \TH ulilizando la energía de la hidnílisis para "caminar" hacia(.') extremo más del filamento de actina. !~1 orientación oput·~ta de las cabe zas en el filamento grueso hace que el filamento sea efictente para de'ilizar pares de fila mentos de actina orientado!> de forma opuesta, acercándolos entre si En el músculo esquelético, en el cual los filamentos de actina están organizados cuidadosamente y alineados formando fllamt•ntos finos que envuelven a los gruesos ntamento'> de mioo;ina, el desll?.amiento dirigido por el ·\TP de los filamentos de actina provoca la contracción muscular (descrito más adelante). Los músculos cardraco y liso tienen moléculas de míosina 11 dispuesta~ de rorma parecida, aunque estl\n codificadas por genes di!.tinto!l. Cuando una miosina muscular c.~ digerida por quimiotripsina y papafna. el domimo apical (o cabeza) !.e libera como un fragmento iJ11acto ()lamado S 1). El fragmento S l. por s! solo, puede generar int•itro el desliY.amiento de los ntamcntos, lo cual indica que la actividad motora radica por completo en esta cabeza (Figura 16-56). Inicialmente se pensó que la mio~ina sólo e~ taba pre'ientc en el músculo, pero en la década de 1970 un grupo de investigación descubrió una miosina similar de doble cabeza en

filamento de actina ~ cabeza de mios1na

~ ) (B)

~

)

S¡.tm

) _j

• superficie de cristal

Figura 16- 56 Evidencia directa de la actividad motora de la cabeza de miosin¡, En este experimento, se unieron cabezas de mios~na S1 punflcadas a una superficie de cristal y se aliadleron filamentos de acuna marcados con faloidif\1 fluorescente permitiendo que se unieran a cabezas de mios~na. (Al Cuando se añadió ATP,Ios filamentos de actina empezaron a desplazarse por la superficie, obligados po1 cada uno de los pasos dados por las doc' de cabezas de m losina unidas al filamento. Las Imágenes de vtdeo fueron grabadas a intervalos de 0,6 segundos; los dos filamentos de actina mostrados (uno rojo y otro verde) se desplazan en sentidO) opuestos, a una velocidad aproximada de 0,4¡¡m/segundo. (B) Diagrama del experimento. Las grandes flechas TOJOS Indican el sentido del desplazamiento del filamento de acttna. (A, por cortesía de James Spudlch.)

1013

tipo de estructura miosma general

dom1nio motor

, - ---,

11

111 V

VI VIl VIII

IX

>:.----::> (

~

.......,--.

XI XIV L

..

__J

1000 amínoclcidos

no mu!>culares, incluyendo a los pr01ozoos. Casi al mismo tiempo otro grupo de inencontró una miosina en la ameba de agua dulce Acanthamoeba rtiStellanii, que w de un dominio mo1or similar al dominio ap1cal de la miosina muscular pero con ola completamente dbtinta. Parece que esta molécula funciona en Fonna de un mo' por lo que se la llamó miosina 1 (por una cabc;r.a); entonces, la mios ma comencioll'bautizó como miosina 11 (por dos cabt•;r.as). partir de este momento, se descubrieron más miosmas. Tienen cadenas pesadas que lhnente empiezan con un dominio motor de miosina reconocible en el ex1remo mmal mientras que lo!> dominio!> de cola C-tenninales !>On muy variados (Figura l.os nuevos tipo!> de miosina identificados incluyen un gran numero de variedades • y dos cabezas, relacionadas de fonna casi igual con la miosina 1que con la miosina 11. nwnclatum refleja (exceplo para 1y 11) el orden en el cual han sido descubiertas (desde "ma l1l hasta la miosina XVlll). Comparaciones de secuencia entre los diversos eucamdican que existen al menos 37 familias de m losinas dis1imas dentro de la !>Uperfa1as colas de miosina (} por lo general las colas de las protelnas motoras) se han ._.•silirado a lo largo de la evolución permitiendo que estas prolefnas dimericen con o1ras lada des e interactuen con cargas distmtas. i\l~unas miosinas (como p. ej. la VIII y la XI) sólo se han encontrado en plantas, y algu"' a., sólo en vertebrado'> (la IX). Sin embargo, la mayoría de ellas se han encontrado en los eucariotas, lo cual sugiere que las miosinas aparecieron pronto en la evolución eu La levadura Sl1cclwromyn•s ccre1•isuw comicne cinco miosinas: dos miosinas 1, una 11 y dos miosina V. Puede e!>pecularse que cstos tres tipos de miosina son los nect• para que cualquier t'élula eucariota sobreviva. mientras que el re~to de miosinas rea funciones más especializadas, en particular en lo!> organismos pluricelulares. H odo, C.l!lrgam, por eJemplo, tiene al menos 15 genes de miosina que representan sieo,¡·s estructurales; t'l genoma humano incluye 40 genes de miosinn. Nueve de las miosillllnanac, se expresan principalmeme o exclusivamente en las células piloo;as del oído , y se sabe que mutaciones en cinco de ellas provocan sordera hereditaria. Estas miomuy especializadas son importantes pam la construcción y función de los hem1osos y •lejos haces de estereocilios rico!> en ac1ina que se encuentran en la superficie apical de 'élutas (véase rigura 9-50), que se inclinan como respuesta al sonido y convienen las sonoras en señales eléctricas (tratado en el Capitulo 23). llldas esta'> miosinas excepto una se dcspla7.an hacia los extremos más de los mamen! acrina, aunque lo hacen a velocidades dic;tintas. La excepción es la miosina VI, que se !1'-Jll;v.a hacia el extremo menos. l•ls funciones exactas de la mayorfa de las rniosinas todavía no se han determinado. La na V imen.iene en el tran!>porrc de orgánulos y vesfculas. La miosina 11 siempre está ,1da a la actividad contráctil en células musculares y no musculares. También es necepara la citocinesis, para dh'idir la célula en dos células hijas y para desplazar el soma cedurante la migración. La miosina 1 contiene a menudo un segundo lugar de unión a o un lugar de umón a la membrana en sus regiones de cola y, general me me, están im. , . . .u tos en la organización intracelular incluyendo la protuberancia de estructuras ricas en de la superficie de la célula, como se ha indicado para la construcción de los microvi•··•sc Figura 16-50).

Figura 16-57 Miembros de la superfamilia de las miosinas. Comparación del dominio estructural de las cadenas pesadas de algunos tipos de miosinas. Todas las miosinas comparten dominios motores parecidos (se presenta en verde oscuro), pero sus colas e-terminales (verde claro) y sus extensiones N-terminales (azul claro) son muy diversas. A la derecha se representan las estructuras moleculares de miembros de estas familias. Muchas miosinas forman dimeros, con dos dominios motores por molécula, pero algunas (como la l,la IX y la XIV) parece que actúan como monómeros, con un solo dominio motor. La miosina VI, a pesar de tener una estructura muy parecida al resto de miembros de la famiha, es la única que se desplaza hacia el extremo menos (en vez de hacia el extremo más) de los filamentos de actina. Probablemente el responsable de esta variación en el sentido del desplazamiento sea la pequeña inserción dentro del dominio motor de la cabeza, que no se ha encontrado en otrcls miosinas.

1014

Capitulo 16: El citoesqueleto

:~

quinesina-1

dominio motor

r---,

<

··~

mze

N

1

\.

1

1

'

,, ..·.: 1

..• ! . ' •.•'

e

N 1 1 1 1

quinesina 3

;! ,.?

~~

N

'e

N 1 1

N

1

~

e

N

qulneslna· 13

N~e N- - - - , . .e

N

e

quinesina·14

L -

.-J

SOO aminoacídos

(A)

Existen dos tipos de proteínas motoras de microtúbulos: las quinesinas y las dinefnas La quinesln a es una protcma motora que '>C desplaza a lo largo de los microtubulos. Fue idt•ntificada en el axón gigante del calamar, donde transpona orgánulo!> celulares rodeado'> de membrana desde t•l soma neuronal hacia el axón terminal. desplazándose hacia los extremos mas de los microtubulos. La qumesana es estructuralmente parecida a la miosina 11, ya que cada motor acllvo llcme dos cadenas pesadas y dos cadenas ligeros: éstas forman dos cabezas globulares que acttian de dominio'> motores y una cola helicoidal alargada responsable de la dimerización de la cadena pesada. Como la miosina. la quincsina es miembro de una gran superfamalia de proteínas cuyo tímco elemento comun es el dominio moror (Figura 16-58). La le\'adura Sacclwromyce.~ LWf!I'ISitle uene seis quinesinas dafercnre-.. El nematodo ( elegtms tiem• 16 quincsinas mientras que los humanos tenemos cerca de 45. Fn la supcrfamilia de las quine'>inas existen al menos catorce familias distintas. La mayorfa de ellas tienen PI dominio motor en el extremo N-rermi nal de la cadena pesada y se dirigen hacia el extremo más de los microtúbulos. Una familia en panicular interesante dispone del dommio motor en el extremo e-terminal)' se desplaza en la dirección opuesta, hacia los cxtr<•mos menos de los microtubulos. Algunas cadenas pesadas de la quinesina han perdido la secuencia helicoidal y actuan como monómcros, de forma a náloga a la miosina l. Otras son homodímcros o heterodímeros. Miembros de la familia de la quinesina ·5 se autoasocian a través de su dominio de cola y forman un motor bipolar que desliza dos mi crotúbulos en sentido opuesto uno del o tro, acercándolos, igual que los filamentos gruesos de miosina 11 con filamentos de actina. lA, mayoría de quinesinas disponen de un lugar de unión en la cola que transporta orgánulos rodeados de membrana u otros microtúbulos. Much os de los miembros de la superfamilia de las quinesinas tienen papeles espedficos en la formación de los husos rnitótico y meiótico y en la separación d e los cromosomas durante la división celular. Las d.lneútas son una familia de proteínas motoras que se dirigen hacia los extremos menos de los microtúbulos, pero que no están relacionadas con la superfamilia de las quinesina~. Están formadas por dos o tres cadenas pesadas (que incluyen un dominio motor) y un mí mero grande y variable de cadenas intermedias y cadenas ligeras asociadas. La familia de las dineínas tiene dos ramas principales (Figura 16-59). La rama más ancestral contiene las dineínas citoplasmátims, homodimeros de cadenas pesadas con dos dominios motores muy grandes como cabeza. Las d incínas citoplasmáticas se encuentran en casi todas las cé-

(B)

.l'

.

:.

...

•... fil!

·.~

·.·

• .. r . . ...... .... . ~ .)•·• ,u.,.,..·~ · ·c. ~

' · ••

N

~

...

-

~

l.._.__j

10 nm

Agura 1ó-58 l a quinesina y las proteínas reladonadas con la quineslna. (A) Estructurl de cinco miembros de lc1 superfamilia de la\ qulneslnas. Como sucede también en la superfamiha de la miosinas, sólo se ha conservado el dominio motor la qumesin.t·l tiene el domlnro motor en el extremo N termanal de la cadena pesada. El dominio del centro forma un largo sobreenrollamifn• que permrte la dimerización. El extremo C terminal forma una cola que se une a un.t carga, como por ejemplo a orgánulos rodeados de membrana. La quinesina-3 representa un miembro poco común de la fa mrila que parece actuar como monómero r desplaza a los organulos rodeados de membrana a lo largo de los mlcrotubulos. LA qulneslna ·S forma tetrámeros en los que los dos dímeros se asocian a través de sus cola\ El tetramero bipolar de qulnesina S es capaz de deslizar dos mlcrotúbulos, uno respecto otro. en una actividad análoga a la de los gruesos filamentos bipolares formados por mloslna ll.la qulnesina-13 tiene su dominio motor localízado en el centro de la cadena pesada. Es un miembro de la familia de las quineslnas que ha perdido la actividad motora u pica y se une a los extremos de los microrubulos aumentando su inestabilidad drnámaca; se les llama factores de catástrofe (véase p. 1003) la quinesina 14 es un miembro de la familia de las quinesinas de extremo(. terminal que rncluye la proteína Ncd de Drosophilo y la proteína Kar3 de levaduras. Generalmente estas qulnesinas viajan en sentido contrario al resto de quineslnas, es decir hacia el extremo menos de los mlcrotubulos en lugar de hacia los extremos más. (B) Electromicrografia de uN molécula de quinesina obtenida por criofijación, con sus dominios de cabeza a la izquierda. (B, cortesía de John Heuser.)

MOTORES MOLECULARES

1015

dineina citoplasmática

dinefna ciliar

Figura 16- 59 Dinelnas. Electromicrografía de grabado por congelación de una molécula de dinelna citoplasmática y una molécula de dineína ciliar (del axonema). Como en la miosina 11 y en las quínesinas,las dineínas citoplasmáticas son moléculas con dos cabezas. La dineína ciliar mostrada procede de un protozoo y tiene tres cabezas; la dineína de animales tiene dos cabezas. Obsérvese que la cabeza de dineína es muy grande comparada con la de las m1os1nas o la de las quinesinas. (Cortesfa de John Heuser).

INYLªSDI

25 nm

,., eucariotas y son importantes para el tráfico de vesículas y también para la localización Golgl cerca del centro de la célula. La otra gran rama son las dinelnns axomnles, heterodJmeros o hetcrotrúneros, con dos o tres dominios motores o cabezas res• tivamentc. Están altamente especializadas para el desplazamiento deslizante eficiente y ptdo de los microtúbulos en los cilios y tlagelos (se tratará más adelante). Una tercera rama tu¡ritaria comparte semejanzas de !>ecuencia con las dineínas citoplasmáticas aunque pa,. que participa en el movimiento de cilios y nagelos. Las dincínas son los motores moleculares conocidos de mayor tamaño y también son •" de los más rápidos: las dinefnas axonemales pueden desplaza.r los microtúbulos en un "'de ensayo a la velocidad de 14 ~m/segundo. En comparación, las quinesinas más rápi, pueden desplazar los microtúbulos cerca de 2-3 J.lm por segundo. Más adelante se expli·' rómo funcionan. 1 .-ornplejo de

1parecido estructural entre la miosina y la quinesina fleja un origen evolutivo común domjnios motores de las miosinas son más grandes que los de las quinesina~. cerca ;o aminoácidos respecto a 350. Estos dos tipos de proteínas motoras viajan a lo largo de mentos distintos, presentan propiedades rinéticas distimas y no tienen semejanzas id en• .tbles en sus secuencias de aminoácidos. Sin embargo. el estudio de la estructura triclin,ional de los dominios motores de la miosina y de la quinesina ha revelado que estos dominios están construido:. alrededor de miclcos casi idénticos (Figura 16-60). El elelito generador de la fuerza central que tienen en común los doo; tipos de protefnas motora<; h1ye el lugar de unión al ATP y la maquinaria necesaria para transformar la hidrólisis \fP en un cambio conformacional alostérico. Grandes lazos que se extienden a partir del h·o central causan las diferencias de tamaño del dominio y son los responsables de la

~era,zo de palanca m1osina

a mios·ma

~

~

\\ 1 v->-

~p-· ~ ,....'(\¡~

(..

~

......}\"

convertidor

~\ ') 'A. ' -!.k ,---~ -~ ' it; "'" ,~ ~. ~ominios . • '

\ :.V¡.Y"' J ~

~

' ¡-

eg16n de u . r . '"OHio• 6

••

t

quinesina

dominio

r-"

' tf>J ·

>..

¡/

~

,;

-~h

\r.f .,

' ·,"'1:.

"

¡/T

"'. ._ .·

. ··~' ·

' ·~'1"

ATP

.

•1

~· r.. ,~

ATP 1

" )

,.

· ..

'

y '

domtnios de unión a microtúbulos

d UOIÓO a actiOa

Figura 16-60 Estructuras obtenidas mediante cristalografía de rayos X de cabezas de mioslna y de quinesina. Los dominios centrales de unión al nucleótido (sombreado amarillo) son estructuralmente muy parecidos. Los distintos tamaños y funciones de los dos motores son debidos a diferencias importantes en los dominios de unión al polfmero y las zonas de transducción de fuerza del dominio motor. (Adaptado de LA. Amos y R.A. Cross, Curr. Opin. Strua. Bio/. 7:239-246, 1997.Con la autorización de Elsevler.)

1016

Capítulo 16: El citoesqueleto

selección de la vía. E.stas regiones incluyen el lugar de unión a actina y de unión a los microtúbulos, en la miosina y en la quinesina respectivamente. Se cree que amhas proteínas descienden de una proteína motorn precursora ancestral común y que las diferencias en la cspecializ..ación de sus funciones se producen a través de duplicaciones génicas y modificaciones de los lazos producidas a lo largo de la evolución y a partir del núcleo ccmral. Una clave importante c;obre el grado de implicación de este núcleo central en la generación de la fuerza procede de tos parecidos estructurales entre el lugar de unión de los nucleótido<> entre estas proteínas y las pequei'las GTPasas de la superfamilia de Ras. Como hemos indicado en el Capítulo 3 (véase Figura 3-72), estas proteínas presentan conformaciones diferentes en su estado umdo a GTP (activo) y en su estado unido a GDP (inactivo): el lazo móvi l del lugar de unión al nucleótido está íntimamente en contacto con el y-fosfato del estado unido a GTP. pero estos lazos cambian de conformación cuando el y-fosfato hidrolizado o;e libera. Aunque los detalles del movimiento son dblintos parn las dos proteínas motoras y en un caso se hidroliza ATP y en el otro GTI~ el cambio estructural relativamente pequeno que '>C produce en el lugar activo -por la ausencia o presencia de un fosfato termi nal- se amplifica de forma parecida en ambos casos y produce la rotación de una parte diferente de la proteína. En la quinesma y en l<t m1osina, un lazo de este tipo mtemcc1ona con las regiones de la proteína implicadas en la unión a la actina y a los microtubulos respectivmnente, permitiendo que los cambios cstru<.turales causados por el ciclo de hidrólisb del ATP sean transmitidos a la interfase de umón al polímero. Parece que la transmisión de cambios es tructurales entre el sitio de unión al potrmero y el lugar de hidrólisis delnucleótido acttía en ambos sentidos, ya que la actividad ATPasa de las proteínas motora~ está activada con intensidad por la unión a los filamentos que hacen de carriles.

las proteínas motoras generan fuerza acoplando la hidrólisis del ATP a cambios conformado nales Las proteínas motora-. del citoesqucleto y la'> proteínas que unen GTP utilizan los cambio!> estructurales. que se producen en sus lugares de unión a los nuclc<lsidos trifosfato. para pro ducir interacciones cíclicas con la proteína a la que se unen. Sin embargo, las protefnas motora., tienen un requerimiento adicional: cada ciclo de unión y liberación dt>bc empujarlas en un sentido determinado a lo largo del filamento, hacia un nuevo lugar de unión del mismo filamento. Para conseguir este movimiento unidireccional las proteínas motoras utili:t..an la energía derivada de la unión e hidrólisis del Afl~ generando un movimiento amplio en una parte de la molccula proteica. l·n el caso de la miosina, cada etapa del movimiento a lo largo de la actina viene genernda por un balanceo de unos 8,5 nm de largo en la hélice u, o 1Jra2.0 de palanca, estabilizado estructuralmente por la unión de las cadenas ligera'>. Fn la base de este brazo de palanca y cerca de la cabeza existe un<t hélkc parecida a un pistón, que conecta los movimientos producidos en la hendidura de unión del ATP de la cabeza, con peque nas rotaciones en el dominio llamado convertidor (véa'oe Hgura 1ó-60). Un pequei'lo cambio en este punto proYoca un balanceo de la hélice, como si fuera una larga palanca, que hace que el extremo de la hélice se desplace cerca de 5 nm. Estos cambios conformacionales de la mio<;ina están acoplados con cambio., en su afinidad de unión a la aclina, permitiendo que la cabeza de miosina se libere del punto de agarre a la actina y busque otro punto de agarre. El ciclo mecanoqufmico completo de unión del nucleótido, hidrólisis del nucleórido y libemción del fosfalO (que provoca la ful'rza impulsora) produce una etapa del movimiento (Figura 16-61 ). En la quinesina. en vez del golpe del brazo de palanca, los pequeños movimientos del brazo en el lugar de unión del nucleótido regulan la unión y liberación del dominio motor de la cabeza hacia una región larga de unión que conecta esta cabeza motora en un extremo con el dominio de dimeri1.ación sobreenrollado situado en el otro extremo (véase Hgura 16-61 ). Cuando el frente (director) de La cabeza de quinesina está unido al microrúbulo antes de que se inicie la fuerz.a 1mpulsora, su región de unión está desestmcturada. Al unirr.e el ATP. la región de unión se despla:t.a a lo largo de la cabeza de forma lateral, lo cual empuja a la segunda cabeza hacia una posición en la que podrá liilirse de nuevo al protonlamento, 8 nm más cercana al extremo más del microtúbulo que el lugar de unión para la primera cabeza. Los ciclos de lúdrólisis del nucleótido en las dos cabez..as están coordinado!> y permiten que las dos cabezas motoras se desplacen mano a mano (o cabeza a cabeza) a modo de escalera (Figura 16-62) y avancen cada vez un discreto "escalón" de 8 run.

..

llORES MOLECULARES

1017 filamento de actina

extremo menos

extremo más

UNIÓN Al iniciarse el ciclo que se muestra en la figura, una cabeza de miosina. sin nmgún nucleótido unido, se une fuertemente a un filamento de actina en una configuración de ngor (así llamada porque es la responsable del rigor mortis, la rigidez de la muerte). En un músculo en contracción activa, este estado es de corta duración y finaliza rápidamente mediante la umón de una molécula de ATP.

UBERACIÓN Una molécula de ATP se une en el surco de la "parte trasera" de la cabeza (es decir, en la parte más alejada del filamento de actina) e inmediatamente provoca un ligero cambio en la conformación de los dominios que libera el lugar de unión a la actina. Esto reduce la afinidad de la cabeza por la actina y le permite desplazarse a lo largo del filamento. (El espacio dibujado entre la cabeza y la actina destaca este cambio, aunque en realidad probablemente se mantiene muy cerca de la actina.)

HIDRÓLISIS MOVIMIENTO El surco se cierra como la concha de una almeja alrededor de la molécula de ATP, induciendo un gran camb1o morfológico que provoca el desplazamiento de la cabeza a lo largo del filamento, a una distancia de unos 5 nm. Se produce la hidrólisis del ATP, pero el AOP y el fosfato inorgánico (P,) producidos se mantienen fntimamente unidos a la protefna.

GENERACIÓN DE LA FUERZA La débil unión de la cabeza de la miosina a un nuevo lugar en el filamento de actina provoca la liberación del fosfato inorgánico producido por la hidrólisis del ATP, con lo cual se refuerza la unión de la cabeza con la actína . Esta liberación proporciona el gran golpe de potencia el cambio de forma que genera la fuerza, mediante el cual la cabeza recupera su conformación original Durante este golpe de potencia, la cabeza pierde el AOP que tenia unido y se Inicia un nuevo ciclo.

extremo menos

extremo más

UNIÓN Al final del ciclo, la cabeza de la miosina se encuentra de nuevo lnt1mamente unida al filamento de actina en la configuración de rigor Nótese que la cabeza se ha desplazado hacia una nueva posición en el filamento de actina

Parece que el dominio de sobreenroUamiento coordina los ciclos mecánico-químicos 111has cabezas (dominios motores) del dímero de quinesina y determina la direccionalí' h· su desplazamiento. Hay que recordar que la mayoría de los miembros de la supeña1de las quinesinas, con sus dominios motores en el extremo N-terminal. se desplazan 1los ex1remos más de los micro tú bulos, pero que unos cuantos miembros de la super'"' tienen los dominios motores en el extremo e-terminal y se desplazan hacia los extos menos. Sin embargo, los dominios motores de ambos tipos de protcfna son 11 tl'Os. ¿Cómo pueden desplazarse en sentidos opuestos? La respuesta parece encontrarala forma en la que están conectadas sus cabezas. En imágenes de alta resolución de las .ts de ambos tipos, unidas a los microtúbulos. las cabezas que están unidas al microdo prácticamente no se pueden distinguir, pero las segundas cabezas, no unidas, están · tl<tdas de forma distinta. Esta diferencia de inclinación parece que influye en cuál será el

Fig ura 16-61 Ciclo de cambios mediante los cuales una m olécula de miosina 11 se d esplaza a lo largo de un filamento d e actína. ATA- En el ciclo de la míosina 11, la cabeza permanece unida al filamento de actina sólo un S% del ciclo, permitiendo que muchas miosinas trabajen a la vez desplazando un mismo filamento de actina. (Basado en l. Rayment et al.. Sdence 261 :SQ-58, 19g3, Con la autorización deAAAS.)

J

1018

Capitulo 16: El citoesqueleto

Figura 16-62 El ciclo mednico-químico de la quinesina. C..~AT la qUinesina-1 es un dimero de dos dominios motores de unión a nucleót1dos (cabezas) que están conectados a través de una larga cola con sobreenrollamiento (véase Figura 16-58). Los dos dominios motores de qUinesina actúan de forma coord1nada; durante un "paso• de qumesina,la cabeza posterior se libera de su lugar de unión a la tubuhna, atraviesa el dominio motor de su pareja y entonces se une de nuevo al lugar de unión de la siguiente tubullna disponible. Usando este movimiento de "mano a mano~ el dímero de quinesma puede desplazarse largas distancias por los microtubulos sin apartarse demasiado de su vía. Al principio de cada paso, una de las dos cabezas de quinesma,la posterior o de retención (verde oscuro), está unida con fuerza al microtúbulo y al ATP. mientras que la cabeza frontal o de avance está débilmente unida al microtúbulo y al ADP en el dominiO motor frontal (entre los pasos 2 y 3 de este esquema). la unión dE>I ATP a este dominio motor provoca que un pequeño péptido llamado "conector del cuello" cambie de una conformación hacia atras a una conformación hacia adelante (el conector de cuello aparece como una linea conectora entre el dominio motor y la zona de superenrollamiento entrelazada). Este camb1o impulsa al dominio motor posterior hacia delante, después de liberarse del microtúbulo con el ADP unido; la liberación requiere de la hidrólisis de ATP y la liberación de un fosfato (PJ. la molécula de qUineslna está ahora colocada para su próximo paso, que se producirá como una repetición exacta del proceso mostrado.

cabeza de recubrimiento

superficie de un microtúbulo

P,

~~

próximo lugar de umón de la ~egunda cabc:~a y, probablemente, determina el \Cntido del desplazamiento motor (Figura 16-63) Fl motor de dincina no está relacionado cc;tructuralmt.'nte con las mioc;inas y con la<; quinesinac, pero mamiene la norma generyd de acoplar la htdrólisis de un nucleótido a la untón y desunión de un microtúbulo y también la generación de fueu.a a través de lo!> cambios confom1acionales. Una cadena pesada gigante de 500.000 daltom fonna la esrntctura básica generadora del moVimiento. Su parte N-terminal forma una cola qut.' se une a un con junto de cadenas ligeras y conecta con otrac, cadenas pesada'> dentro de la molécula de di twina, mientrac; que In mayor parte de la cadt•na pesada se utiliza para formar una cabeza muy elaborada en furma de an illo. Esta cabct.a consiste en un anillo plano formado por siete dominios: sei!> dominto' MAmás el dominio e-terminal de la cadena pesada; por con~i­ guiente, es un pariente complejo de la ArPasa hexaménca de'>crita en el Capítulo 6 (véa..,c Figura r,_.91). Una región de unión en fonna de gancho une la cola de la cadena pesada al dominio MAque es más activo que una ATPao;a. rmre el cuarto y el quinto dominio AAA hay

o

cabeza de quinesína no unida 1 protofllamento de los microtubulos

o

'

qumesína 1-motor que avanza hacia el extremo más

(A)

quínesina -13(Ncd)·motor que avanza hacía el extremo menos

e

N

cabeza (domimo motor)

o

~

N cola

cola (B)

e

cabeza (dominio motor)

qumesina

Figura 16-63 Orientación del"paso adelante• y del "paso hada atrás• de las protelnas de la superfamllia ~ las quinesinas unidas a microtúbul01 Estas Imágenes fueron generadas superponiendo las estructuras de los dímeros libres de las protelnas motor (determinadas por cristalografía de rayos X) sobre una Imagen, a mE>nor resolución, de los dlmeros un1dos a los mícrotubulos (determinada por crioelectromlcroscopla). (A) La quinesma 1 (qUinesma convencional) t1ene su dominio motor en el extremo N terminal de la proteína y se desplaza hacia el extremo más del microtubulo. Cuan• un extremo del dímero está unido a' microtubulo en un estado posterior del golpe dE> potencia (con el ATP er sitiO de unión), la segunda cabeza n unida apunta hacia el extremo más los miCrotúbulos, preparada para d< el siguiente paso. (8) la quinesina·l (llamada Ncd en la Drosophlla), un motor que avanza hacia el extreme menos. con el dominiO motor en el extremo C·term1nal, forma dlmero! en orientación opuesta. (De E. Sabl et al., Nature 395:813·816, 1998. Con la autorización de Macmillan Magazines Ltd.)

llORES MOLECULARES (A)

1019 cola

dominios AAA pedúnculo dominios AAA 1

N

1

r-,

L =•b·>l_. .¡.w_w

'--'

fuerza del golpe, Bnm

(B)

microtúbulo unido al pedúnculo

o o

+ P,

J ~

r·n'

dom1n1os AAA en la cabeza motora ATPasa principal dominio e-terminal

unión a una carga o a otro microtúbulo (Q

l___J

15 nm

do 1 al

f¡n

dominio de cadena pesada que fo rma un pedúnculo largo y enrollado de forma antipa ·1<~ . Este pedúnculo se c.xtiende desde el extremo superior del anillo, con un lugar de hi,h,,s de ATP regulado por unión a un microtúbulo en su extremo. La "potencia de empuje" la' dinemas está dirigida por la lib~ración del ADP y del fosfato inorgánico, y provoca la ,, 1ón del anillo en relación a la cola (figura 16-64). Aunque tanto la miosina. como la quinesina y la dinema sufren ciclos mecánico-quf"' parecidos, la natumJeza exacta del acoplamiento emre los ciclos mecánicos y qufmi'" diferente en los tres casos. Por ejemplo, cuando la miosina no se halla unida a ningún t·citido, está fuertemente unida a su filamemo de actina, el llamado estado Nrigor", y se li·' dt• su anclaje cuando une Al P. Por el contrario, la quinesina forma una asociación de li·ugor" con el microtúbulo cuando tiene el ATP unido y es la hidrólisis de este ATP la que lwra de su punto de unión. r~l ciclo mecánico-químico de la dineína es más parecido al miosina que al de la quinesina. en el cual,la dinefna libre de nucleótido está umda con 1.1 al microt(Jbltlo y se libera cuando se une al ATP. Sin embargo. para la dineína, parece 1'1 ADP y el fosfato inorgánico se liberan al mismo tiempo provocando el cambio connacional que dirige el empuje inlpulsor, mientras que para la mmsina el fosfato se libera pruner lugar y el empuje impulsor no se produce hasta que el ADP se disocia de la caberlutora. r\ si pues, las proteínas motoras del citoesqueleto trabajan de forma muy análoga a las tt·rnas que unen GTP, con la exccpc1ón de que en las proteínas motoras los pequeños 1h1o!> conformac1onales (unas cuantas decenas de nanómetros) asociados a la hidrólisis 111 nucleólido están amplificados por do m mio~ prote1cos especiales -el brazo de palanca lcaso de la miosina, el segmento de unión en el caso de la quinesina y el anillo y el pe·•n•lo en el caso de la dinefna- generando grandes can1bio!> conformacionales (de algun;mómetros) que desplazan las proteínas motoras a lo largo de las vfas de filamentos. ll'ntemente la analogía entre las GTPasas y las proteú1as motoras del ciloesqueleto se ha pliado, al observarse que una de las proteínas de unión a GTP -el factor de elongación

Figura 16-64 El golpe de potencia de la dinelna. (A) la organización de los dominios en cada una de las cadenas pesadas de dlnelna. Se trata de una molécula muy grande, que tiene alrededor de 5000 aminoácidos. El número de cadenas pesadas en una dinelna es igual al número de sus cabezas motoras. (B) La d1neina e es una dineina monomérica de los flagelos, que se ha encontrado en el alga verde unicelular Chlamydomonas relnhardtll. El gran dominio motor de cabeza es un anillo plano que contiene el dominio ( -terminal (gris) y seis dominios AAA, cuatro de los cuales mantienen secuencias de unión a ATP aunque sólo una de ellas (rojo oscuro) tiene la principal actividad ATPasa. Extendiéndose a partir de la cabeza encontramos un largo pedúnculo en superenrollamiento con el lugar de unión a los microtúbulos en un extremo y una cola con unión para una carga. En el estado de unión al ATP. el pedúnculo no está unido al microtúbulo, pero la hidrólisis del ATP lo une a él. La liberación del ADP y del P1comporta un •golpe de potencia" que implica la rotación de la cabeza y del pedúnculo en relación a la cola. Cada ciclo genera un paso de cerca de 8 nm de avance a lo largo del microtúbulo y hacia el extremo menos. (0 Electromicrografia de d1nelnas punficadas en dos conformaciones distintas representando dos etapas distintas de su ciclo mecánico-qufmico. (B. de SA Burgess et al., Noture421:715-718, 2003. Con la autonzación de Macmillan Publishers ltd.)

1020

Capitulo 16: El citoesqueleto

bacteriano C'.- transforma la energía química de la hidrólisis del GTP en movimiento que desplaza la molécula de mRNA por el ribosoma.

La cinética de las proteínas motoras está adaptada a las funciones celulares Las proteínas motoras de las superf:unilias de m losinas y de quinesinas presentan, además de su capacidad de desplazarse a lo largo de polímeros diferentes, una gran diversidad de propiedades móviles. Es muy interesa me el hecho de que un simple dímero de quinesina-1 se desplace elegantemente y viaje durante cientos de ciclos de ATPasa a lo largo de un microtúbulo sin disociarse. Por el contrario, la miosina 11 cl('l mtisculo esquelético no puede desplazarse de esta forma, sino que sólo avanza unos cuantos pasos a lo largo del filamento de actina y luego se hbera de él. Estas diferencia'> o;on muy importantes para las diversas funciones biológicas que ejercen estas proteínas. Un peque•'o número de moléculas de quinesina-1 deben ser capaces de transportar un orgánulo a lo largo de un axón de una célula nerviosa, por lo que requieren que el proceso se pueda repetir durante mucho tiempo. Por el contrario, la miosina del músculo esquelético nunca actua como una sola molécula sino como una parte de un gran conjunto de moléculas de miosina 11 en un filamento gnteso. En este caso una elevada capacidad de repetición del proceso podría inhibir la función biológica, puesto que una contracción muscular eficiente requiere que cada cabe?.a de miosina realice su fuerza impulsora y rápidamente dejar el camino libre para no interferir en las acciones de las otras cabezas de miosi na adhendas al mismo filamento de actina. E.<;te elevado grado de repetición del proceso de los desplazamientos de la quinesina- 1 se debe a dos razones. La primera es que los ciclos mecanico-químicos de las dos cabezas motoras de un dímero de quinesina-1 están coordinados, de forma que una cabeza no avanza hasta que la otra esté situada en el lugar adecuado para unirse. Esta coordinación le permite a la proteína motora actuar de forma "mano a mano", impidiendo que la carga, por ejemplo un orgánulo, difunda alejándose de la pista del microtúbulo. Por el contrario, no existe coordinación aparente entre las cabezas de miosina de un dímero de miosina 11. La segunda razón es que la quinesina- 1 se mantiene durante una gran parte de su ciclo de ATP'.tsa unida al microtúbulo. En ambos casos, el de la quinesina- 1 y el de la miosina 11, el cambio conformacional que produce el movimiento generador de potencia debe ocurrir mientras la proteína motora esté unida al polunero; mientras que la fuerza de recuperat'íón, que es la preparación para la próxima etapa, tienen que productrse mientras la proteína motora esté separada del polímero. Sin embargo. la miosina 11 sólo está unida d ur:u1te un 5% del tiempo que dura el ciclo ATPasa y se m:u1tiene separada del filamento el resto del tiempo. Lo que la miosina pierde en capacidad de repetición del proceso continuado lo gana en velocidad; en una hilera en que la mayoria de las cabezas motoras están interactuando con un mismo fil:unento de actina, un grupo de miosinas unidas puede desplazar su filamento una distancia total equivalente a 20 pasos durante un ciclo simple, mientras que las quine si na~ sólo se desplazarán 2. Así pues, la miosina JI puede deslizarse por un filamento mucho más nipid:unente que la quinesina · 1, a pesar de que ambas hidrolicen ATP a la misma velo cidad y tengan longiwdes de avance comparables. lsta proptedad es en particular impor t:u1te en la rápida cont.racción del músculo esquelético que se describirá más adelante. Dentro de cada clase de proteínas motoras, la velocidad de desplazamiento varía am pliameme, desde los 0,2 hasta lo-; 60 ¡.tm por segundo en las miosinas, y desde los 0,02 hasta los 2¡.tm por segundo en las quinesinas. Estas diferencias se deben a una regulación muy fina del ciclo mecánico-químico. El numero de pasos que puede dar w1a molécula motora du · rante un tiempo determinado y, por tanto, su\ elocidad, pueden disminuir al reducir la velo ciclad intrinseca de la ATPasa o al aumentar la proporción del tiempo del ciclo durante el que la proteína se encuentra unida al fil:unento. Por ejemplo, la miosina V (que actúa como un motor vesicular con capacidad elevada de repetición del proceso) pasa el90% de ~u ciclo de nucleótido unida fuertemente al fil:unento de actina, en contraste con la miosina 11 que sólo pasa el 5%. Además, una protefna motora puede cambiar la duración de cada paso, ya sea cambi:u1do la longitud del bra?.o de palanca (p. ej., e l de la miosina V es tres veces más largo que el de la miosina 11) o el ángulo de balanceo de la hélice (Figura 16-65}. Cada uno de estos parámetros varia un poco entre los dislintos miembros de las familias de miosina~ y de quinesinas, y se corresponde con ligeras diferencias en sus secuencias y estructuras. Se asume que la evolución ha perfeccionado el comportamiento de cada proteína m olora, cuya función viene determinada por el tipo de carga que transporta en su dominio de

MIO\ina 11 avance de 5-1 O nm del brazo de palanca

extremo menos

filamento de actína

extrern ma\

Miosina V avance de 30-40 nm del brazo de palanca

extremo menos

extrem m41

Figura 1~5 El efecto de la longitud del brazo de palanca sobre el avance de una protelna motora. El brazo de palanca de la miosina 11 es mucho más corto que el de la miosina V. El golpe de potencia de la cabeza gira estos brazos el mismo ángulo en ambos casos, de forma que la miosina V es capaz de realizar un paso (avance) más grande que la miosina 11.

1021

. por su velocidad y su mantenimiento de avance, de acuerdo con las necesidades espede la célula. En las células eucariotas tfpicas existen distintos miembros de las familias la miosina y de la quinesina, pero sólo existe una forma de dinefna citoplasmática. lavía no <;e sabe si las propiedades mecánicas de la dinefna citoplasmática pueden modir;e respondiendo a necesidades ctistinlas de la célula ni cómo ocurre.

s proteínas motoras median el transporte intracelular los orgánulos rodeados de membrana e \ .\1 \.\.\1 .las células en interfase, una función importante de los motores del citoesqueleto es el 1nsporte y posicionamiento de los orgánulos rodeados de membrana. Inicialmente se ificó la quinesina como la proteú1a responsable del transporte rápido a lo largo de los del desplazamiento rápido de las mitocondrias, de las vesfculas secretoras precury de vario!> componentes de las sinapsis a lo largo de las autopistas microtubulares de axones hacia los distantes tem1inales nerviosos. Aunque en la mayorfa de las células los nulos no tienen lJUe recorrer distancia-. tan grandes. sigue siendo necesario su transpolarizado. Un conjunto tfpico de microtúbulos de una célula en interfase está oriencon sus extremos menos cerca del centro de la célula. en el rentrómero, y los extremos extendidos hacia la periferia celular. Así pues, los desplazamientos ccnlrfpetos de los o vesfculas hacia el centro celular requieren de la acción de las protefnas motora!> se clirigen hacia los extremos menos como por ejemplo la dinefna citoplasmática, mienque los movimientos centrífugos, hacia la periferia celular, requieren motores dirigidos il los extremos más, como las quinesinas. El ejemplo más claro del efecto de los microtúbulos y de las protefnas motoms de los •túbulos, sobrt• el comportamiento de los sistemas membranosos intracelulares, lo :ituye su papel organi1.ador del retCculo endoplasmático (ER) y del complejo de Golgi. n-ti de tú bulos membranosos del Wl se alinea con los microtúbulos y se extiende casi hasta t'.Xtremos celulares. El complejo de Golgi, por el contrario, está localizado cerca del cenma. Cuando se tratan las cclulas con un compuesto que de!>pohmenza los microtúbucurno por ejcmplo la colchicina o el nodocodazol, el ER se colapsa en el renLro de la 1la. mientras que el complejo de Golgi se fragmenta y queda di&perso por el citoplasma ra 16-66). lfl tlitro,las quinesinas pueden unir las membranas derivadas del EH a pistas licrotúbulos preformada!> y hacerlas avanzar hacia su<; extremos más, formando protu....,u·ias tubulares y espacios membranosos muy parecidos a los del ER de las células. De lt•ra parecida, el desplazamiento de los tu bulos del LR hacia la periferia celular C.'itá aso• ron el crecimiento de los mkrotubulos en las células vivas. Por el colllrario, las dinefnas nt'Cesarias para el posicionamiento del complejo de Golgi en el centro de la célula, des-·mdo las vesículas del Golgi a lo largo de los microtúbulos hacia los extremos menos en :urosoma. I.A•s distintos tipos de colas y sus cadenas ligems asociadas de las diferentes protemas específicas les permiten unirse de forma específica a los orgánulos que transpor· . Hcceptores moto re..., asociados a membrana, que son dingidos de forma espccHica ha mpartimientos rodeados de membrana, interactúan ctirecta o indirectamente con las tic detem1inados miembros de la familia de las quinesinas. Uno de estos receptores ser el precursor de la protefna amiloide (APP: amyloid fJrec:ursor prorein), que se une a la cadena ligera de la cola de la quinesina-1 y se propone que sea una molécu ·otdca receptora motom transmembrana en los axones de las células nerviosas. El pro-

{8)

L._l 1011m

Agura 16-66 Efecto de la despollmerizadón de microtúbulos sobre el complejo de Golgl. (A) En esta célula endotelial, los mkrotúbulos están marcados en rOJO y el complejo de Golgi en verde (usando un anticuerpo contra una proteína del Golgi). Mientras el sistema de microtubulos permanece intacto, el Golgi se encuentra cerca del centrosoma, próximo al núcleo en el centro de la célula. la célula de la derecha está en interfase, con un solo centrosoma. la célula de la izquierda está en profase; los centrosomas duplicados se han desplazado hacia lados opuestos del núcleo. (B) Después de un tratamiento con nocodazol, que provoca la despolímerización de los mícrotúbulos (véase Tabla 16-2), el complejo de Golgi se fragmenta y se dispersa por todo el citoplasma celular. (Cortesfa de David Shima.)

1022

Capítulo 16: El citoesqueleto

cesamiento anormal de esta protefna conduce a la enfermedad de AJ1.heimer, generándose grandes cantidades de agregados estables de protcfna en las células nerviosas del cerebro (véase Figura &-95). En el reúculo endoplasmático se han identificado otros receptores para quinesinas especfficas y también en otros orgánulos rodeados de membrana que dependen del transporte mediado por microtúbulos para su localización. Las fJP (protefnas que interactúan con JNK; JNK-incemcting woteins) son protemas estrucrumlcs asociadas con la señalización celular. Estos receptores de quincsina proporcionan un punto de unión entre el transporte y la señalización celular. En el caso de la dineina se conoce que su unión a las membranas está mediada por un gran ensamblaje macro molecular. La dinefna citoplasrnática ya es, por sf misma. un gran complejo proteico y para transportar orgánulos de forma eficiente tiene que asociarse a otro gran complejo, llamado dinaccina. Pste complejo incluye un corto filamento parecido a la acUna fomtado por una protefna relacionada con la actina,la protefnaArp l (distinta de Arp2 y Arp3,los cornponemes del complejo ARP implicado en la nucleación de los filamentos de acüna convencionales). Las membranas del complejo de Golgi están recubiertas con las proteínas anquirina y cspectrina. Se propone que esta'> proteínas se asocian con el filamento de Arpl en el complejo dinactina y fomtan un citoe<;queleto plano parecido al citoesqueleto de la membrana de los eritrocitos (véase Figura 10-41). Probablemente la red de t>spectrina en conjunto proporciona estabilidad estructllral a la membrana del complejo de Golgi y. a través del filamento Arp l. hace de mediador en la unión regulable de la dinefna al orgánulo (Figura 16-07). Pn otro~ casos, los motores de dinefna cltoplasrnáticos interactúan de forma directa con su carga. La cola citoplasmática de la rodopsina,la protefna detectora de luz en los conos de la reuna del ojo, se une directamente a una de las cadenas ligera~ de dinefna; esta interacción es indispensable para el desplazamiento normal de la rodop~ina a lo largo de los conos. Las protefnas motoras tienen también un papel sign ificativo en el transporte de orgánulos a lo largo de los filamentos de actina. La miosina V fue la primera miosina encontrada corno mediador del desplazamiento de los orgánulos, una miosina de doble cabe?.a que genera un gran desplazamiento en cada etapa (véase Pigura 1EH55). En los ratones y en los humanos, los gránulos de pigrnenLo rodeados de membrana, llamados melanosomas, se síntetil.an debajo de la piel, en unas células denominadas mela11ocicos. EMos melanosomas se despla7.an hacía los extremos de las proyecciones dendríticas de los melanocitos, donde son liberados hacia lo~ queratinocitos que fonnan la piel (y el pelaje en el ratón). La miosina V está asociada con la superficie de los melanosomas y puede intervenir en el desplazamiento basado en actina que se puede observar en un rubo de ensayo (Fi gura 16-68). En el ratón, mutaciones en el gen de la miosma V provocan un fenotipo diluido, con un pelaje descolorido puesto que los melanosornas no son liberados a los queratinocitos de fonna eficiente, por lo que la pigmentación et. defectuosa. Otras rníosinas, incluyendo la míosina 1, están asociadas a endosomas y a una gran variedad de otros orgánulos.

25 nm Figura 1~7 Un modelo para la unión de la dlnelna a un orgánulo rodeado de membrana. La dlnelna necesita la presenc¡, de muchas protelnas accesonas para asociarse con los orgánulos rodeados de membrana. La d1nact1na es un comple¡o grande (rojo) que Incluye componentes que se unen débilmente a los microtúbul<X, componentes que se unen a la propia dineina y componentes que forman pequenos filamentos de actina con la protelna Arp 1. Se cree que el filamento Arp 1 puede mediar la unión de este gran complejo a los orgánulos, a través de una rtd de espectrlna y anqulrina parecida a la del c1toesqueleto asociado a la membrana de los eritrocitos (véase Flgura 10--41 ).

El citoesqueleto posiciona moléculas específicas de RNA Con el objetivo de concentrar las protefnas en el lugar donde e¡ercen su función, las células restringen a menudo su smtesis en Jos lugares donde se locali1.an sus moléculas de rnRNA, proceso que establece las asimetrías celulares. Este hecho e~ en particular importante cuando una célula se divide generando dos células hijas con caracterfsticas distintas. Otro ejemplo serfa el de lo'i mRNA que codifican protefnas implicadas en la función sináptica y que se localizan cerca de las sinapsis en la mayorfa de neuronas; existen evidencias de que la localización de los mRNA y la regulación de la traducción en los lugares sinápticos desernpei\an un papel importante en la regulación de la memoria a largo plazo y de la plasticidad sináptica. No es sorprendente que sea el citoesqueleto y las proteínas motoras del citoesqueleto las que posicionen las moléculas de mRNA en este tipo de situaciones. El oocito gigante de Drosoplzila posiciona una gran cantidad de rn&"'Acodificados maternalmente en lugares especfficos dentro de la célula, como paso previo a Jos rápidos acontecimientos de especificación que se producen en las fases tempranas de la embriogénesis (descrito en el Capftulo 22). Un grupo de mRNA que codifican proteínas necesarias para el correcto desarrollo de la región posterior del embrión, incluyendo el desarrollo de las células germinales, se locali7.an en la parte posterior del oocito; un grupo distinto de mRNA que codifican proteínas necesarias para la especificación de las estmcturas anteriores del embrión se locali7.an en la parte anterior del oocito.

10 ¡un Figura 16-68 La miosina V de los melanosomas. (A) Imagen obtenida por contraste de fases de una parte de un melanocito aislado de un ratón. Las mancha negras son melanosomas, con orgánulos rodeados de membrana llenos del pigmento de la piel, la melanina. (8) La misma célula marcada con un anticuerpo fluorescente contra la miosina V. Cada melanosoma está asociado con un gran número de copias de esta protelna motora. (De X. Wu et al. J. Cei/Sci. 110:847-859, 1997. Con la autorización de The Company of Biologists.

ES MOLECULARES

1023

mRNAdeAsh1

5' ~ 3'

8 ---..j protelna She2

¡

'

secuencia de localización del RNA

s· ~- 3·

MOVIMIENTO IMPULSADO POR M lOSINA proteína She3

Ami~iooV

(B)

mRNA de Ash1, localizado

~~~~~~~~~~~~~~~~~J'formina filamentos de actina orientados CITOSOL

11 oocíto se aprovecha de su citoesqueleto polarizado de microtúbulos. donde la mayo,,. los extremos menos están agrupados en la pane anterior de la célula y los extremos 1• sitúan cerca de la posterior, para establecer estas dislribuciones especializadas de ~ ·\. i\sf por ejemplo, el mRNA que codifica Bicoid, un factor de transcripción crítico paclt•sarrollo de la pane anterior, posee una estructura dentro del3 "UTR que se une a una tna Uamada SwaUow, que a su vez se une a la cadena ligera de In dinefna citoplasmática, ~tniblememe permitiendo su tmnsporre hacia los extremos menos de los microtlibulos parte anterior de la célula. Por el contrario, el transporte del mRNA que codifica Oskar, fln>teína necesaria para el desarrollo de la célula germinaJ en la pane posterior del emll, necesita de quinesina-1 para ser transportado hacia los extremos más de los microtú1.1 anclaje de los mRNA en sus posiciones adecuadas después de ser transportados a de los microrúbulos parece que depende del citoesqueleto cortical de actina. El rnRNA ""-ar, por ejemplo, se une de forma directa a una proteína de unión a la actina llamada 111a, un miembro de la familia de ERM. 1 n algunas células, el transporte de los mRNAy su anclaje es dependiente de actina La Jura madre y la levadura hija retienen identidades diferentes, corno lo indican las granhfcrencias que presentan posteriormente en cuanto a su capacidad de sufrir cambios 1 1ipo de apareamiento (descrito en el Capftulo 7) y en la l.elección de su próximo lugar fllilción. Muchas de estas direrencias están provocadas por una protcú1a reguladora de llamada Asi1J. Tanto la proteína como elmRNA paraAshl sólo se localizan en la yema l'l'lrniento y aparecen en exclusiva en la célula hija. Uno de los dos tipos de miosina V •ntrado en las levaduras, Myo4p, es necesario para la distribución asimétrica del mRNA 111 . Un análisis genético de mutaciones que impiden las direrencins materno-filiales 'llllitido observar que al menos existen otros seis productos génicos asociados con el .queleto que son necesarios para la polaridad normal; incluyen una de las forminas, •pmniosina, la proftlina, la propia actina y también un complejo de dos protemas que m una w1ión directa entre secuencias específicas del rnRNA de Ash 1 y la proteína mio\' !Figura 16-69).

células regulan la función de las proteínas motoras lula puede reguJar la fw1ción de las proteínas motoras, lo que permite can1biar la loca-

'' •n de los orgánulos rodeados de membrana y todos los movimientos celulares. Uno de wmplos más interesantes es el que proporcionan los melanocitos de los peces. Estas "gigantes, responsables de los cambios rápidos de coloración de la piel en algunas 1 lt'S de peces, contienen grandes gránulos de pigmento que pueden variar su locaJ il'.a1 omo respuesta a esúmulos neuronales u hormonales (Figura 16-70). Estos gránulos ''!~mento se agregan o se dispersan, desplazándose a lo largo de w1a extensa red de miilllllos. Los extremos menos de estos micro tú bulos se nuclean en el centrosoma y están lilados en el centro de la célula, mientras que los extremos más se dislribuyen alrededor periferia celular.

Figura 16-(;9 Localización polarizada de mRNA en el extremo de la yema de la levadura. (A) Mecanismo molecular de localización del mANA de Ash 1, que se determinó genética y bioqufmicamenre. (B) La localización del mANA de Ash 1 (rojo) en esta célula de levadura en división se realizó mediante hibridación In situ fluorescente (FISH). El mRNA está confinado en el extremo más alejado de la célula hija (todavfa una yema grande). La proteína Ashl, transcrita por este mRNA localizado, sólo se encuentra en la célula hija. (B. por cortesfa de PeterTakizawa y Ron Vale.)

1024

Capítulo 16: El citoesqueleto

~ --~ (A)

disminución de cAMP aumento decAMP

DISPERSOS

AGREGADOS

Figura 16-70 Regulación del movimiento de los melanosomas en las células pigmentarias de los peces. Estas células gigantes, responsables de los cambios de coloración de la piel en algunas especies de peces, presentan grandes gránulos de pigmento o melanosomas (marrón). Los melanosomas pueden cambiar su localización en la célula como respuesta a cambios hormonales o a estfmulos neuronales. (A) Esquema de una célula pigmentaria, en el que se muestra tanto la drspersión como Id agregación de los melanosomas en respuesta a un Incremento o una disminución de los niveles de AMP clclico (cAMP), respectrvamente. Ambas redrstrlbucrones de los melanosomas se producen a lo largo de los microtúbulos.. (B) Imágenes obtenidas con campo claro de una sola célula de un pez cfclido africano, en las que se muestra sus melanosomas dispersos por el citoplasma (izquierda) o agregados en el centro de la célula (derecha). (B. cortesla de Leah Haimo.)

• (B)

S0 11m

El tráfico de los gránulo!> individuales de pigmento (Figura 16-71) revela que el desplazamiento hacia el interior es rápido y ~in interrupciones, pero que el de.~ plazamiento hacia el exterior presenta in tern1 pcione~ con algunas etapas de retroceso. Tamo la dincína como la quinesina están asociadas a los gránulo'> de pigmento y también la miosina V. Parece que este desplat.amiento interrumpido es el re'>ultado de una guerra de tirones entre las do~ protefnas motOras con una corpulenta quinesina, la cual resulta finalmente ganadora. Cuando la cadena ligera de la quinesina '>l' fosforila por una estirnulacJón hormonal, que induce un cambio de color de la piel, la quinesina se inactiva y deja que la dinerna transporte con rapidez los gránulos de pigmento hacia el interior de la célula; el resultado es que el color del pez cambia. De forma pan•cida, el desplazamiento de otros orgánulos de membrana recubienos de proteínas motoras particulares está controlado por un balance complejo de señales competidoras que regulan tanto la actividad como la unión de las protefnas motoras. La c61ula también puede utilizar la fosforilación para regular la actividad de la miosina. En las células no musculares, la miosina 11 puede fosforilarse en varios lugares tanto de la cadena pesada como de las cadenas ligera.,, lo cual puede afectar tanto a la actividad mOLo ra como al ensamblaje de los filamentos. En estas células, la miosina 11 puede encontrarse en dos estados conformacionalcs disnntos, un estado extendido capaz de formar filamentos bipolares y un estado plegado en el cual, aparentemente, el dominio de la cola interactúa con la cabeza motora. La fosforilación de la cadena ligera reguladora por la quinasa depen

Figura 16-71 Desplazamiento bldireccion.l de un melanosoma en un mlcrotúbulo. Un melanosoma aislado (amar~lla) se desplaza a lo largo de un microtúbulo, desde el extremo más hacia el extremo menos, en un cubreobjetos. A medro camino en la secuencia de video, cambia inesperadamente de sentido y pasa a desplazarse desde el extremo menos hacia el extremo más. (De S.L Rogers et al. Proc. Na ti. Acad. Se/ U.S.A. 94:3720-3725, 1997 Con la autorización de The Natlonal Academy of Sciences.)

extremo más

microtúbulo

extremo menos L____ _ j 1011m

CITOESQUELETO Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR

1025

Dil

~ FOSFORILACIÓN PORMLCK

"!lasa

AUTOENSAMBLAJt: ESPONTÁNEO

aJA

filamento bipolar de 15·20 moléculas

liberación de la cola de miosina

>INACT'VO nas ligeras no fosforiladas)

ESTADO ACTIVO.

(cadenas lígeras fosforiladas) 1 ~m

•rt1• de calcio de /Q cadena ligera de la miosina (M LCK: myosin light ciUlin kinase) induce a

uusina II a adoptar la forma extendida, que facilita el ensamblaje de los filamentos hipoy conduce a la contracción celular (Figura 16-72). La MLCK también se activa durante la "i~. induciendo a la miosina 11 a ensamblarse formando el anillo contráctil responsable hvidir la célula mitótica en dos. Como se describirá más adelante, la fosforilación de la 111a también es un componente importan le de comrol en la contracción en las células o alares lisas. La regulación de orros miembros de la superfamilia de las miosinas no se •prende todavía correctamente pero se considera que en el control de estas miosinas esunplicados Jugares espedficos de fosforilación.

sumen ,.rute(nas motoras utilizan la energfa de la hidrólisis del ATP para deslizarse a lo largo de los olfibulos y de los filamentos de actillll. Facilitan el deslizamiento de los filamentos ron otros fi''tus y el trallSporte de cargas a lo largo de los mismos. Todtls las protefnas motoras conocidas · flesplazan a lo largo de losfilamentos de actina son miembros de la superfamília de las miol.ns protefnas mororas que se desplazan a lo largo de los microtúbulos son miembros de la sumlilia de las quinesinas o de la familia de las dinefnas. lAS superfamilias de la mlosina y de la ma son diversas, con cerca de 40 genes codificando ctUla tipo de protefna en h urnanos. El único 1110 esmtctural común entre todos los miembros de cada superfamilia es el dominio motor de ·u" Estas cabezas sefusionan con 11110 gran llfJriedad de ''colas'' distintas, que se unen a distimos do• cargas y permiten a /Qs diversos miembros de la familia realizarfunciones diferentes en la 1 Estas funciones incluyen el transporte y la localización de prote(nas especificas, orgdnu/Qs •dos de membrana y mRNA. \unque IL1 miosina y la quinesina viajan a lo largo de v/as distimas y utilizan mecanismos di'•'.\ para producir la fuerza y el movimiemo mediame la hidrólisis deiATP, comparten un mírructural comtín, lo Clllll sugiere que derivan de la misma prote(na ancesrraL La protelna "' dinefna ha evolucionado de fonna independiente, y posee w1a esmJctura y un meronismo 1ón distimos.

CITOESQUELETO Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR ,afro importante en todas las áreas de la biología celular es comprender cómo se comlas funciones de muchos componentes individuales dando lugar a comportamientos t's complejos. Todos los comportamientos celulares que describimos en este a panado .,.. basan en una organización coordinada de los componentes y de los procesos que he1"\plorado en los tres primeros apartados del capftulo: el ensamblaje ydesensamblaje cli1o de los polímeros del citoesqueleto, la regulación y modificación de sus estructuras por o1efnas asociadas a los polímeros y las acciones de las proteínas motoras desplazándose •rgo de los filamentos. ¿Cómo coordina la célula 1odas estas actividades para definir su 1. desplazarse o dividirse en dos durante la mitosis?EsLOs problemas acerca de la coordi•11 del citoesqueleto han desafiado a los científicos durante muchos años. 1

Figura 16-72 Fosforilación de la cadena ligera y reguladón del ensamblaje de la miosina 11 en los filamentos gruesos. (A) La fosforilación controlada, producida por la qulnasa de la cadena ligera de la mioslna (MLCK), de una de las dos cadenas ligeras (llamada cadena ligera reguladora; se muestra en azul cloro) de la miosina 11 no muscular en un tubo de ensayo, tiene al menos dos efectos: provoca un cambio en la conformación de la cabeza de la mlosina, dejando expuesto el lugar de unión a actina, y libera la cola de la mioslna de su lugar de unión en la cabeza, permitiendo que las moléculas de miosina se ensamblen en filamentos cortos, gruesos y bipolares. (B) Electromicrograffa de filamentos cortos de miosina 11, contrastados negativamente, cuyo ensamblaje se ha inducido en un tubo de ensayo por fosforllación de sus cadenas ligeras. Estos filamentos de miosina 11 son mucho más pequeños que los encontrados en las fibras del músculo esquelético (véase Agura 16-SS). (B, cortesfa de John Kendrick-Jones.)

1026

Capítulo 16: El dtoesqueleto

Para dar sentido a nuestro conocimiento actual, primero se analizarán ejemplos en los que células especializadas construyen disposiciones estables de ftlamentos y utilizan haces altamente organizados de proteínas motoras deslizándose unas sobre otras generando los movimientos de los músculos, los cilios y los flagelos eucariotas. Después se considerarán dos ejemplos importantes en los que la dinámica de los filamentos se aprovecha de la actividad de las proteínas motoras para generar estructuras dinámicas complejas que se autoorganizan: el huso mitótico formado por microtúbulos y los haces de actina implicados en el deslizamiento celular. Por último, se tratará la extraordinaria organización y comportamiento del citoesqueleto de las neuronas.

la contracción muscular depende del deslizamiento de la miosina 11 sobre los filamentos de actina La contracción muscular constituye la forma de movimiento de los animales mejor comprendido y más familiar. En los vertebrados, correr, caminar, nadar y volar dependen de la contracción rápida del músculo esquelético sujeto al hueso, mientras que movimientos involuntarios como el latido del corazón o los movinúentos peristálticos del intestino dependen de la contracción del músculo cardíaco y del músculo liso, respectivamente. Todas estas formas de contracción muscular dependen del desli7,.amiento de grupos de filamentos de actina organi1..ados contra grupos de filamentos de miosina 11, dirigido por el ATP. El músculo esquelético tuvo un desarrollo evolutivo relativamente tardío y las células musculares están muy especialU.adas para una contracción rápida y eficiente. Las largas y delgadas fibras musculares del músculo e:o.quelético son grandes células formadas durante el desarrollo por la fusión de células individuales, como se describe en el Capítulo 22. En esta gran célula muscular se conservan la mayoría de los núcleos de las células iniciales. Estos núcleos pennanecen debajo de la membrana plasmática (Figura 16-73). El citopla~ma intemo está formado por mlofibrillas, nombre otorgado a los elementos básicos contráctiles de la fibra muscular. Una miotlbr:IUa es una estructura cilrndrica de 1-2 ¡.tm de diámetro, a menudo de la misma longitud que la propia célula muscular. Consiste en largas cadenas repetidas de diminutas unidades contráctiles denominadas sarcómeros. de unas 2.2~tm de longitud, que da a las miofibrillas de los vertebrados su aspecto estriado (figura 16-74). Cada sarcómero está formado de un conjunto ordenado y parcialmente superpuesw de filamentos delgados y gruesos. Los filamentos delgados est~n formados por actina y por protemas asociadas, y sus extremos más están unidos al disco Z en el extremo de cada sarcómero. Los extremo¡, menos encasquetados de los filamentos de actina se extienden hacia el centro del sarcómero, donde se superponen a los filamentos gruesos, ensamblajes bipolares formados de isoformas especfficas musculares de la miosina Il (Figura 16-55). Cuando esta región de superposición se examina con el microscopio electrónico, los filamentos de miosina se observan como lánúnas hexagonales regulares, con los mamemos de actina espaciados en su interior (Figura 16-75). La musculatura lisa y la cardíaca también presenta sarcómeros, aunque su organización no es tan regular como en el músculo esquelético. El acortamiento de los sarcómeros se produce al deslizarse los filamentos de miosina sobre los ftlarnentos delgados de actina, sin que se produzca ningún cambio en la longitud total de cada uno de los filamentos (Figura 16-74 C y 0 ). Los filamentos gruesos bipolares se despla1.an hacia los extremos más de dos grupos de filamentos delgados orientados en direcciones opuestas, y dirigidos por docenas de cabezas independientes de miosina situadas de forma que interactúan con cada uno de lo~ filamentos delgados. No existe ningún tipo de coordinación entre los movimientos de las distintas cabezas de miosina, de forma que es

núcleo (A)

Figura 16-73 Células del músculo esquelético (también denominadas fibras musculares). {A) Estas enormes células multlnucleadas se forman por fusión de muchas células musculares precursoras llamadas mioblastos. En un Individuo humano adulto, estas células normalmente tienen 50 J.lm de di~metro y pueden llegar a tener algunos centlmetros de longrtud. (B) Mlcrograf!a obtenida por fluorescencia de un músculo de rata que muestra la localización penfénca de los nucleos (ozun en estas células gigantes. Las míofibrillas se han marcado en TOJO; véase tambrén Figura 23-468. (B, por cortesfa de Nancy L Kedersha.)

mlofibrilla (B)

L

so

1027

ELETO Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR

~

~--~Ji

J

(B)

un sarcómero

l

filamento grueso (m losina) 1 filamento delgado (actlna) - - - -

banda

banda

_c_la_r_a

.. o_sc_u_ ra

banda

__ cla_ ~_a_ .

~

1

~~disco Z

linea M

=

disco Z

(C) 16-74 Mioflbrillas del músculo esquelético. (A) Electromicrografla a pequeño aumento de una

longitudinal de una fibra muscular esquelética de conejo, que muestra el patrón regular de las transversales. La fibra contiene numerosas miofibrillas alineadas en paralelo (véase Agura 16-73) ,ue de la fibra muscular esquelética de (A), en el que se muestra parte de dos miofibrillas adyacentes ínteión de un sarcómero (flecha negro). (C) Esquema de un sarcómero, mostrando el origen de las oscuras y de las bandas claras observadas en las electromicrografias. Los discos en cada 'del sarcómero, son los lugares de unión de los fllamentos de actlna (filamentos delgados); M, o lfnea media, es el lugar donde se localizan las prote1nas especificas que unen filamentos de 11 (filamentos gruesos) entre si. Las bandas oscuras, que marcan la localización de los filamentos a veces se denom1nan bandas A porque aparecen como amsótropas a la luz polarizada (es decir, r de refracción varia con el plano de polarización). Las bandas claras, formadas únicamente por a--ntos delgados y con una densidad de proteínas menor, son relativamente isótropas a la luz Mm<Ida y, a veces, se denominan bandas l. (0) Cuando el sarcómero se contrae, los filamentos de y miosina se deslizan unos sobre los otros acortándose. (A y B. por cortesía de Roger Craig.)

z.

~~~ (O)

Importante que funcionen con una baja capacidad de reproducción del proceso, perit•ndo íntimamente unidas a los filamentos de actina sólo una fracción muy pequeiia rnpo en cada ciclo ATPasa para no interferir con la cabeza siguiente. C..ada filamento 'de miosina tiene cerca de 300 cabe;r..as (294 el músculo de la rana): cada cabez.a realirtlcdor de cinco ciclos por segundo durante una contracción rápida - los filamentos de 11a y de actina se deslizan unos con respecto a otros a 15 ¡.un por segundo permitiendo ~l..arcómero reduzca su longitud en un LO% en menos de 1/50 de segundo. Este aconaIU rápido y sincronizado de miles de sarcómeros alineados extremo con extremo en ca-

) 11"'

1¡.tm

Figura 16-75 Electromlcrografia de una sección transversal del músculo de vuelo de un insecto. Los filamentos de actina y de miosina están dispuestos siguiendo una regularidad casi cristalina. A diferencia de lo que ocurre en los vertebrados, los filamentos gruesos son huecos, tal como se observa en la ampliación de la derecha. En el músculo de los vertebrados, la geometría de la trama hexagonal es ligeramente diferente. (De J. Auber. J. de Microsc. 8:197-232, 1969. Con la autonzación de la Societé fra~ise de microscopie électronique.)

1028

Capitulo 16: El citoesqueleto disco Z titina

linea M

miosina (filamento grueso)

actina (filamento delgado)

da miolibrilla proporciona al músculo esquelético su capacidad de contracción rápida suficiente para correr y volar, o para tocar el piano. Proternas accesorias producen la uniformidad de la organización del filamento, la longitud y el espaciado de los sarcómeros (Figura 16-76). Los extremos más de los filamentos de actina están unidos al disco z. formado por CapZ y a-actinina; el disco Z forma un casquete en los filamentos (impidiendo su despolimerización) y los mantiene unidos formando un haz espaciado de forma regular. La longitud precisa de cada filamento viene determinada por w1a protefna muy grande Uamada nebulina, formada casi exclusivamente por secuencias repetidas de unión a actina de 35 aminoácidos. La nebulina se extiende desde el disco Z hasta los extremos menos de cada uno de los fllamentos delgado~ y actúa como un "gobernante molecular" que dictamina la longitud del filamento. Los extremos menos de los filamentos delgados están encasquetados y estabilizados por otra protefna, la tropomodulina. Aunque existe un recambio lento de subunidades de actina en ambos extremos del filamento delgado muscular y los componentes del filamemo delgado se recambian con una vida media de algunos dfas, los filamentos de actina en los sarcómeros son muy estables, a diferencia de lo dinámicos que ~>on los filamento'> de aclina en el resto de tipos celulares cuya vida media es de pocos minutos o menos. Los filamentos gruesos están localizados a medio camino entre los discos Z por pares opuestos de otra proteína patrón incluso más larga, denominada titillll. La ti tina actúa como un resorte molecular con series muy largas de dominios parecidos a inmunoglobulinas que pueden desplegarse uno a uno cuando se aplica una fuerza a la prote(na. Este desplegamiento y replegamiento mantiene a los ftlamentos gruesos situados en el centro del sarcómero y permite a la fibra muscular recuperarse después de la contracción. En C. elegans, cuyos sarcómeros son más largos que los de los vertebrados, la litina también es más larga, lo cual sugiere que la protefna también actúa como gobernante molecular, determinando en este caso la longitud total de cada sarcómero (véase figura 3-33).

Un incremento repentino de la concentración citosólica de Ca2+ inicia la contracción muscular ( n.< Las interacciones moleculares generadoras de fuerza entre los filamentos gruesos de mi osina y los delgados de actina sólo se producen cuando una sena! se transmite desde el nervio motor al músculo esquelético. justo después de la Uegada de la señal, la libra muscular tiene que ser capaz de contraerse con rapidez, con todos los sarcómeros acortándose de forma simultánea. Para que se produzca esta contracción extremadamente rápida son necesarias dos características importantes de la célula muscular. En primer lugar, y como hemos indicado, las cabezas motoras individuales de miosina en cada filamento grueso permanecen sólo una fracción muy pequeña del ciclo de ATP unidas al filamento generando fuerza de forma activa. asf pues la mayo na de cabezas de rniosina actúan de forma sucesiva en el mismo ftlamenro delgado sin interferir unas con otra<;. En segundo lugar, un sistema especializado de membranas transmite la señal rápidamente a través de toda la célula. La señal procedente del nervio induce un potencial de acción en la membrana plasmática de la célula muscular (descrito en el Capftulo JI); esta excitación eléctrica se extiende con rapidez a través de W1a serie de sáculos membranosos, los tú bulos transversos o túbulos T, que se extienden desde la parte interna de la membrana plasmática alrededor de cada miofibrilla. La señal se desplaza a través de un pequeño orificio del relfculo sarcoplasmdlico, una red adya-

Figura 16-76 Organización de las proteír~~t accesorias en un sarcómero. ( Cada molécula g¡gante de litina se extiende d~ el disco Z hasta la lfnea M -una distancia mayor de 1 ~J.m. Parte de la molécula de titu~ está fntlmamente asociada con el filamento grueso de mloslna (que cambia de polaridad en la lfnea M}; et resto de la molécula de titint es elástico y cambia de longitud al contrae~ y relajarse el sarcómero. Cada molécula de nebullna tiene la misma longitud que un filamento delgado. Los filamentos de actina también están recubiertos de tropomioslna y troponina (no se muestra, para más detall véase Agura 16-78) y tienen un casquete en cada uno de los extremos. La tropomodulina encasqueta el extremo menos de los filamentos de actina-y la CapZ ancla el extremo más en el disco Z. que también tiene <I·actinlna

Y El COMPORTAMIENTO CELULAR

1029

membrana plasmática miofibrilla ~

O,SIJm

membrana despolarizada del túbuloT

LUMEN DEL TUBULO T (ESPACIO EXTRACELULAR)

• •

2 canal de ca ' • • • • • r~u~ por wltajt! • • ·•

•• •

\

1

••• potencial de acdón

CITOSOL

·· ~·~ ·.·. • • • ••••• • ••

canal liberador de Ca 2'

LUMEN DEL RET{CULO SARCOPLASMÁTICO

..

•• • • • ·• • • • •

t ~3rm

... .. .

•••••••·• •••

dl: retículo endoplasmático modificado que envuelve cada miofibrilla como si fuera kt•tfn (Figura 16-77A y 8). uando el potencial de acción entrante activa un canal de C'..'lz. en la membrana del tlÍ· luna entrada de Ca2 ' provoca la apertura de los canal e!> liberado re•<, de Ca2 en el retí tn.:oplasmático (Figura 16 77C). FJ C.a2• Ouye hacia el dto~ol y se inicia la contracción 1da miofibrilla. La señal procedente de la membrana plasmática de la fibra muscular se ni te en cuestión de milisegundos (a travl's de los tú bulos 1 y del retículo sarcopla¡,má lirada sarcómero de la célula, por lo que todas las miofibrillas se contraen al mismo pu. El incremento de la concentración de Ca2• es transitorio, ya que el Ca2• es rápida ,. bombeado de nuevo hacia el retJculo -.arcoplasmáuco por una bomba de C.a 2• dc·•·ntc de ATP muy abundante (también llamada Ca2• -ATPa<,a) situada en su membrana · Hgura 11- 13). Por lo general, la concentración de Ca 2• se restablece a los 30 milise o~. permitiendo que las miofibrillas se relajen. Asf pue'>, la contracción muscular de:h- de dos procesos que consumen grandes cantidades de ArP: el deslizamiento de los tt•lltos, dirigido por la Al'Pasa del dominio motor de la miosina, y el bombeo de C.a 2• di• por la bomba de Ca2•. l•t dependencia de Ca2' de la contracción del músculo esquelético en los vertebrados, y pmdencia de las órdenes motoras enviadas por los nervios, se debe en su totalidad a •n¡unto de protefna¡, accesorias cspecialil.adas que están fntimamente relacionadas con l.unentos delgados de actina. Una de estas proteínas accesorias es una forma muscular tropomiosino, una mol<!cula alargada que se une a lo largo de la ranura de la Mlice de ,, Otra proteína es la troponino, un complejo de tres polipéptidos, las troponinas r. 1y C !minada¡, asf por sus dominios de unión a tropomiosina, a lnhibidorcs y actividad~ de 1 a Ca2+, respectivamente). La troponina 1se une a la actina y a la t:roponina T. En una fibra ular relajada, el complejo t:roponina 1-Tempuja a las tropomiosinas fuera de su lugar nortlt· unión, a una posición a lo largo del filamento de actina que interfiere con el lugar al cual ·n las cabezas de miosina, impidiendo, por tanto, la interacción generadora de la fuerm. ulu Jos niveles de Ca2• citosólico se incrementan, la Lroponina C -que puede unir cuatro l~ulas de Ca2+- induce la liberación de la troponina 1de la actina. Esto permite a las molé-

(A)

Figura 16-77 Los túbulosTy el retículo sarcoplasmático. (A) Esquema de los dos sistemas de membrana que transmiten la señal de contracción desde la membrana plasmática de la fibra muscular a todas las mlofibrillas de la célula. (B) Electromlcrograffa que Ilustra dos túbulos T Nótese la posición de los grandes canales liberadores de Ca 2• en la membrana del retículo sarcoplasmatico; parecen "pies• de forma cuadrangular que están conectados a la membrana del túbulo T adyacente. (0 Esquema que muestra cómo puede abrirse un canal liberador de Ca2 · de la membrana del reticulo sarcoplasmático mediante activación de un canal de ea2• sensible al voltaje. (B, por cortesfa de Clara Franz.ni ·Armstrong.)

1030

Capítulo 16: El citoesqueleto

complejo de troponína

actina 1

r 1

1

e

T

1

1

tropom1osina

la tropomíosina bloquea el lugar de unión de la m1osina a la actina

1

, .- actma + Ca1 '

. , (A)

el desplazamiento de la tropomi<H ,,. mediado por el Ca2• deja expuesto el lugar de unión de la miosina

10 nm

(B)

culas de tropomiosina regresar a su posición habitual de fonna que las cabezas de miosina pueden deslu..arse a lo largo de los filamemos de actina (Hgura 16-78).1..a troponina C está muy relaclcmada con la protefna de unión a Ca2•, calmodulina (véase Figura 15-44); se puede con~iderar como una forma especializada de calmodulina que ha adquirido Jugare~ de unión para la t.roponina 1 y la troponina 1, de fonna qul' se asegura que la miofibrilla responda de fonna extremadamente rápida a un incremento en la concentración de Ca2 •. En las células musculares lisa&, llamados así porque han perdido la'> estriaciones regulares del músculo esquelético, la contracción se produce también por una entrada de iones de calcio. pero el mecanismo que lo regula e~ distinto. El músculo liso forma la'> panes contráctiles del estómago, intestino y útero, la pared de las arterias y mucha'> otras estructuras que necesitan de contracciones mantemdas pero lenta!>. El músculo liso está formado por lámma., de células en forma de huso muy alargadas, cada una de las cuales tiene w1 solo nuclco. Las células musculares lisas no expresan troponinas. La entrada de Ca2 ' en la célula regula la contracción mediante dos mecamsmo~ que dependen de la calmodulina, la protema ubicua de w11ón a calc1o. En primer lugar, la calmodulina con el Cal• umdo se une a una protefna de unión a la actina llamada caldesmon, que bloquea lo'> lugares de umón de la actina donde normalmente se unirfan las cabezas motoras de la miosina. Este hecho provoca que caldesmon se separe de los filamento~ de actina preparándolos para la contracción. l:.n segundo lugar, la rmosina muscular lisa ~e fosforila en uno de sus dos cadenas ligeras por la quin asa de la cadena ligera de la miosina (MLCK), como se ha descrito previamente para la regulación de la míosina lino muscular (véase Figura 16-72). Cuando la cadena ligera está fosforilada, la cabeza de miosina puede interactuar con los filamentos de actinn y provocar la contracción; cuando e~tá desfosforilada, la cabeza de miosina tiende a d isociarse de la actina y se inactiva (al contrano que la miosina 11 no muscular. la desfosforilación de la cadena ligera no induce el descnsambla¡e de Jos filame111os gruesos en las célula!> musculares lisas). la MLCK necesita de la unión de Ca1 ·tcalmodulina para ser completamente activ-.1. Otras moléculas señalizadoras externas tales como la adrenalina (epinefrina) también pueden regular la actividad contráctil del músculo liso. l.a adrenalina se une a su receptor en la superficie celular acoplado a proteína G provocando un aumento de los niveles intracelulares de AMP cíclico, que a la vez activan la protefna quinasa dependiente de AMP cíclico (PKA) (véase Figura 15 ·35). La PKA fosforila e inactiva a MLCK y provoca. en consecuencia. la relajación de la célula muscular lisa. Las fosforilacione.s que regulan la contracción de las células musculares lisas se producen lentamente y la contracción máxima a menudo necesita un segundo para llevarse a cabo (comparada con los pocos milisegundos necesarios para la contracción de la célula muscular esquelética). Pero para el músculo liso no es imponante que la activación de la contracción sea rápida: su miosina JI hidroliL.a ATP diez veces más lentamente que la miosina del músculo esquelético, produciendo un ciclo lento de cambios conformacionales de miosina que dan lugar una contracción lenta.

El músculo cardíaco es una máquina de ingeniería muy precisa \l l El corazón es el músculo del organismo que desarrolla un trabajo más pesado: se contrae cerca de tres mil millones (3 x 109 ) de veces a lo largo de una vida humana normal. Este número es casi idéntico al proml!dio de revoluciones durante la vida nonnal de un motor de un automóvil. En las células del corazón se expresan algunas isoformas específicas de la miosi-

- Ca1 •

'L)

Figura 16-78 Control de la contracdón del músculo esquelético por la troponina (A) Filamento delgado de una célula del músculo esquelético que muestra la de la tropomíosina y de la troponina a largo del filamento de actina. Cada de tropomioslna tiene siete regiones de secuencias homólogas, espaciadas regularmente, cada una de las cuales se une a una subunldad de actina en el filamento. (8) Un filamento delgado ilustr• cómo parece que la unión del Ca2 ' (unido la troponlna) libera el bloqueo que ejerce tropomiosina en la Interacción entre la y la cabeza de mioslna (A, adaptada de Philhps, JP. Fillers y C. Cohen, J. Mol. Biol. 111 131, 1986, Con la autorización de Academic Press.)

ITOESQUELETO Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR

1031

u-;cuJar cardíaca y de la actina muscular cardíaca. Camb ios incluso sutiles en las protOntráctiles que se expresan en el corazón -cambios que no producirían ninguna L~ 'llcncia detectable en otros tejidos- pueden provocar una enfermedad cardíaca grave 1ra 16-79).

11Cce que el a parato contráctil cardíaco normal es una máquina regulada de una for'n fina, que cualquier pequeña anormalidad en su funcionamiento puede ser suficienl.t

producir un declive de su función durante los ai'íos de movimiento repetitivo. l.a

••nioparlafamilinr hipertrófica es causa frecuente de muerte súbita en a lletas jóvenes. 1.1 de una enfermedad heredHaria que afecta a dos de cada rrul personas y está asocia111 aumento del tamaño del corazón, a vasos vasculares coronarios anormalmente pe'' y a alteraciones en el ritmo cardíaco (arritmias cardíacas). Se ha encontrado que esta rll'dad puede estar producida por una de las 40 sutiles mutaciones puntuales posibles ~enes que codifican la cadena pesada de la miosina ~cardíaca (casi todas causantes mbios en el dominio motor o cerca de él) o w1a mutación en otra docena de genes que .m proteínac; contráctiles. incluyendo la cadena ligera de la miosina, la troponina car' la tropomiosina. Otras mutaciones menores sin sentido en el gen de la actina carpueden provocar otra al teración del corazón, llamada cardiomiopatfa dilatada, unbién con frecuencia es la causa de un fallo cardíaco temprano.

cilios y los flagelos son estructuras móviles formadas microtúbulos y por dineína

Flgura 16-79 Efect.o de una mutación sutil de la mlosina cardiaca sobre el corazón. Izquierda, corazón normal de una erra de ratón de 6 días de edad. Derecha, corazón de una erra con una mutación puntual en las dos copias del gen de su miosina cardiaca que cambia la Arg 403 por una Gln. Las flechas Indican los atrios. En el corazón de la erra con el gen mutado, los dos atrios son anormalmente grandes (hipertróficos) y el ratón muere a los pocos dfas de nacer. (De D. Fatkln et al., J. Clfn. lnvest. 103:147,1999. Con la autorización de The Rockefeller Unlversity Press.)

1 que las miolibrillas, que son estructuras altamente especializadas y eliciemes en ., a motilidad formadas por filamentos de actina y miosina, los cilios y los flagelos son 1uras móviles muy especializadas y eficientes fom1adas por microtúbulos y dinefna. "t•structuras son apéndices celulares filiformes que contienen Wl hat. de microrúbulos 111terior. Los flagelos se presentan en los espermatozoides y en muchos protozoos. une su movimiento ondulante permiten, a las células que los poseen, nadar por los 1' líquidos (Figura l6-80AJ. Los cilios son más cortos que los flagelos y están organidl• forma parecida, pero su movimiento es parecido al movimiento de una brazada 1.1 16-808). Los movimientos de los cilios adyacentes están casi completamente sintdos y dan lugar a unos patrones parecidos a olas que pueden ser observados al miupio. El movimiento de los cilios puede empujar a las células a través de un fluido 1p. ej. es el caso del protozoo Parameciwn) o puede desplazar un fluido por encima de ·•·rlicie de un grupo de células de un tejido. En el cuerpo hwnano. un número muy eledr· cilios (10'~/cm 2 o más) tapi7.an nuestro tracto respiratorio, barriendo capas de moco, 111do partículas de polvo, expulsando bacterias hacia la cavidad bucaJ donde son tra} posteriormente eliminadas. De la misma forma, los cilios del oviducto ayudan al pune de los embriones hasta el útero. 1 movimiento de un cilio o de un flagelo está producido por el batido de su parte cen.1rnado axonema. El axonema está formado por microtúbulos y por sus proteínas asoque se organi1.an según un patrón regular y diferencial. Nueve dobletes especiales de 11ubuJos (que contienen un microtúbulo completo y la mitad de otro microtúbulo 1.1tlos de forma que comparten una pared tubular común) están organi7ados en un 1.1lrededor de un par sencillo de microtúbulos (Figura 16-81). Esta organización cahlica se presenta en casi todos los cilios y flagelos de las células eucariolas (desde los 1/UOS hasta la especie humana). Los microtúbulos se extienden de forma continua a lo •h· todo el axonema, que puede tener entre 1Oy 200 ¡.~m. En posiciones determinadas y ut•s a lo largo de los microtúbulos. diferentes proteínas accesorias entrecruzan estos 1túbulos.

Figura 16-80 Contraste entre los movimientos de un cilio y un flagelo. (A) El movimiento ondulante del flagelo de un espermatozoide de un tunicado. La célula se fotografió con una Iluminación estroboscóplca de 400 destellos por segundo. Nótese que las ondas de amplitud constante se desplazan desde la base del flagelo hasta su punta. (B) El batido de un cilio que parece la brazada de un nadador. El golpe de una brazada (flechas rojas), durante el cual el fluido es empujado sobre la superficie de la célula, va seguido de un movimiento de recuperación lento. Por lo general, cada ciclo tarda en completarse entre 0,1 y 0,2 segundos y genera una fuerza perpendicular al eje del axonema (el núcleo del cilio). (A. por cortesía de CJ. Brokaw.)

,_._

1

golpe de potencial

2

~- j 3

1

recuperación 5

6 (A)

(B)

1032

Capítulo 16: El citoesqueleto

brazo exterior de dir¡ espina radial .._ vaina mteríor par central de microtúbulos sencillos

membrana plasmática brazo Interior de do (A)

100nm

(8) 1

mocrotubulo A mocrotubulo 8 doblete externo de moaotubulo

Moléculas de dinefna ciliar fonnan puentes entre los dobletes de microtúbulos vecinos alrededor de la circunferencia del axoncma (Figura 16-82). Cuando se activa el dominio mo tor de esta dinefna, las moléculas de dincfna unidas a un doblete de microtúbulos (véase Figura 16-64) intentan desplazarse hacia el doblete SigUiente, forlando a los microtúbulos adyacentes a deslizarse unos sobre otros, de fonna parecida a cómo se desl.iz.an los filamen tos delgados de actina durante la contracción muscular. Sin cm brugo, la pre.-;encia de otraS uniones entre los dobletes de micro tú bulos impide este desl.izamicnto y la fuerza de la dine fna se convierte en movimiento de flexión (Figura 16-83). La longitud de los flagelos está cuidadosameme regulada. Si uno de lo~ dos nagelos de una célula de Clllamytlomonas es amputado, el flagelo restante se encoge mientras que el fragmento restante del flagelo amputado crece de nuevo, hasta conseguir ambos la misma longitud y continuar juntos su crecimiento hasta que son tan largos como lo eran en la célu la sin amputar. Los nuevos componentes flagelares, incluyendo la tubulina y la dinefna se incorporan a los nagelos en crecimientos desde los extremos distales. Asf pues, incluso en estas disposiciones de filamentos motores altamente ordenadas y estables, las células utili:~.an la nexibilidad y adaptabilidad intrfnseca del citoesqueleto para responder de forma rápida y dinámica a los cambios que experimentan. En el hombre, ai!,'Unos defectos hereditarios en la dineína ciliar provocan el síndrome de Kartagener. Este srndrome se caracteriYÁI por la cMerilidad masculina debido a la falta de

(A)

SOnm

1

Figura 16-81 Disposición de los miaotúbulos en un cilio o en un flagelo. (A) Electromlcrografia que muestra una sección transversal del flagelo del alga verde (Chlamydomonas), en la que se pued( observar la disposición axonemática caracteristica de "9 + 2" de los mocrotubu~ (8) Esquema de las partes de un flagelo o un cilio. las diversas proyecciones de los mlcrotúbulos los mantienen unidos y se producen a Intervalos regulares a lo largo del axonema. (A, por cortes!a de lewislll

100nm

Figura 16-82 La dinelna ciliar. la dinelna cilíar (del axonema) es un gran complejo proteico (cerca de 2 millones de daltons) compuesto por entre 9 y 12 cadenas pollpeptldicas, la mayor de las cuales es la cadena pesada que tiene más de 500.000 daltons. (A) Se cree que las cadenas pesadas constituyen la mayor parte de la cabeza globular y los dominios del tallo, y muchas de las cadenas más pequeñas se encuentran agrupadas alrededor de la base de éste (véase Figura 16 -598 para observar la molécula aislada). la cola de la molécula se une fuertemente a un microtúbulo A, a través de una reacción Independiente de ATP, mientras que las cabezas globulares mayores tienen un lugar de unión dependiente de ATP para un microtúbulo 8 (véase Rgura 16-81). Cuando las cabezas hidrolizan el ATP que tienen unido, Sf desplazan hacia el extremo menos del microtúbulo By producen asl una fuerza de deslizamiento entre los dobletes de microtúbulos adyacentes de un dlio o de un flagelo. Para más detalles, véase Rgura 16-64. (8) Electromicrografla de un cilio sometido a criofractura, mostrando los brazos de dinelna proyectándose a intervalos regulares a partir de los dobletes de miaotúbulos. (Por cortesla de John Heu1

Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR +

1033

...

Figura 16-83 La flexión de un axonema. (A) Cuando los axonemas están expuestos

... + !

+

a la enzima proteolítica tripsina, las uniones que mantienen unidos los dobletes de microtúbulos vecinos se rompen. En este caso, la adición de ATP permite la acción motora de las cabezas de dinefna, de forma que un par de dobletes se desliza sobre otro par. (B) En un axonema intacto (como el del espermatozoide), se impide el deslizamiento de los dobletes de míaotúbulos mediante la unión de protelnas flexibles. la acción motora provoca la flexión, generando olas o diversos movimientos ondulantes, como los que se muestran en la Figura 16-80.

r-e r-e r-e .....

..... ~

r-e

•"

EN DOBLETES DE M ICROTUBULOS AISLADOS: LA DINEINA PRODUCE El DESLIZAMIENTO DE LOS MICROTUBULOS

(B)

-< -<

EN UN FLAGELO NORMAL: LA DINEfNA PRODUCE LA FLEXIÓN DE LOS M ICROTUBU LOS

l.td de los espermatozoides, una alta suscepti bilidad a infecciones respiratorias debit paralización de los cilios de la mucosa respiratoria, que impide la eliminación de los • Piulares y bacterias, y a defectos en la determinación de los ejes laterales (izquierdohq) del organismo durante el desarrollo embrionario (descrito en el Capftulo 22). 1' bacterias también se desplazan por los medios acuosos utilizando estructuras de la te celular llamadas flagelos, pero éstos no contienen ni microtúbulos ni dinefna, con ni ondean ni se flexionan. De hecho, los flagelos bacterianos son filamentos largos, de n'gidas, formados por sub unidades repetidas de la protcfna flagellna. Los flagelos gi•tno hélices, dirigidos por motores especiales de rotación inmersos en la pared celular 1.111a (véase rigura 15-71). La utilización de un mismo nombre para estos dos tipos de t• ,., nadadores tan sumamente distinLos es un desafortunado accideme histórico. nas estructuras, denominadas corpúsculos IJasall's, unen firmemente los cilios y napor su base a la superficie celular. Los corpúsculo~ basales tienen la misma forma que o1riolos que se encuentran en el centro de los centrosomas de las células animales, con ).lrupos de tri pieles de microtúbulos fusionados organizados como una rueda de carro 1r11 16-84). De hecho. en algunos organismos, los corpúsculos basales y los centriolos 11 intercambiar sus funciones: por ejemplo, en el alga unicelular Clzlamydomo11as, el • desaparece durante cada mitosis y los corpúsculos basales se dirigen hacia el interior 1y forman parte del huso mitótico. Aparecen nuevos cemrfolos y nuevos corpúsculos "' a través de un proceso replicativo curioso, mediante el cual se forma un pequeilo 'lldiente perpendicular a la estmctura original, por un mecanismo todavía desconoci.,~e figura 17-31). tllluso en las células animales que han perdido totalmente los cilios o los flagelos, Jos ••los nuclean con frecuencia el crecimiento de una proyección inmóvil de superficie

Figura 16-84 Corpúsculos basales. (A) Electromlcrografla de una sección transversal a través de tres centriolos del córtex de un protozoo. (B) Esquema de un corpúsculo basal visto lateralmente. Cada corpúsculo basal constituye la porción inferior de un axonema ciliar y está formado por nueve tripletes de miaotúbulos, cada uno de los cuales tiene un microtúbulo completo (el mlcrotúbulo A) fusionado con dos microtúbulos incompletos (los microtúbulos By C). Otras proteínas (marcadas en rojo en B) forman puentes que mantienen unida la disposición clllndrica de los microtúbulos. La estructura del centriolo es esencialmente la misma (véase Figura 16-31). (A, porcortesla de D.T. Woodrow y R.W. Lmck.) AB C 1

(A)

(B)

1034

Capítulo 16: El citoesqueleto

rica en microtúbulos llamada cilio primario. El cilio primario tiene una longitud de unas cuantas micras y no contiene dinefna. Se encuentran en la superficie de muchos tipos celulares distintos incluyendo fibroblastos, células epiteliales, neuronas, células óseas y condrocitos (células del cartflago). Muchas de las proteínas señalizadoras se localizan en el cilio primario, incluyendo proteínas implicadas en la vía de señalización Hedgchog (véase p. 950) y receptores para los neurotransmisores de las neuronas del sistema nervioso central. En las células epiteliales del riñón, los cilios primarios actúan como sensores de flujo que detectan el movimiento del fltúdo a través de los tú bulos renales. Unos canales de calcio de sensibilidad mecánica se abren cuando el flujo del fluido batea los cilios primarios, regulando el crecimiento y la proliferación en el riñón. La pérdida del canal de calcio o de otros componentes estructurales del cilio primario en las células renales provoca la enfermedad renal policística, un trastorno genético común que induce hiperproliferación de las células epiteliales renales; se forman grandes cistos llenos de fluido en los órganos y finalmente se produce insuficiencia renal. Otro tipo especiali?..ado de cilio primario que por lo general no ondea es necesario para establecer la asimetría bilateral del embrión en desarrollo (véase Figura 22-87).

la dinámica de los microtúbulos y las interacciones de muchas proteínas motoras son necesarias para la formación del huso mitótico Las miofibrillas y los cilios son estructuras relativamente permanentes especializadas en la producción de movimientos repetitivos. Pero la mayoría de movimientos celulares dependen de estructura<; lábiles que aparecen en estadios concretos del ciclo celular o como respuesta a señales externas y entonces desaparecen una ve;r finaliz.an su ncción. l..a estructura más familiar de este tipo es el huso mitótico y el anillo contráctil que se forman durante la división celular. En el Capítulo 17 describimos en detalle tanto el proceso de la mitosis como los sistemas de control del ciclo celular que determinan la aparición de los eventos de la división celular. Aquí estudiaremos brevemente unos cuantos mecanismo<> del citoesqueleto que contribuyen a la formació n y función mecánica del huso mitótico. La construcción del huso mirótico es un ejemplo fascinante y particularmente importante de la capacidad de autoorganización de los equipos de protefnas motoras en interacción con los filamentos dinámicos del citoesqueleto. También se incluye la participación de los cromosomas. En una rápida secuencia de acontecimientos que en las células animales dura menos de una hora, los haces en interfase de lo!. rnicrotúbulos se desensamblan completamente y se reorganizan formando la estrucrura de huso bipolar que es la responsable de segregar a los cromosomas replicados con una fidelidad perfecta en las dos células hijas. Debido a la gran importancia de la exactitud en la transmisión del material genético, la construcción y el funcionamiento del huso mitótico presentan un alto grado de redundancia, de forma que si un conjunto de mecanismos fallan por alguna causa, existen mecanismos de compensación que aseguran el posicionamiento correcto de lo~ cromosomas. En las primeras etapas de la mitosis, el comportamiento dinámico y la longitud media de los microtúbulos sufren cambios drásticos. En los haces en interfase, lo~ rnicrotúbulos son largos y casi nunca sufren catástrofes, pero durante la mitosis la longitud se reduce y se vuelven mucho más dinámicos. La nucleación de microtúbu los y su ensamblaje se incrementan en las zonas alrededor de los cromosomas condensados. Mientras los microtúbulos se ensamblan en la cromatina condensada apuntando en direcciones al ;v.ar, las acciones coordinadas de algunas proteínas motoras construyen un Iluso bipolar coherente a partir de la masa desorganizada de microtubulos. En primer lugar, la quinesina 5 bipolar (véase Figura 16-58) distribuye a los microtúbulos en haces paralelos y desliza mitrotúbulos que se orientan en sentidos opuestos. A continuación, otra quin~ina unida a los brazos de los cromosomas, la quincsina-4, se desli7.a hacia los e>.trcmos más de los microtúl>ulos asociados con los cromosomas y empuja sus extremos menos lejos de los cromosomas. Por último, el extremo menos dirigido por la dineína y la quincsina-14 forman complejos oligoméricos con proteínas de sopone que mantienen los extremos menos unidos formando los polos del huso mitótico. En la mayoría de las células animales, estos procesoc; están dirigidos por un par de cemrosomas que ayudan en la nucleación y organizacióo de estos extremos menos. El resultado final es un huso mitótico bipolar(Figura 16-85). Una vez ensamblado, el huso mitótico puede permanecer estable y quiescente durante largos periodos de tiempo. En la mayoría de animales, los oocitos no fec011dados detienen

11 OESQUELETO Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR

1035

cromosoma

polo del huso replicado (cromát•das centrosoma hermanas)

l 1

~+

J /~

cinetocoro

+

------

-

~~

~

+

(A)

(B) 1

1 10 J.lm

centrosoma

(C) l.__j

5J.1m

In celular en la metafal;e de la meiosís, y el huso se espera durante df3l; o meses hasta fl•cundacíón comporta la progresión a través del ciclo celular (véase Capitulo 21 ). Esta ,.ncía estable es decepcionante puesto que el huso es una estructura altamente di.1, preparada para la acción que empezará cuando los cromosomas repentinamente 1·ren a separarse en la anafase. Por ejemplo, muchos de los microtúbulos del huso pre111 un componamiemo llamado flujo guardián, en el cual se produce un aumento ne to hunidades de tubulina en los extremos más que se equilibra con la misma pérdida neta t•xtremos menos cerca del polo del huso. El flujo guardián está dirigido por la acción 1tcínas motoras en los extremos menos del polo del huso que están constantemente ,h mando microtúbulos mientras que en los microtúbulos interpolares la quinesina-5 1¡a hacia fuera los extremos más (véase Figura 1&-85). Como se describirá con más de•·n el Capítulo 17. el delicado equi librio entre estos dos tipos de actividades de las pro' motoras en el huso determina también su longitud. Por encima de todo, el huso 'lil'O representa un esfuerzo de co laboración en el que se combinan las propiedades dí••·as de los microrúbulos con las acciones individuales de docenas de motores molecu}' de otros componentes organizadores. 1

Rgura 16-85 El huso mitótico en las células animales. :GTCT (A) Existen tres clases de microtúbulos dinámicos en el huso mitótico de la metafase: microtúbulos del cinetocoro (azul), que unen cada cromosoma al polo del hueso; microtúbulos interpolares (rojo), que mantienen unidas las dos mitades del huso, y los microtúbulos astrales (verde), que pueden interactuar con el córtex celular. Todos los microtúbulos están orientados con sus extremos menos en los polos del huso donde están los centrosomas y los extremos más proyectándose hacia fuera. Como se indica con las flechas, los microtúbulos astrales sufren Inestabilidad dinámica, creciendo y acortándose en sus extremos más, mientras que los microtúbulos del cinetocoro y los interpolares fluctúan hacia los polos del huso. (B) Micrograffa de contraste de fases de un huso m1tótico aislado en metafase, con los cromosomas alineados en el ecuador del huso. (C) Esta imagen de fluorescencia muestra los miCrotubulos del huso en verde y los cromosomas en azul. las manchas rojas marcan los dnetocoros, estructuras especializadas que conectan los microtúbulos a los cromosomas. (B, de E.D. Salmon y R.R. Segall, J. Ce// Btol. 86:355-365, 1980. Con la autorización de The Rockefeller University Press; C, de A. Desal, Cuff. Blof. 10:R508, 2000. Con la autorización de Elsevier.)

1036

Capítulo 16: El citoesqueleto

Muchas células pueden desplazarse sobre un sustrato sólido El deslizamiento celular proporciona otro ejemplo en el que se aprecia la integración dinámica de Jos filamentos del citoesqueleto, los reguladores de los filamentos y las protefnas motoras. Muchas células, en lugar de utilizar cilios y flagelos para nadar, se desplazan arrastrándose sobre superficies. Las amebas predadoras se arrastran continuan1ente para buscar alimento y fácilmente puede observarse en una gota de agua como atacan y devoran a flagelados y ciliados má'i pequeños. En el caso de los animales, la mayor pan e de los sistemas de locomoción también se producen arrastrándose, con la excepción de los espennatozoides. Durante la embriogénesis, la estniCillra de un animal se genera a partir de las migrc~cio­ nes de células individuales hacia Iocali1.acione5 diana específicas y por el movimiemo coordinado de capa!> epiteliales (descrito en el Capftulo 23). rn los vertebrados. las células tk la cresta neuml recorren largas distancias desde su lugar de origen en el tubo ncural hacia una gran variedad de de!> tinos del embrión. Esta'> células tienen destinos diversos, convirtiéndose en células pigmentarias de la piel, neuronas sensoriales o simpáticas y células gliales u otros tipos celulares. Este largo recorrido es fundamental para la constmcción del sistema nervioso completo: también de esta forma loe; conos de crecimiento en los frentes de avance, ricos en actina, de los axones en desarrollo viajan hacia sus fuwms dianas '>inápticas ~uia­ dos, a lo largo de su recorrido, por una combinación de señales solubles y de señales asocia das con la superficie celular y con la matriz extracelular. Wanimal adulto también di~pone de células que se arrastran. Los macrófagos} los neutrólllos se dirigen hacia los lugares de infección y engullen a los organismos invasores extraños como función crítica de la respuesta inmune. I.os osteoclastos del hueso fom1an canales rellenos de osteobla'>tos, que los siguen en un proceso continuado de remodelación y reno vactón del hueso. De forma parecida, los fibroblastos pueden migrar a tmvés del tejido conjumivo, rcmodelándolo donde sea necesario y ayudando a la reconstmcción de las estmcturas daJi,tdas en las heridas. F.n un proceso ordenado, las células del epitelio que tapiza el intestino viajan hacia las capas superiores reempl;v.ando Jm, células absorbentes que se han eliminado en los extremos de las vellosidades. Desgraciadamente, este desplazamiento de rastreo tambtén e<, muy importante en muchos cánceres, cuando la., células de un tumor primario in\'aden el tejido circundante, se arrastran hacia los vasos sanguíneos y linfáticos) entonces aparecen en otros lugares del organismo donde producen metásta<,is. Este movimiento es un proceso complejo altamente integrado. dependiente del córtex de actina situado baJO la membmna plasmática. En él están implicadas tres actividades dis tintas: prolllberancia, mediante la cual las estructuras ricas en actina '>nn empujada., hacia el frente celular; adhesión, mediante la cual el citoesqueleto de aclina conecta la membrana pla.,mática con el sustrato,) tracción. mediante la cual la mayor parte del citoplasma es dicórtex de actina

lamelipodio

córtex sometido a tensión

sustrato

la polímerTzacion de la actína en los extremos más forma el lamelipodio

movimiento de la actina no polimerizada

contracción

contactos focales (contienen integrinas)

Figura 16-86 Modelo de cómo las fuerul generadas en el córtex rico en actina desplazan la célula hacia adelante. La protuberancia dependiente de la polimenzación de actlna, y la firme de un lamelipodio en el frente de la célula, desplaza el extremo hacia (flechas verdes en el frente) y contrae el de actina. La contracción en la parte de la célula empuja el resto del cuerpo adelante (flecha verde detrás) relajando de la tensión generada (tracción). En el se forman nuevos contactos focales y lcx antiguos se desensamblan en la parte posterior mientras la célula se arrastra adelante. Este mismo ciclo se puede re el resultado es que la célula se desplaza adelante. Alternativamente, todos los pueden estar fntimamente coordinados, desplazando con suavidad la célula hacía delante. En rojo se muestra la actina con polimerizada de nuevo.

ITOESQUELETO Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR

1037

hacia adelante (ngura 16-86). En algunas células, como los queratinocitos de la epide lo~ pece!>, esta!> actividades e~tán muy coordinadas y las células parece que se dese .1si sin cambiar de forma. En otras células. como los fib roblastos, estas actividades son ndl•pendientes y la locomoción es más irregular.

protuberancia de la membrana plasmática está dirigida la polimerización de actina •-1rncra etapa de la locomoción,la protuberancia del frente de avance, parece estar diri por fuerzas generadas por la polimcrinción d e actina que empujan a la me rnbran:~ -.uatica hacia adelante Di'itintos tipos celulares generan tipos diferentes de e:,uucturas corno ntopodios (también conocidos como mkroespinas), lamelipodios y lludnpodos. Iodos ellos están formados por un núcleo d enso de filamentos de actina, que los orgánulos rodeado~ de membrana. btas estructuras se d iferencian por la forma nización de la acUna; en una, do!> y tres dimensiones, respectivamente (ya se ha desm o esto se produce a parur de la asoctación de diferentes proteínas). ,o, nlopodios. formados por los conos de crecimiento en migración y en algunos u pos tblastos, son esencialmente unidimensionales. Contienen un núcleo de largos haces -.."'""•os de actina, parecidos a Jos microvilli pero rn:ls largos y delgados, y también más Los lamelipodlos, que se forman en células epiteliales y fibroblastos y también tipos de neurnnas, son estructura!> laminares bidimensionales. Están formados 1a red ortogonal de filamentos de actina entrecruzado!>, la mayoría de los cuales desll'n un plano paral<.'lo al su, trato sólido. Los pseudópodos, que se forman en amebas 'lllnifilos, son pcquei1as proyecciones tridimensionales formadas por un gel filamenlf' actina . Probablemente debido a que la geometrfa bidimensional los hace adecuado<; para <>er observados al microscopio óptico, disponemos de mucha más in n acerca de la organización dinámica y del mecanismo de formación de las protus.l~ de lo<; lamelipodios que de los filopodios y de loe; pseudópodos. '" lamelipodio'> di~ponen de toda la maquinaria necesaria para la motilidad celular. 1do hit'n esn1diado<,en las células epiteliales de la epidermis de peces y ranas, conocimo queratit1ocitos debido a su rique1.a en filamentos dt' queratina. Por lo general estas recubren todo el animal, formando una capa epitelial, y están especiali7adao., en el muy rápido de heridas, de:.pla7~ndose a velocidades superiores a las 30 J.lm/minuto. 1 se cultivan como células ind i vl duale~. adoptan w1a fom1a diferencial con un lamemuy largo y un cuerpo celular pequeño que no está unido al SU'>trato (ngura 16-87). 11.1 micropipeta se pueden extraer fragmento:. de este lamelipodio. Aunque es fret¡ue estos fragmentos pierdan los microtúbulo!> y los orgánulos membranosos, puentinuar arrastrándosl' como si fueran diminutos queratinocito-.. mmponamiento dinámico de lo!> filamentos de actina puede estudiar<.e en los lamede Jos queratinocJtos, marcando los pequen os parches de actina y examinando su

(C)

Figura 16-87 Células migratorias de la epidermis de los peces. 1 (A) Micrografías obtenidas mediante un microscopio óptico de un queratlnoclto en cultivo, tomadas a Intervalos de 1S segundos. la célula está migrando aproximadamente a 1S ¡.~rn/segundo. (B) Queratlnoc1to observado con el microscopio electrónico de barrido, mostrando su extenso y plano lamelipodio y su pequeño soma celular, que contiene el núcleo arrastrado sobre el sustrato. (C) Distribución de los filamentos del crtoesqueleto en esta célula. Los filamentos de actina (rojo) llenan el gran lamellpodio y son los responsables del rápido movimiento de las células. Los microtúbulos (verde) y los filamentos Intermedios (azu() están restringidos en la zona próxima al núcleo. (A y B por cortesra de Juliet Lee.)

1038

Capítulo 16: El cit oesqueleto

Figura 16-88 Nucleación de los filamentos de actina en ellamelipodio y formación de la red por el complejo ARP. (A) Querattnocito con filamentos de actina marcados en rojo con faloidlna fluorescente y el complejo ARP marcado en verde con un anticuerpo contra uno de los componentes proteicos. Las regiones de superposición de los dos aparecen amarillas. El complejo ARP está muy concentrado cerca del frente dellamelipodio; en esta zona, la nucleación de actina es más activa. (B) Electromicrografla obtenida después del sombreado con platino de una réplica del frente de avance de un queratinocito, mostrando la densa red de filamentos de actma. Las marcas indican áreas aumentadas en C. (C) Imágenes a mayor aumento de las regiones de la red de actma del frente de avance mostradas en B. Se pueden observar muchos filamentos ramificados, formando el característiCo ángulo de 7rf> cuando el complejo ARP nuclea nuevos filamentos de actina hacia el exterior de un filamento preexistente (véase Figura 16-34). (De T. Svitkina y G. Borisy, J. Ce// Biol. 145:1009·1 026, 1999. Con la autorización de The Rockefeller Universtty Press.)

a!ope<:to. Este procedimiento revela que, mientras que ellamehpodio avanza, los filamentos de actina permanet·en estacionarios con respecto al sustrato. Los fLlamentos de actina de la red están orientados con sus extremos más hacia adelante. Con frecuencia, el extremo menos se encuentra unido de forma lateral a los filamentos de actina mediante complc¡os ARP (véase Figura 16-34), 10 cual facilita la formación de la red bidimensional (Figura 16-88) La red sufre un "recambio rotatorio", ensamblaje en el fren te y desensarnblaje en la parte pos terior, que se parece al recambiO rotatono que se produce en los filamentos de acuna y en los microtúbulos, del que lwmos tratado anteriormente (véase Figura 16-14). El recamb1o rota· torio de una red dendrítica formada por el complejo ARPes una de las muchas maneras en que las células pueden usar los ftlamento~ de actina dinámicos para dirigir la protuberancm del extremo de avance. Parece que alguna<; células de mmimiento'> lentoc;, incluyendo a los fibroblastos, ulilizan un mecan1smo que no depende del complejo AlU~ pero que sigue ne ccsitando del ensamblaje y desen~amblaje coordinado de lo~ filamentos de actina, coordl· nado po~iblemente por las forminas. Se considera que para que el desplazamiento unidireccional de los lamelipodios se mantenga hace falta la cooperaCión y la integración mecámca de algunos factores. La nu cleación de los filamentos se localiza en el frente de avanct•; en esta localización st> produce el crecimiento de nuevos filamentos de actina y se proyecta hacia adelante la membrana plasmática. La mayor parle de la despolimem.a ción <;e produce en lugares posteriores al frente de avance. Puesto que la cojilma (véase Figura 16--12) se une de forma cooperativa y preferencial a los filamentos de actina con ADP (forma l)),lo!> filamentos nuevos que adop tan la forma 1, generados en el frente de avance, deberfan presentar resi~tencia a la despolimerización por coftlina (Figura 16-89). ·\1 aumentar la vida del filamento, se produce la hidrólisis del Al P. por lo que la cofilina desensambla de forma eficiente los filamentos más viejos. Asf pues, el retraso de la hidrólisis del AfP puede con<.tituir la base del mecanismo que mamiene un proceso de recambto rotatorio unidireccional y eficiente en ellamelipodio (Figura 16-90). Por último, part'ce que los filamentos de miosina 11 bipolar se asocian con los filamentos de actina de la red y los empujan hacia una nueva orientación, casi paralelos al frente de avance. Esta contracción impide la protuberancia y constriñe los extremos de los larnelipodios de forma que se mantienen en lo'i laterales de la célula micmras ésta avanza (Figura 16-91 ).

Agura 16-89 La cofilina en el lamelipod (A) Querattnocito con los filamentos de marcados en rojo por faloidina fluorescen y la cofilina marcada en verde con un anticuerpo fluorescente. las regiones d ambas se superponen se pueden observa~• amarillo. Aunque la densa red de actina se distribuye por todo el lamelipodio, la cofil no se encuentra en el frente de avance. (B) Imagen a mayor aumento de la región señalada en A con un rectángulo blanco. Los filamentos de actina cercanos al frente de avance, que también son los que se ha formado ~s recientemente y los que tienen actina-ATP (en lugar de actlna·ADPl por lo general no estan asociados con cofilina. (De T Svitkina y G. Borisy, J Cei/Bio/. 145:1009-1026, 1999. Con la autorización de The Rockefeller University Press.)

ITOESQUELETO Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR

1039

·O

ensamblaje net o de filamento~ en el frente de avance

••• o

• ••

)

difusión de los monómeros. de actina

complejo ARP

_]

desensambla¡e neto de filamentos en el frente de avance

Figura 16-90 Modelo para la formación de una protuberancia de la red de actina en el frente de avance. Se ilustran dos momentos durante el avance de un lamelipodio, destacando en color más claro las estructuras ensambladas de nuevo. La nucleación está mediada por el complejo ARP del frente. Los filamentos de actlna formados de nuevo se unen lateralmente a los filamentos preexistentes generalmente en un ángulo de 700. Los filamentos se alargan, empujando a la membrana plasmática hacia delante, por algún tipo de anclaje del haz anterior. A una velocidad constante, los filamentos de los extremos más se encasquetan. Cuando los nuevos filamentos han hidrolizado su ATP. son más susceptibles a la despolimerización por cofiltna. Este ciclo provoca una separación espacial entre el ensamblaje en el frente y el desensamblaje en la parte posterior; de manera que la red de actina se desplaza hacia adelante como un todo, aunque los filamentos se mantengan estacionarios respecto al sustrato.

• tuerza de empuje generada por la polimerización de una red ramificada de filamen.tctina tiene un papel importante en muchos procesos celulares. La polimeriz.ación ··,tremo más puede empujar la membrana plasmática hacia fuera, como en el ejemplo .thamos de describir (véase Figura 16-90), o puede impulsar a vesículas o panículas a del citoplasma celular, como en el ejemplo de la bacteria ListeriiJ monocytogenes desfl1 el Capítulo 24 (véase Figura 24-37 (., l\1 ). Además, cuando se anclan de forma ·ompleja en la membrana, este mismo tipo de fuer:~.a dirige las invaginaciones de la !11 ana, como se produce durante los procesos de endocitosis y fagocitosis tratados en el ufo 13.

Interesante comparar la organi:t.ación de los lamelipodios ricos en actina con la oru·ión del huso mitótico rico en microtúbulos. En amhns casos, la célula controla y am' r•l comportamiento dinám ico intrínseco del sistema de filamentos del citoesqueleto mdo grandes estructuras que determinan el comportamiento de la totalidad de la \m has estructuras proporcionan un recambio rápido de los filamentos que los cons11. incluso cuando las estructuras permanecen intactas en un estado estacionario dul;u·gos periodos de tiempo. La membrana plasmática del extremo de avance en el •1•odio cumple un papel organizador análogo al de los cromosomas condensados en la 111.1ción y cstimulación de la dinámica del huso mitótico. En ambos casos, las proteínas ,, .t<; ayudan a incrementar el flujo y el recambio de los filamentos del citocsqueleto en ele gran tamaño.

Figura 16-91 Contribución de la miosina 11 al movimiento celular polarizado. (A) Los filamentos bipolares de miosina 11 se unen a los filamentos de actina en la malla de lamelipodios dendritica y provocan la contracción de la red. La reorientadón dirig•da por la mlosina de los filamentos de actina en la malla dendrltica forma un haz de actina que atrae más miosina 11 y contribuye a generar las fuerzas contráctiles necesarias para la retracción del extremo posterior de la célula en movimiento. (B) Se pueden aislar los fragmentos de un gran lamelipodio de un queratinocito del soma celular principal, ya sea por drugfa con una mlcropipeta o tratando a la célula con fármacos. Muchos de estos fragmentos continúan moviéndose rápidamente, con la misma organización del citoesqueleto que en el queratinocito intacto. La actina (azul) forma una malla que sobresale en el frente del fragmento. La miosina 11 (rosa) se encuentra en forma de banda, detrás. (De A. Verkovskyet al., Curr. Biol. 9:11 -20, 1999. Con la autorización de Elsevier.)

N 7 actina

~k<i~

(A)

(B)

1040

Capítulo 16: El citoesqueleto

H , C- CHr-.. /. CH H¡C-Cii '{CHOH

f

HlC \

\ CH

IIC

'

H C l •

20 ~m

La adhesión celular y la tracción permiten avanzar a las células Parece que los lamelipodios de todas las células comparten una organización básica, simple y dinámica, en la que el ensamblaje de lo<> Jilamcntos de actina c,e produce sobre todo en el extremo en avance y el desensamblaje en el extremo posterior. Sin embargo, las in teracciones entre la célula y su entomo físico normal hacen que la situación sea considera blemente má'> compleja que la de los queratinocitos de peces arrastrándose por la superficie del medio de cultivo. Un aspecto muy imponante de la locomoción es la flllima relación entre el citoesqueleto y el aparato de adhesión celular. Aunque para que se produzca cualquier tipo de arrastre es necesario un cierto grado de adhesión al sustmto, parece que las veloci dades de adhesión y de locomoción están relacionadas de forma inversa, de manera que las células muy adhesivas se desplazan más lentamente que las células con adhesión débil. Lo'> queratinocitos de peces están poco unidos al sustrato de manera que la fuerza de lapolimem.ación de actina empuja el frente de avance de manera muy rápida. Por el contrano, cuando las neuronas del alga marina Aplysia sc cultivan en un sustrato, forman grandes lamelipodios que se adhieren demasiado como para pl•rmitir el avance. rn estos larnelipodios conLinúa funcionando el mismo ciclo de nucleación localizada de nuevos fil01mentos de actina, despohmerización de los filamentos viejos y contracctón dependiente de miosina. Sin embargo, puesto que el fren te de avance uene un impedimento frsico para de&plazarse, es la red entera de actina la que retrocede hacia el cuerpo celular, empujada por miosinas (rigura 16--92). Por lo general, el grado de adhesión de 101 mayoría de las células se encuentra entre estos dos extremos, y la mayoría de lamelipodios presentan algún tipo de combinación de protuberancias de filamentos de actina en avance (como los qucraunocitos) o fluJOS reversos de actina (como las neurona!> deAplyswJ. Como los lamelipodios,los filo podios o los pseudópodos ~e despla?.an sobre un sustrato y pueden generar nuevos lugares de umón en el frente de avance que permanecen estacionarios hasta que la célul01 se desplaza, man teniéndose incluso ha~ta que el extremo

5~m

1K

0

_c(.

<f? CH,ó

HO

frente de avance de la célula

//

CH O

~NH

(D) citocalasina 8 Figura16-92 Movimiento de la parte posterior de la red de actlna de un cono en crecimiento en un lamelipodio. (A) Se ha cult1vado un cono en crecimiento de una neurona del alga de mar Ap/ys1a sobre un sustrato altamente adhesivo y se ha observado mediante microscop1a de contraste diferencial Interferencia!. Los mlcrotúbulos y los orgánulos membranosos se encuentran en el área postenor, brillante, del cono en crecimiento (izqwerda), mientras que la red de filament de actina está en ellamelipodio (dere<ha). {8) Tras un corto tratamiento con citocalasin¡ que se une a los extremos más de los filamentos de actina (véase Tabla 16-2, p. 988), la red de actlna se separa del frente de avance y la célula es empujada hacia atr {C) En el momento mostrado en B, la célula ha sido fijada y marcada con falo1d1na ligadf a rodamina para mostrar la d1stnbución de los filamentos de actina. Puede observar~ que en el frente de avance existen alguncx filamentos de actina, mientras que en la región de detrás del extremo en avance del cono en crecimiento tratado con otocalasiN está por completo desproVIsta de ellos. Obsérvese la banda punt1aguda del mov1miento retrógrado de la red de actina. (D) La compleja estructura qulmica de la citocalasina B. (A·C, por cortesfa de Paul Forscher.)

Figura 16-93lamelipodios y microe.spiN del extremo anterior de un fibroblasto humano en cultivo que está migrando. la flecha en esta electromicrografía de barrido indica la dirección que s1gue el desplazamiento de la célula. A medida que la célula avanza, los lamelipodios pierden su unión al sustrato y se enrollan sobre la superficie dorsal: un movimiento conocido como"rizado~ (Por cortesfa de Julian Heath.)

'TOESQUELETO Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR

1041

se fija a ellos. Cuando los lameHpodios dejan de estar adheridos al sustrato, se sien la superficie dorsal de la célula y son transportados hacia atrás como un "rizo" 16-93).

lA,, lugares de adhesión establecidos en el frente de avance actúan de puntos de anclalllt' permiten a las células generar tracción con el sustrato y empujar el cuerpo celular adelante. Parece que lac, fucrt.as de tracción se generan mediante protefnas motoras tipo M. en especial miosina JI. En muchas células en movimiento, la miosina n está muy conen la parte posterior de la célula donde puede contribuir a empujar el cuerpo celular .tdelante, igual que la pasta de dientes saliendo del tubo de dentífrico (Figura 16-94; vérnbién Figura 16-91 ). La ameba Dicryostelwm que no tiene miosina U es capaz de emitir ~llipodos a velocidad~ normales. pero la tmnslocación de su cuerpo celular es mucho lenta que en la'> amebas normales, lo cual indica la importancia de la contracción de la en t:!'ota parte del ciclo del movimiento. Además de contribuir a empujar el cuerpo de hacia adelante, la contracción del córtex rico en actina en la parte posterior de la cétarnbién puede debilitar selectivamente las interacciones adhesivas más viejas quemanunida la parte posterior. La mtosina 11 puede transportar componente~> del cuerpo hada adelante sobre un haz de ftlamentos de actina polarizados. '"''fuerza~ de tracción generadas por las células móviles realtt..an un empuje significa·hre el sustrato (ngurn 16-95). Ln un animal vtvo.la mayoría de las células se arrastran un sustrato ~emillexible fabricado de matriz extracelular, que puede ser deformado y por esta<; fucrt.as cPiularcs. En cultivo, el desplazamiento de los fibroblastos a de un gel de fibra~ de colágeno, alinea el colágeno, generando una matriz extracelular tt.ada que a su vez afecta la forma y el sentido dPI desplauuníento de los fibroblastos en tt·rior (Figura 16-96). Por el romr.ario, la tensión mecánica o el estiramiento aplicados rma externa a la célula provocarán el ensamblaJe de fibras de estrés y adhesiones focaICiendo que '>ca má., conrráctil. Aunque todavía no se comprende completamente, esblc interacción mecánica entre las células y su entorno físico puede ser la forma ;i\'3 en que se organizan los tejidos de los vertebrados.

n

miembros de la familia de proteínas Rho inducen anizaciones importantes del citoesqueleto de actina

L__j

S¡1m Figura 16-94Localizacl6n de mloslna t y mioslnalt durante el desplazamiento de la ameba Dictyoste/ium. En el momento de fijar esta célula, se estaba arrastrando hacia la parte superior derecha de la imagen. Se ha marcado con anticuerpos especlficos contra las dos isoformas de m1osina. La miosina t (verde) está restnngida pnncipalmente en el frente de avance del pseudópodo. en el frente celular En cambio, la míosina 11 (rojo) es más elevada en el córtex posterior neo en actina. La contracción del córtex en la parte posterior de la célula mediada por la mlosina 11 puede ayudar a empujar el cuerpo celular hacia adelante. (Cortesla de Yoshio Fukui).

lli):ración celular es un ejemplo de un proce~o que necesita comunicación y coordina dt•larga distancia emre los dos extremos celulares. Durante la migración dirigida es im_.,.une que el frente de avance de la célula sea estructural y functonalmente dhtinto que el posterior. Además de dirigir los procesos mecünicos locales como las protubeen el frente de avance y las retracciOnes en el extremo po~tcrior, el citoesqueleto es el ~m.,able de coordinar la forn1a celular, la organi7.ación ~las propiedades mecánicas. des' extremo al otro de la célula, una distancia que es típicamente de decenas de m icras 1"' células animales. En muchos casos, inclwdos aunque no limitados a la migración . las grdildcs coordinacione~ del citoesqueleto permiten establecer la polaridad celular, 1

10011m

Figura 16 95 Las células adhesivas ejercen fuerzas de t racción sobre el sustrato. Estos fibroblastos han sido cultivados sobre una lámina muy fina de silicona. La adhesión seguida de la contracción del citoesqueleto ha provocado la formación de arrugas en el sustrato. (De A.K. Harris, P. Wlld y D. Stopak, Science 208:177-179, 1980. Con la autorización de AAAS.)

1042

Capítulo 16: El citoesqueleto

Figura 16-96 Forma de la matriz extracelular durante el empuje celular. Esta mlcrografla muestra una región situada entre dos zonas del corazón embrionario del pollo (explantes de tejido ricos en fibroblastos y células musculares cardíacas) que crecieron en cultivo en un gel de colágeno durante 4 dfas. Entre ambos explantes se ha formado un conjunto de fibras densas de colágeno alineadas, resultado del desplazamiento de los fibroblastos por la matriz. (De D. Stopak y A.K. Harris, Dev. Biol. 90:383-398, 1982. Con la autorización de Academic Press.)

según la cual una célula construye estructuras diferentes con componentes moleculares distintos en el frente respecto al extremo posterior o en In parte apical respecto a la parte basal. El movimiento celular necesita una polari1..ación inicial de la célula en un sentido determinado. El control de la polariz.1ción celular también es necesario para las divisiones celulares orientadas en los tejidos y para la formación de una estructura multicelular organizada y coherente. [~tu dio!. genéticos en levaduras, mosca:. y gusanos han proporcionado la mayor parte de la información de que '>e dispone actualmente sobre las bases mole· cularcs de la polaridad celular. Los mecanismos que generan la polaridad celular en los vertebrados están siendo ahora explorados. Sin embargo, en todos los casos conocidos, el citoesqueleto desempeña un papel central y la mayoria de los componentes moleculares se han conservados a lo largo de la evolución. Para el citoesqueleto de actina, diversos receptores de la '>uperficie celular provocan rcorganu..aciones estructurales globales en respuesta a señales extemas. Pero parecl' que estas señales convergen en el interior de la célula en un grupo de GfPasas íntimamente relacionadas que pertenecen a la familla de protemas Rho: Cdc42. Rae y R/10. Parece que eMa misma familia de Rho también está implicada en el establecimiento de la mayoría de tipo~ de polaridad celular. Al igual que otros miembros de la superlamilia de Ras, estas proteínas Hho acttían como interruptores moleculares que controlan los procesos celulares c1clando entre un estado activo unido a GTP a un estado inactivo unido a GOP (véase rigura :i - 71). l..a activación de Cdc42 en la membmna plasmática comporta la polimerización de la acUna y su ensamblaje formando filo podios o protuberancias celulares cortas Uamadas mkrocspinas. La activación de Rae induce la polimeri1.ación de la actina en la periferia celular e implica la fom1ación de extensiones de lamclipodios en fonna de sábana y rizos de membrana, que son protubemncias ricas en actina en la superficie dorsal de la célula (véase figura 16-93). La activación de marcaje de actlna

marcaje de nctlna

(A) C~LULAS QUIESCENTES

(B)

(C)

(O) ACTIVACIÓN DE Cdc42

ACTIVACIÓN DE Rae

ACTIVACIÓN DE Rho

1

1

20¡¡m

Agura 16-97 Efectos drásticos de Rae. Rho y Cdc42 sobre la organización de la actina en fibroblastos. En todos los casos, los filamentos de actma han sido marcados con faloidma fluorescente. (A) Fibroblastos en ausencia de suero, que presentan filamento& de actina sobre todo en el córtex y relattvamente pocas fibras de estrés. (B) La microlnyección de una proteína Rho, constltuttvamente activada, provoca un ensamblaje rapido de muchas fibras de estrés. (C) La microinyeccíón de una prote Rae activada constitutivamente, muy relacionada con la GTPasa monomérica, provoca la formación de un lamelipodio enorme que se exttende por roda la circunferencia de la celula. (D) En cambio, la mtcromyección de una proteína Cdc42, otro miembro de la familia de Rho, provoca la protuberancia de muchos filopodios largos en la periferia celular Los diferentes efectO\ globales de las tres GlPasas sobre la organización del citoesqueleto de actina están mediados por la acción de docenas otras moléculas proteicas reguladas por e GTPasas. Muchas de estas proteínas dtana incluyen algunas de las diversas prote1nas asociadas a la actina descntas en este capítulo. (De A. Hall, SCJence 279509-514, 1998. Con la autorízación de AAAS.)

ITOESQUELETO Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR

1043

induce el e nsamblaje de fibras de actina y de filamentos de miosina U en las fibras de es\· la clusterización de las integrinas y de proteínas asociadas formando los contactos fo11-lgura 16--97). Estos cambios estructurales dramáticos y complejos se suceden a que cada uno de estos t:res interruptores moleculares tiene numerosas proteínas que afectan la dinámica y la organi7..ación de la actina. o\lgunas dianas clave de Cdc42 activado son miembros de la famil ia de proteínas WASp. ·ntes humanos deficientes en WASp sufren el síndrome de Wiskott-Aldrich, una inmu-..Jt·lkiencia grave en la que las células del sistema inmune tienen un movimiento anordt•pendiente de actina y las plaquetas no pueden formarse de forma adecuada. Aunque 'ólo se expresa en las células de la sangre y del sistema inmune, otros miembros de la tienen una expresión más ubicua que permite a Cdc42 activado incrementar la poli.lón de actina. Las protefnas WASp pueden existir en una conformación plegada y una conformación abierta activa. La asociación de (,IJ> a Cdc42 estabiliza la forma de WASp, permitiéndole su unión aJ complejo ARP y aumentando considerablemen,u.:lividad nucleadora de actina de este complejo (véase Figura 16-34). De esta forma, la . .1\·adón de Cdc42 aumenta la nucleación de actina. "••c-GTP tamb1én activa a los miembros de la familia de WASp y así induce la actividad :llün de la proteína formadora de geles filamina. inhibe la actividad contráctil de la promotora míosina n, estabiliza los lamelipodios e inhibe la formación de las fibras de esnntráctiles (Figura 16--98A). l.a proteína Rho-GTP tiene un conjunto muy diverso de dianas. En vez de activar aJ -.,plt•jo ARP para formar redes de actina, Rho-GTP puede activar las forminas para conshac:es paralelos de actina. Al mismo tiempo, Rho-GTP activa una proteína quin asa que tamente inhibe la actividad de cofilina, conduciendo a la estabilización de los filade actina. La misma proteína quinasa inhibe una fosfatasa que actúa sobre las caligeras de miosina (véase Figura 16-72). El co nsiguiente incremento de la cantidad tlt• fosforilación de la cadena ligera de miosina aumenta la cantidad de míosina cone induce la formación de e~tructuras dependientes de tensión taJes como las fibras de . !Figura 16-988). En algunos tipos celulares, Rac-Gl"P activa Rho, habitualmente con una cinética mu~lii'> lenta que la activación del complejo ARP por Rae. Esto le permite a la célula utilizar de Rae para construir nuevas estructuras de actina que activa de forma secuencial la Hho induciendo contractibilidad que permite incrementar la tensión en esta estruclhte proceso se produce, por ejemplo, durante la formación y maduración de los concélula-célula. Como exploraremos con más detalle más adelante, la comunicación las vías de Rae y de Rho ta mbién facilita el mantemmJCnto de las grandes diferencias •~ten e ntre el fren te celular y e l ex'tremo posterior de la célula durante la migración.

~ ~ fam11ia WASp

¡

1 PAK

!

MLCK

'yM '

1

ARP filamina actividad (nucleador de (entrecruzador m1osina ramificación) de redes) (disminuida)

l

l

red de actina ram1ficada en los lamelipodios

l

\

Rho qu1nasa (ROO()

1

LIM

qur

sa

cofllina

menor formación de fibras de estres

forminas

'yMLC

J

~sfatasa

!

MLC(P)

actividad de m1osina (aumentada)

crecimiento de los haces de actina

l

l

más fibras de estrés

l (B)

agrupamiento de mtegrinas y formación de adhes1ones focales

Figura 16-98 Los efectos contradictorios de la activación de Rae y Rho en la organización de actina. (A) la activación de la pequeña GTPasa Rae comporta la nucleaclón de actina por el complejo ARP y otras alteraciones en proteínas accesorias de la actlna que favorecen la formación de redes de actina, como los lamelipodios. Otras vías diferentes contribuyen de manera independiente. Rac·GTP act1va m1embros de la familia de proteínas WASp, que a su vez activan la nucleaclón de actina y la formación de redes ramificadas por el complejo ARP. En una vía paralela, Rac-GTP activa una proteína quinasa, PAK, que tiene distintas dianas que incluyen la proteína entrecruz.adora y formadora de redes filamina, que se activa mediante fosforilación, y la quinasa de la cadena ligera de la mlosina (MLCK), que se lnh1be mediante fosforilaclón. la disminución en la fosforilación de la cadena ligera reguladora de la miosina comporta el desensamblaje del filamento de miosina ll y una disminución de la actividad contriktil. En algunas células, PAK inh1be también de forma directa la actividad de la miosina 11 mediante fosforilación de la cadena pesada de la miosina (MHC). Otro conjunto de vías por debajo de la activación de Rae están mediadas por señales lipldicas tipo fosfat1dlllnos1tOI la formación local de PIP2 (PI(4,5)P21 contnbuye a la reducción de la act1v1dad de la proteína formadora de casquetes y ayuda a la polimerización de actina. la activación de la P13-quinasa que produce PIP3 a partir de PIP2 1mplica una posterior act1vación del propio Rae; este fenómeno genera un ciclo de retroalimentación pos1t1vo. (B) la activación de la GTPasa relacionada Rho supone la nucieación de los filamentos de actina mediados por las forminas y aumenta la contracción por miosina 11, promoviendo la formación de haces contráctiles de actma tales como las fibras de estrés. La activación de la mios1na 11 med1ada por Rho neces1ta una proteina quinasa dependiente de Rho, llamada Rock. Esta qUinasa inhibe a la fosfatasa que libera los grupos fosfato activados de las cadenas ligeras de la mlosina 11 (MLC); puede fosforilar directamente a las cadenas ligeras de miosina en algunos tipos celulares. Rock también activa a otras proteínas quinasa como por ejemplo la LIM qUinasa, que a su vez contnbuye a la formación de los haces estables de actina contráctil mediante inhibición de la cofilina, el factor despolimerizador de actina. Para formar el anillo contráctil necesario durante la citocinesis es importante una vla de señalización similar (véase Figura 17-52).

1044

Capít ulo 16: El citoesqueleto

Algunas señales extracelulares pueden activar a los tres miembros de la familia de proteínas Rho La activación de las GTPasas monoméricas Rho, Rae y Cdc42 se produce por un inrercambio entre un GTP y una molécula de GDP fuertemente unida, catalizado por un factor inrercambiador de nucleólldos de guanina (GEF: gua11idine excllangefactor). De los 85 GEF identificados en e l genoma humano algunos son espedficos para un miembro concreto de La familia de Rho, mientras que parece que otros actúan sobre los tres miembros de la familia. El número de GEF supera al número de Gl Pasas de Rho puesto que algunos GEF están restringidos a tejidos especfncos, incluso tienen localizaciones subcelulares concretas, y son sensibles a distintos tipos de set'lales reguladoras. Diversos receptores de la superficie celular activan a los GEE Un ejemplo es el receptor tirosina quinasa de Eph 1mplicado en el crecimiento neural que se describe con detalle en el Capítulo 15. Sorprendentemente, algunos miembros de la familia de GPF de Rho se asocian con los extremos de los microtubulos en crecimiento uniéndose a uno de los+TlP. Esto proporciona una conexión entre la dinámica del citoesqucleto de microtúbulos y la gran organización del citoesqueleto de actina, importante para la integración total de la forma y el movimiento celular. Las GTPasas de la familia de Rho también son los determinantes primarios de la polaridad celular en la levadura. Los análisis en este campo han aumentado nuestra comprensión de los mecanis mos generales implicados. Durante los periodos de falta de alimento, las levaduras, igual que muchos otros organismos unicelulares, producen esporas. Sin embargo la esporulación puede producirse sólo en las células de levadura diploides miemras que la proliferación es exclusiva de los organismos haploides. Un individuo haploide tiene que locali?..ar a una pareja de apareamiento opuesto y aparearse con él antes de la esporulación. !.as células de levadura son incapaces de nadar y tan1poco llegan a sus parejas mediante crecimiento polarizado. La forma haploide de la levadura dispone de dos tipos de apareamiento, a y a, que secretan factores de apareamiento conocidos como factor a y factor a respectivamente. Estas moléculas set'lalizadoras se unen a receptores de la superficie celular que pertenecen a la ~uperfamilia de receptores acoplados a proteínas G (descritos en el Capitulo 15). Una consecuencia de la unión del factor a a su receptor es la polaril'..ación de la célula receptora que adopta una forma que se conoce como '\hmoo" (flgura 1~99). En presencia de un gradiente de factor a, el extremo a de la célula shmoo se dirige hacia la concentración más alta de la molécula señalizad ora y esto, bajo circunstancias normales, la conducirá hacia una amorosa célula a situada en un lugar próximo. Este crecimiento celular polarizado requiere una alineación del citocsqueleto de acuna como re!> puesta a la señal del factor de apareamiento. Cuando la senal se une a su receptor, el receptor activa a Cdc42, que u su vez induce el ensamblaje de los mamemos de actina en un lugar próximo a la fuente de la ser1al. La activación local de Cdc-12 '>e incrementa después mediante un anillo de retroalimentación positivo, que necesita de un tran ~porte dependiente de actina para Cdc42 y para sus Gl:F, a lo largo de las estructuras de acuna ensan1hladas de nuevo hacia los lugares de la serial. Por consiguiente, los cables de actina se ensamblan apuntando hacia el lugar de acumulación de Cdc42 debido a la activación de otro miembro de la familia de Rho que a su vez t.'l.limula a la formina de la levadura. Los cables de actina actúan de vfas para el transporte dirigido y la exocitosis del material de pared de la nueva célula, induciendo el crecimiento polari?..ado del extremo denominado shmoo (Figura 1 ~1 00). Las células de levadura haploides utili?..aJlla misma maquinaria de polari7..ación durante el crecimiemo vegetativo. Para formar la yema que crecerá hasta convertirse en una célula hija, la levadura tiene que dirigir su membrana plasmática de nueva srmesis y el material para la pared celular hasta una localiz.acrón concreta. Igual que en la formación de shmoo, este proceso requiere un citoesqueleto con una determinada polaridad y con la mayoría de parches de actina en la yema en crecimiento y los cables de actina orientados a lo largo del eje de la yema. En las células haploides. se construye un nuevo lugar de gemación siempre adyacente al lugar de gemación previo. En este caso, las orientaciones espaciales que establecen la polaridad del citoesqueleto son imrfnsecas a la célula, dejada previamente por otras rondas de división celular. Cdc42 está de nuevo implicado en la transducción de la señal desde el sitio de gemación hasta el citoesqueleto y la mayoría de proteínas impticadas en las vfas, tanto por arriba como por abajo. se han identificado mediante experimentos genéticos. Después de su identificación en las levaduras, se han encontrado homólogos de la mayoría de ellas en otros organismos, donde a menudo están implicados en el establecimiento de lapolaridad celular.

••

(A)

'"\.~

.. (.... , ''·./,, (·, (f:t . ..:.::1 '

.

\

·.'{

'

"

·:::~

(B)

(0 Figura 16-99 Polarización morfológica dt las células de levadura como respuesta al factor de apareamiento. (A) Normalmente las células de Soccharomyces cerevis1ae son esféricas. (B) Se polarizan cuando se tratan con un factor de apareamiento. Las células polarizadas se llaman "shmoos~ (C) El Shm« original, famoso personaje de cómic de Al Capp. (A y B, cortesra de Michael Synder, C, © 1948 Capp Enterprises, lnc. usado bajo autorización.)

JTOESQUELETO Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR

1045

factor de apareamiento

() Rho

-·~

WASp

¡

formina

~ formación de cables de actina

~ exocitosis polarizada y formación de "Shmoo"

polimerización de actina

ales externas pueden dictar la dirección de la migración celular nmiotaxis se define como un desplazamiento celular en un sentido, controlado por un .. nte de una sustancia química que difunde. Este es un caso particulannente interesano•) que diferentes señales externas activan las proteínas de la familia de Rho para estar una gran polaridad celular que va a influenciar la organización del sistema necesario ),, motilidad celular. Un ejemplo muy bien estudiado es el desplaY..amiento quimiotáclo- un tipo de células sanguíneas, llamadas nellfrójilos, hacia una fuente de infección rt;ma. Unas protefnas receptoras situadas en su superficie permite a los neutrófilos de' 'nncentraciones muy bajas de péptidos N-formilados, derivados de las proteínas bac•·1'> (sólo los procariotas e mpiezan la sfntesis proteica con una N-formUmerionina). In estos receptores, los neutrófilos son guiados hacia las dianas bacterianas gracias a su •dad para detectar diferencias de concentraciones de sólo un 1% d e estos péptidos di¡,.,, entre un lado de la célula y el otro (Figura 16-1 01). 1.11\tO en este caso como en el similar de la quimiotaxis de la ameba Dictyostelium hacia h~t•me de AMP dclico, se produce una polimerización local de actina cerca de los re"'' a los que se ha unido su ligando. l::sta polimerización de actina depende de GTPasas t.unilia Rho, que ya hemos descrito. Como en la levadura "shmoo" (véase Figura 16-99), lula responde extendiendo una protuberancia hacia la señal. Para las células quimio"· la unión del ligando a su receptor acoplado a una protefna G activa la fosfatidJiino1 quinasa CPJ3K: pfwsp/zatidilinosito/3 kinase), que genera una moléculas señalizado m ,,. lipídica (Pf(3,4,5)P3 ), que a su vez activa la GTPasa de Rae. Enton ces Rae activa el •h·¡o ARP y se produce la formación de Jamelipodios (véase Figura 16-98). A través de ,., anismo desconocido, la acumulación de una red de actina polari7..ada en el frente de ,. puede provocar un incremento de la actividad de Pl3K produciéndose un anillo de alimentación positivo que comporta la formación de más protuberancias. El PI(3,4,5)P3 • ti va Rae no puede difundir muy lejos de su lugar de síntesis puesto que es transforr·on rapidez en PIP2 por una fosfatasa de lípidos constitutivamente activa. Al mismo

Figura 16-101 Polarización y quimiotaxis de los neutrófllos. G rct TGTA El extremo de la pipeta, a la derecha de la imagen, está liberando una pequeña cantidad del péptido formii-Met-Leu-Phe. Sólo las proteínas bacterianas presentan residuos de metionlna formilados, de forma que los neutrófilos humanos reconocen estos péptidos como el producto de un invasor (se describe en el Capitulo 24). El neutrófilo extiende rápidamente un nuevo lamelipodlo hacia la fuente de péptido (superior). Entonces extiende este lamelipodio y polariza su citoesqueleto de forma que la miosina 11 contráctil se localiza en la parte posterior, en sentido opuesto al lugar dellamellpodio (medio). Por último, la célula se arrastra hacia la fuente de este péptido (inferior). Si en lugar de la pipeta, la fuente del péptido fuese una bacteria real, el neutrófilo la fagocitaría y la destruiría (véase también la Figura 16-4). (De O.D. Weiner et al., Nat. Ce// Bíol. 1:75-81 , 1999. Con la autorización de Macmillan Publishers Ltd.)

Figura 16-100 Vía de señalización del factor de respuesta de apareamiento en la levadura. El factor de apareamiento extracelular se une a un receptor ligado a proteína Gen la membrana plasmática. La activación del receptor comporta la disociación de la subunidad Ga-unida a GTP de la proteína G heterotrimérica (tratado en el Capitulo 15). Este hecho, a su vez. activa la proteína Cdc42 de la familia de proteínas unidas a GTP Rho. Como en las células de mamífero, Cdc42 activa una proteína WASp que activa el comple¡o ARP. que permite la nucleación local de actina en el lugar de unión del factor de apareamiento. La nucleación local de actina y el crecimiento del filamento generan un ciclo de retroalimentación positiva en el cual la actividad de Cdc42 aumenta de forma progresiva. Esto implica la activación de Rho y formma y finalmente la formación de cables de actina, un crecimiento polarizado y, la adquisición, de la forma shmoo. Además, la activación del receptor comporta otras respuestas a través de la cascada de MAP-quinasas {descrito en el Capítulo 15), preparando a la célula haploide para el apareamiento (no se muestra).

L__j

Sflm

1046

Capítulo 16: El dtoesqueleto

• • quimioatrayente f--•,· Rho

1inaR polimerización

\

(protuberancía)

/ - - -G12113

J •

• • • •

• bacteria

. •

• •

parte posterior

tiempo. la unión del ligando quimiotactico a su receptor activa otra vía 'ei1alizadora que Implica a Rho e incrementa la contractibilidad basada en actina. Los dos procesos '>C inhiben mutuameme y el resultado es que la activación de Rae domina en el frente de la célula míen· tras que la acllvación de Rho domina en la parte posterior (Figura 16-102). Este mecanismo permite a la célu la mantener su polaridad funcional con protubemncias en el frente de avance y contracciones en la parte posterior. La dirección de la migrac1ón celular también puede estar influenciada por ~ustancias químicas no dífusible~ unidas a la matriZ extracelular o a la superficie de las ct:lulas. La activa<.ión de recepto re~ por estas se1íalcs puede provocar. además de una polimerización dirigida de actina, un incremento de la adhesión celular. La mayoría de los desplazamientos largos de las células animales, incluyendo la migración de las células de la cre<;ta ncural y los mO\nmientos de los cono.., neuronales. dependen de una combinación de seiíales difusibll•s y no difusiblcs. que transportan a la~ células móviles o a los cono!> en rrecimiento hacia los lugares apropiados de desuno (véase Hgura 15-62).

La comunicación entre el citoesqueleto de microtúbulos y el de actina coordina la polarización y el movimiento de las células Para colaborar en la organización de un desplazamiento persistente en w1a dirección determinada, las célula~ utilizan sus microtubulos junto con sus filamentos de actina. F.n muchas células móviles. la posición del centro~oma está influida por la localización de la polimeri zación protuberante de actina, que -;e encuemra en la parte posterior del núcleo. Fl mecanhmo de reoricntadón del centrosoma no e'itá claro, aunque existen evidencias de que C:dc42 podría e5tar implicado. Se cree que la activación de receptores en un extremo de la ce lula podrfa no sólo e:.timular allr la polimerización de a<. tina (y por tanto la protuberancia loca)) sino también aclÍ\'ar de forma local a las prmefnas motoras tipo dineína que de!.plazarfan el centro!>oma empujando los microtúbulos. Algunas proteínas efectoras por dehajo dl• Rae y Rho modulan dl' forma tlirecta la dinámica de los m 1crotúbulos. Por ejemplo, una proteína quina.,a activatla por Rae put•de fosforilar y, por tanto, inhibir. la protefna de unión a tubulina. cstatmina (véase Panel 16-3, pp. 994·995). desestabilizando los microtúbulos; en cambio, la activación de Rho podría estabilizarlos. A MI vez. la dimlmica de los mkrotúbulos influencia las reorganizaciones de actina. El centrosoma nuclca un gran número de microtúbulos dinámicos~ su cambio de posición inclica que muchos tienen sus extremos más extendiéndose desde el cemrosoma hacia la reglón protuberante de la célula. Los extremos más muy dinámicos indirectamente pueden modular una adhesión local y activar las GTPasas de tipo Rae que activarán la polimeriza· ción de actina en la región protuberante mediante la transferencia de Rae-GEl; que se unen a los+TIP viajando en los extremos de los microrúbulos en crecimiento. El aumento de la concemración de los microrúbulos favorecería posteriores protuberancias, creando una retroalimentación positiva que pcrmitirfa mantener el desplazamiento en el mi5mo sentido dumme un periodo prolongado. Además de este mecanismo. la orientación del centrosoma parece rcfor;ar la infommción de la polaridad que el ciroesqueleto de actina recibe del mundo exterior y posibilita una respuesta sensible a señales débiles. Un metanismo cooperativo parecido a éste actúa en muchos otros ca~os de polarización celular. lJn ejemplo en particular interesante es la muerte de células diana determinada por los linfocitos T. Estas células son un componente crítico tle la respuesta adaptativa

Figura 16-102 Señalización durante la polarización de un neutrófilo.las bacteria que Invaden el cuerpo humano secretan moléculas que son reconocidas como ajen.t por el sistema Inmune, incluyendo a los neutrófilos. La unión de las moléculas bacterianas a un receptor acoplado a prote1na G en la superficie del neutrófilo estimula un movimiento dirigido. Estos receptores se han encontrado por toda la superficie celular, pero la unión al ligando bacteriano se produce más facílmente en el frente Dos vias de señalización distintas contribuyen a la polarización celular. En el frente de la célula, cerca de la fuente de la señal bacteriana, la est1mulación de la via de Rae comporta. mediante la acción de UN proteína G trimérica. Gl, el crecimiento de redes protuberantes de actlna. Algunos segundos mensajeros de esta vía son de media corta, de forma que la protuberancll está limitada a la reglón celular próxima al estimulo. El mismo receptor estimula también una segunda vía señalízadora, a través de las proteínas G tnméricas G12 y G (señaladas como G12/13), que conduce a 11 activacion de Rho. Las dos vias se excluyen mutuamente. Puesto que la protuberancia dependiente de Rae es activa en el frente celular. Rho se activa sólo en la parte posterior, estimulando la contracción del extremo posterior celular y favoreciendo el movimiento dirigido. Para un ejemplo real la eficiencia de este sistema de señalízadÓI\ véase Figura 16-4

ITOESQUELETO Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR

1\·

·~)'

;-

.

(A)

señal localizada

célulaT

~-

"'"' !:[: diana

""

~

~~~ /

~ ,

polimerización localizada de actina en ambas células

1047

{~ .~t ...

formación de sinapsis Inmunológicas

"

me de los vertebrados a la infección por vin1s. Las células T, igual que los neutrófilos, m un movimiento basado en actina para desplazarse a través de los tejidos del cuerpo .untrar a las células diana infectadas. Cuando una célula T entra en con tacto con una cénlectada por virus y sus receptores reconocen a los antfgenos virales como extraños. la 11.1 maquinaria de polarización se activa de forma muy diferente para facilitar fa muerte célula diana. Rat· se activa en el lugar del contacto célula -célula, provoca la polimeuín de actina en este lugar y genera una región especializada del córtex. Este lugar iafizado provoca la reorientación del centrosoma, desplazándose junto con sus micro•los hacia fa zona de contacto entre la célula diana y la célula T (Figura 16-103). Entonces lirrotúbulos colocan al complejo de Golgi debajo de la zona de contacto, apuntando la ptinaria "asesina~ hacia la célula diana. El mecanismo de fa muerte celular se describe en pitulo 25 (véase Figura 25-47).

compleja especialización morfológica de las neuronas pende del citoesqueleto tuno caso de formas en que las propiedades inltínsecas del citoesqueleto eucariota pern grandes comportamientos celulares específicos y enormememe complicados son fas nnas. En el embrión, las neuronas nacen como células poco importantes, que utilizan d.1mentos de actina para migrar hacia sus localizaciones específica~. Sin embargo, una tlll, envían hacia el exterior una serie de extensiones celulares largas y especializadac; que p•·nnitirán recibir señales eléctricas (dendriras) o transmilir estas señales hacia células '·' (axones). 1\( :C La preciosa y elaborada ramificación morfológica de los axones y de l••ndritas pcnnite a fas neuronas formar redes de señalización altamente complejas e in' tuar con muchas otras célula!> de forma simultánea y hacen posible el complicado y a •udo impredecible comportamiento de los animales superiores. Ambos tipos de exten,..~ celulares (Llamados colectivamente neuritas) están repletas de haces de microtúbulos, 'on críticos tanto para su estructura como para su función. 1 n los axones, todos los microtúbulos están orientados en la misma dirección, con sus ··mos menos apuntando hacia la parte posterior del soma celular y sus extremos más di"lo~ hacia el terminal axonal (Figura l 6-104). Cada microrúbulo no va desde el soma ce' hasta el axón terminal; por lo general cada uno de ellos no tiene más de unas cuantac; •as de longitud, pero grandes cantidades de ellos están organizados en haces super.,los. Este conjunto de microtúbulos perfectamente alineados funciona como una pista t.msporte para pro1efnas específicas o para vesículas que contienen proteínas y mRNA 1.1 los axones terminales donde se forman y mantienen las sinapsis. El axón más largo del •nismo se forma en la base del cordón espinal hacia el extremo del dedo gordo del pie y ,· más de un metro de longitud. ¡;ste largo viaje en este sentido (anterógrado) lo realizan mitocondrias, un gran número uoteínas específicas empaquetadas en vesículas de transporte yvesfculas sinápticas preoras. Son transponadas mediante proteínas motoras de la familia de las dineínas dirigihacia los extremos más de los microtúbulos, que pueden despfazarlac; cerca de un metro 1.1 dos o tres días. Este transpone es mucho más eficaz que la difusión, ya que ésta tardarfa uximadamente algunas décadas en desplazar una mitocondria a esta distancia. Muchos mbros de la superfamilia de las quinesinas contribuyen a este trallSporte a.xonal a!ller6lo, transportando conjuntos especfficos de orgánulos rodeildos de membrana a lo largo m microtúbulos. La gran diversidad de proteínas motoras de la familia de las quinesinas

10 ¡¡m

Figura 16- 103 Polarización de una célula T dtotóxíca tras el reconocimiento de una célula diana. (A) Cambios en el citoesqueleto de una célula T cltotóxica después de entrar en contacto con una célula diana. El reconocimiento comporta la aparición de señales que causan la polimerización de actina en ambas células, en el lugar de contacto. En la célula T, las interacciones entre las zonas de contacto ricas en actina y los microtubulos procedentes del centrosoma, provocan la reorientación del centrosoma, de forma que el comple¡o de Golgl asociado se coloca adyacente a la célula diana. (B) Micrograffa obtenida por lnmunonuorescencia en la que la célula T (superior) y su célula diana (infenor) han sido marcadas con un anticuerpo contra los mícrotubulos. En la célula T. el centrosoma y los microtubulos que irradian a partir de él estan orientados hacia el punto de contacto de ambas células. Al contrario, en la célula diana el haz de microtubulos no está polarizado. (B, reproducida de B. Getger, D. Rosen y G. Berke, J. Ce// Biol. 95:137143,1982, con la autorización de The Rockefeller Untverstty Press.)

1048

Capítulo 16: El citoesqueleto

• vesícula un1da a dmelna • vesícula unida a quinesina microtubulo (A)

FIBROBLASTO

(8)

1NEURONA

usada~ en el tran~porte axonal sugiere que además del desplazamiento, pueden estar implicadas en dirigir su carga hacia estructuras cspedfica~ cerca del final o a lo largo de In vfa y tamb1én en el desplazamiento de la carga. Simultáneamente, los componentes viejos de los axones vuelven hacia el soma cl'lular para ~u degradación y reciclaje mediante un tmllsporte axo11al retrógrado. Este tramporte w produce a lo largo de Jos mismos microttíbulos orientados y está producido por la dineína citoplasmática, proteína motora que se dirige hacia los extremos menos. El transporte retrógrado también e~ crítico para comunicar la presencia de sctiales de crecimiento)- supervivencia recibidas en el nervio hacia l'lmicleo, para influenciar la expresión génica Una forma de ncuropatía periférica humana, la enfermedad de Charcot-Marie-Tooth, está provocada por una mutación puntual en un miembro de la familia de las quinesinas que transporta los precursores de las vesículas sinápticas hacia los axones. Otros tipos de enfermedades neurodegcnerativas como el ALIJ1cimer pueden en parte estar provocada., por interrupciones en el tr<ifico neuronal; como se indicó anteriormente, el precursor amiloide de In proteína .\PP es parte de un complc¡o proteico que funciona como receptor para la unión de la quincsina-1 a otras vesículas de tr'Jn<,porte axonal. La estructura de los a.xones depende tanto los microtúbulos axonales como de In con tribución de los orros dos sistemas principales del citoesqueleto: los lilamentos de actina y los filamentos intem1edios. Los filamentos de actina rodean el córtex del axón, jm.to debajo de la membrana plasmática. La~ protcfnas motoras basadas en actina como la miosina V también !>On abundantes en lor. axones, quizás para ayudar a desplazar los materiales, aunque se desconoce cuál e'> su función exacta. Lo~ neurofilamentos, filamentos intermedios especializ.ados de las células nerviosas, proporcionan el '>Opone estructural más importante de los axones. Una rotura de la cMructura de los neuroftlamcmos o del cntrecmzamiento de las proteínas, que unen los neurofilamentos a los microtúbulos y a los filamentos de actina distribuido'> a lo largo del axón, puede provocar una desorganit.ación axonal y finalmente una degeneración axonal La construcción de la elaborada arquitectura ramificada de las neuronas durante el desarroUo embrionario necesita del movimiento basado en actina. Como ya se seiialó. los extremos de los axones en crecimiento y l a~ dendritas !>e extienden a través de un COIW de cn>eimiento, una estructura móvil especiali7..ada rica en actina (llgura 16-105). La mayoría de conos de crecimiento neuronales producen filopodios y algunos también lamelipodios. La fom1ación y estabilización de los filopodios del cono de crecimiento es mu:t sensible a las variaciones ambientales. Algunas células secretan protefnas solubles, como por ejemplo la netrina, para atraer o repeler a los conos de crecimiemo. f:sro modula la estructura y movilidad del cono en crecimiento alterando e l balance enrre la actividad de Rae y la de Rho en el frente de avance (véase Fibrura 15 -62). Además existen marcadores que los gufan a lo largo del camino, adheridos a la matriz extracelular o a la superficie de las células. Cuando los filopodios encuentran estos "puestos guía" en su exploración, rápidamente forman contactos adhesivos. Se cree que un colapso dependiente de miosina de la red de actina en la parte no estahili7..ada del cono de crecimiento provoca que el axón en desarroUo efectúe un giro hacia el puesto guía. Asf pues, una combinación compleja de señales positivas y negativas, tanto solubles co· mo insolubles, gtúan el cono de crecimiento hacia su destino final. Los micro tú bulos refuer-

Figura 16-104 Organización de los mlcrotúbulos en fibroblastos y neuronas (A) En un fibroblasto, los microtúbulos irradian del centrosoma, situado en el centr de la célula. las vesículas con los extremos más asociados a la quinesina se mueven hacia el exterior, mientras que las vesícula~ con los extremos menos asociados a dínefní se desplazan hacia el interior. (B) En una neurona la organización de los microtúbulot es más compleja. En el axón, todos los microtubulos tienen la m1sma polaridad, con los extremos más apuntando hacia el exterior del axón Níngun microtúbulo cut la long1tud entera del axón; de hecho, las vias para el ráp1do transporte axonal están constituidas por pequenos segmentos superpuestos de microtúbulos paralelos. En las dendritas, los mlcrotubulos tienen polaridades mezcladas, de forma que algunos extremos más apuntan al exteri01 y otros hacia el interior

ITOESQUELETO Y EL COMPORTAMIENTO CELULAR

101Jm

1049

1011m

J.,~ decisiones direccionales tomadas por las estructuras ricas en actlna e n el frente de u t' del

cono de crecimiento. Los microtúbulos de los haces paralelos del axón, justo deh·l cono de crecimiento, están creciendo constanteme nte hacia el interior del cono y .mdose en la parte posterior por inestabilidad dinámica. Las sei1ales adhesivas que sirven u a está n relacionadas con los extremos d inámicos de los mícrotúbulos, de forma que ulcrotúbulos que crecen e n la dirección correcta están estabilizados contra su descnhla¡e. De esta forma, detrás del cono queda un axón rico en microtúbulos, que marca el 1110 por donde ha viajado dicho cono de crecimiento. l'or lo general, las dendritas son proyeccione..~ más cortas que los axones y reciben se'mápticas en lugar de haberse especializado en enviarla<; como los axones. Todos los '' 1tubulos en las dendritas están dispuestos en paralelo unos con otros, y con sus polari,., mezcladas, de forma que algunos tienen sus extremos más apuntando hacia los mos de las dendritas, mientras los de otros apuntan hacia e l cuerpo celular. De todas 1.ts, las dendritas también se forman como resultado de la actividad de un cono de u mento. Asf pues, el crecimiento de los conos en los extremos tanto de axones como de tintas crea la morfologfa compleja y altamente individualizada de cada tipo de célula runalmadura (Figura 16-106). \unque las neuronas del sistema nervioso central son célu las de vida larga, esto no sig.a que sean estáticas. Las sinapsis se forman constantemente, aumentan, dis minuyen y o·liminadas mientras el cerebro aprende, evalúa y olvida. Imágenes de alta resolución de tructura de las neuronas del cerebro han revelado que la morfologfa neuronal sufre dl'naciones constantes mientras se forman y rompen las sin a psis (Figura 16-107). Se · 'lue estas reorganizaciones dependientes de actina son crfticas en el aprendizaje y en la muria de larga duración. De esta forma, el citoesqueleto proporciona la máquina para or1strucción de todo el sistema nervioso y de las estructuras de soporte que refuerzan, esltzan y mantienen sus componentes.

axón (desde menos de 1 mm hasta 1 m de longitud)

las dendritas redben las sellales sinápticas

2s--;;-'m

ramificaciones terminales del axón que hacen sinapm en las células d1ana

Figura 16-1 OS Crecimiento de los conos neurales. AAGA. (A) Electromicrografía obtenida con el microscopio electrónico de barrido de dos conos en crecimiento en el extremo de una neurita, procedente de una neurona simpática de pollo mantenida en cultivo. En este caso, previamente, un cono sencillo en crecimiento ha sido fragmentado en dos mitades. Obsérvese la gran cantidad de filopodlos existentes y el gran lamelipodio. La forma tirante de la neurita es debida a la tensión generada por el desplazamiento anterógrado de los conos de crecimiento que son los que a menudo fijan los puntos de adhesión del axón con el sustrato. (B) Electromlcrografla obtenida con el microscopio electrónico de barrido de un cono en crecimiento de una neurona sensonal arrastrándose por la superficie interna de la epidermrs de un renacuajo de Xenopus. (A, de D. Bray, en Cell Behaviour [R. Bellairs, A. Curtís y G. Dunn, eds.]. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1982; B, de A. Roberts, Brain Res. 118:526-530, 1976. Con la autorización de Elsevier.)

Figura 16-106 La compleja arquitectura de una neurona de un vertebrado. Esta neurona procede de la retina de un mono. Las flechas indican el sentido en el que viajan las señales eléctricas a lo largo del axón. En el cuerpo humano, las neuronas más largas y más grandes se extienden hasta distancias de cerca de 1 m (1 millón de Jlm), desde la base de la cuerda espinal hasta la punta del dedo gordo del pie, y tienen axones de un diámetro de 1S Jlm. (Adaptado de B.B. Boycott, en Essays on the Nervous System [R. Bellairs y E.G. Gray, eds.). Oxford, UK: Clarendon Press, 1974.)

1050

Capítulo 16: El citoesqueleto

..

6~

~· -'·~: .. ·~--

¡ -"": .. . . .

.

'•(

. '

.. 1

.

~

. /"/

.•

t•empo en mmutos

Resumen Dos tipos dt•estructuras especia/iuulns tlifen•mes en las cl!lulflS eurnrioll/s e.Htín fomuulas fJOr haces de prorefnn.s motoras muy ordenadas que se despla..:nn a lo largo de las r•ia.1 dt• fila memos estabi liuulos. L/ sistema miosina-actina de los ~lrcómt•ros fX'nniw la contracción de tlil'ersos tipos de mli."t·ulo.1. incluyendo el esquelético. el liso y el mtisculo cardiaco. El sistema microtlibulos dinefnn del axonmw permite el batido de los cilios .VIIIS ondulaciones de los flagelos. Los mot~imiemos globales, las formas a gran eRala y la estrucwra de las céluúl.lllece.lifll/1 de la actillitlad coordin(l(/a dl• los tres tipos de jilamento.\ básicos .V de la acti 11itkul dt• u na gran r•ariedlld de proteínas acc1•sorías del ciroesqueleto, incluyendo /m protefnas motorm•. Durame fll divüión celular; las frmriones de/lwso mitótico formado f10r microtlilmlos necesitan de una cooperación temporal y espocial emn•los fllamemos diruimicos del citoesqul'leto, protefnas motoras actil1as mo· leculllnnente y una graniJ{lriedlld de facton•s acce.1orios. El desplazamiento de ltl!i células -un com portamic/1/o muy extendido e importalile t'n el desa"ollo em/Jrio/Jario, en la cicatrización di' heridas, en el mamenimiento de los tejidos y en el frmcionamit•nto del sistema inmrme e11 los ani· mate~ mlultos- l'S otro ejemplo de Úl!i acciom•s coordinadas y complejas tlel citoesqueleto.l'ara que una célula se desplace, debe generar y mantene1 ww polaridlltl estmctuml general. que esrá in flwmciada por se11ales externas. Ademtis. la célula tiene que coordinar protuberancias en elfrt'llle de Ol'llllce (eiiSamillando nuel'os filamentos de actina). adhesión ell In parte nue11a de unió11 de la célula con el sustrato, tracción metliame motort's moleculllres ¡JOra IT!traer el corplisculo celular y tli'se11Slll11blaje tic los contactos célula·SIIStmto ya establecidos. Células compleja.\ como las neuronas, nece..1itan del eiiSflmblaje coordinado de microwlm/os, neurofilammtos (ji/amemos intermedios neuronales) yjilame11tos dt• actina,asf como de /11 arción dt• docetulS de motores moleculares alcame11te esp«ializntlos pora transportar los componentes sub· celulares a S liS lugart's de destino.

Figura 16-107 Cambios rápidos en la estructura de las dendñtas en el cerebro d e un ratón vivo. (A) Imagen de neuronas COrticales en un ratón transgénico qu• ha sido generado para expresar la proteina fluorescente verde en un pequeño numero de sus células cerebrales. Se pueden observar cambios en estas neuronas y en sus proyecciones durante meses usando microscopios nuorescentes de alta sensibilidad. Para estas observacione • el ratón debe ser sometido a una operación qU1rurg1ca que Introduce una pequeña ventana transparente a través de su cranco y debe ser anestesiado cada vez que se graba una Imagen. (B) Una dendrita. imagen obtenida durante un periodo de 80 mlnu demuestra que las dendntas están constantemente enviando y retrayendo delgadas protuberancias dependientes d act1na, generando las espinas dendritica~ que reciben la gran mayorla de sinapsls excitadoras procedentes de los axones del cerebro. Se considera que estas espinas, que pueden estabilizarse y persistir duran! meses, son Importantes para la función cerebral y pueden intervenir en la memort.t a largo plazo. (Cortesia de Karel Svoboda.)

PROBLEMAS

de Ca 2 ~ al citosol, que se une a la troponina C y se inicia una ra¡ da contracción muscular.

¿Qué afirmaciones son ciertas? Explicar por qué sr o porqué no

Resolver los siguientes problemas

16-1 El papel de la hidróüsis del ATP en la polimerización de actina es parecido al papel de la hidrólisis de GTP en la polimerización de tubulina: ambos sirven para debilitar los enlaces en el polímero y en consecuencia provocar la despolimerización.

En la mayoría de células animales, los motores rnicrotu· bulares dirigidos hacia los extremos menos transfieren su carga a la periferia de la célula, mientras que los extremos más lo hacen hacia el interior de la célula.

16 ·2

16-3 Las neuronas motoras transfieren potenciales de acción a las membranas de las células musculares que abren canales de Ca2• sensibles a voltaje en los tú bulos T. Esto permite la entrada

16-4 Con una concentración de tubulina pura de 1.4 mg/ m los microtúbulos crecen a 2 ¡.am/min. Con esta tasa de crecimien to, ¿cuántos dimeros de tubu lina tt~ (de 8 nm de longitud) .<;n añadidos por segundo a los extremos de lo~ microtúbulos?

Se considera que una solución de dfmeros puros de tu hu lina ttP nuclea a los microtúbulos formando un protofilamen lineal de cerca de siete dímeros de longitud. En este punto, 1 probabilidades de que el siguiente dfmero al} se una lateralmc te o se una al extremo del protofilamemo son casi las misma~. : considera que el acontecimiento crítico para la formación de 1< microtúbu los es la primera asociación lateral (figura PI6-I ¿Cómo puede la asociación lateral estimular la formación rap1<Ü de w1 microtúbulo? 16-5

1051 CRECIMIENTO LINEAL

ASOCIACIÓN LATERAL

{A) SISTEMA EXPERIMENTAL

(B) POSICIÓN DE LA QUINESINA

bola de sflice

80rastro 1

\

'E 60..s .,

·g ., 40 t::

'O

20 .

o

·~

o

mrcrotubulo • P16-1 Modelo para la nucleacfón de un microtúbulo mediante ' puros de tubulina cxf3 (Problema 16--5).

¿Cómo "sabe" un centrosoma que ha encontrado el centro , ··lula? La concentración de acuna en las células es de 50 a 100 111ás elevada que la concentración crftica observada para la 1pura en un tubo de ensayo. ¿Cómo es posible este hecho? rrnpide que las subunidades de acrina de las células polime··n filamentos? ¿Por qué es ventajoso para las células mante:lr almacén tan grande de subunidades de actina? Los movimientos de una prote[na motora simple pueden r.alizados de forma directa. Mediante la urilización de un lá•larizado de luz es posible crear patrones de interferencia wrcen una fuerza centralmente dirigida, que va del cero n•ntro a unos pocos piconewtons en la periferia (cerca de llll del centro). Las moléculas individuales que entran en el 11 de interferencia son rápidamente empujadas hacia el cenlonde son capturadas y dirigidas según considere necesario 1>t·rimentador. 1hzando estas "pinzas ópticas", las moléculas simples de quir.a pueden ser colocadas en un microtübulo fijado a un culo¡t•ros. Atmque una sola molécula de quinesina no puede ser ] vada ópticamente, puede marcarse con una bola de silice y l•·de seguir indirectamente al seguir la bola (Figura PI6-2A). ,1,encia de ATP, la molécula de quinesina permanece en el ''del patrón de inteñerencia, pero con ATP se mueve hacia rc•mo más del microtúbulo. Al moverse a lo largo del rnicro