Microtúbulo

Os microtúbulos son estruturas tubulares presentes nas células, de 25 nm de diámetro exterior e uns 12 nm de diámetro interior, con lonxitudes que varían entre uns poucos nanómetros a micrómetros, que se estenden ao longo de todo o citoplasma. Atópanse nas células eucariotas e están formados pola polimerización dun dímero constituído por dúas proteínas globulares, a α e a β tubulinas. Os microtúbulos nucléanse e organízanse nos centros organizadores de microtúbulos (COMTs), como son o centrosoma ou os corpos basais dos cilios e flaxelos. Estes COMTs poden posuír centríolos ou non.

Atopamos microtúbulos no citoplasma formando parte da rede do citoesqueleto (xunto cos microfilamentos e os filamentos intermedios), nos cilios e flaxelos, nos tripletes dos centríolos e no fuso mitótico.

Os microtúbulos interveñen en diversos procesos celulares que implican movemento de vesículas de secreción, movemento de orgánulos, transporte intracelular de substancias (con intervención das proteínas dineína e cinesina), así como na división celular (mitose e meiose). Ademais, constitúen a estrutura interna dos apéndices móbiles da célula eucariota, cilios e flaxelos.
miniatura|Técnica de inmunofluorescencia para mostrar os microtúbulos usando anticorpos marcados contra β-tubulina.

 Estrutura 

Os microtúbulos son heteropolímeros de α- e β-tubulina, as cales forman dímeros, que son a súa unidade estrutural.Weisenberg RC. 1972. Microtubule formation in vitro in solutions containing low calcium concentrations. Science 177:1104–5 Os dímeros polimerizan en 13 protofilamentos, que logo se agregan lateralmente para formar estruturas cilíndricas ocas. Para polimerizar requírese a presenza de dímeros cunha concentración mínima determinada denominada concentración crítica, aínda que o proceso se acelera pola adición de núcleos, que son elongados.

Unha importante característica dos microtúbulos é a súa polaridade. A tubulina polimeriza por adición de dímeros nun ou en ambos os extremos do microtúbulo. A adición faise por unión cabeza con rabo durante a formación dos protofilamentos. Así, vanse formando ringleiras de monómeros de α e β-tubulina na parede do tubo, o que provoca unha polaridade global ao microtúbulo. Debido a que todo os protofilamentos dun microtúbulo teñen a mesma orientación, un extremo está composto por un anel de α-tubulina (denominado extremo -) e, o oposto, por un anel de β-tubulina (denominado extremo +).Walker RA, O’Brien ET, Pryer NK, Soboeiro MF, Voter WA, et al. 1988. Dynamic in- stability of individual microtubules analyzed by video light microscopy: rate constants and transition frequencies. J. Cell Biol. 107:1437–48

 Funcións 
 Citoesqueleto 
Como compoñentes do citoesqueleto (xunto coa actina e os filamentos intermedios), danlle á célula un soporte estrutural. Poden crecer e minguar para orixinar forza. 
 Mobilidade de cilios 
Os microtúbulos do axonema dos cilios e flaxelos eucariotas (os procariotas son diferentes) permiten a mobilidade destes en asociación con certas proteínas.

 Transporte 
Funcionan como autoestradas polas que se moven as proteínas motoras que arrastran vesículas, orgánulos e outros factores celulares ao longo do microtúbulo. Estas proteínas aproveitan a hidrólise do ATP para xerar enerxía mecánica e moverse sobre os microtúbulos. Son a dineína, transportador retrógrado, e a cinesina, transportador anterógrado.
 A dineína é unha molécula de estrutura similar á cinesina: consta de dúas cadeas pesadas idénticas que conforman dúas cabezas globulares e dun número variable de cadeas intermedias e de cadeas lixeiras. Transportan desde o extremo (+) cara ao (-) da canle intramicrotubular. Pénsase que a actividade de hidrólise de ATP, fonte de enerxía da célula, atópase nas cabezas globulares. A dineína transporta vesículas e orgánulos, polo que debe interaccionar coas súas membranas, e, para interactuar con elas, require un complexo proteico, cuxo elemento máis salientable é a dinactina.
miniatura|Unha cinesina unida a un microtúbulo.
 A maioría das cinesinas interveñen no transporte anterógrado de vesículas, é dicir, implican un movemento cara á parte máis distal da célula ou da neurita (dendrita, axón), desde o extremo (-) cara ao (+) dos microtúbulos, sobre os que se desprazan. Polo contrario, outra familia de proteínas motoras, as dineínas, empregan os mesmos carrís pero dirixen as vesículas á parte máis proximal da célula, polo que o seu transporte é retrógrado.

 Mitose 
Unha importante estrutura feita de microtúbulos é o fuso mitótico usado nas células eucariotas para separar os cromosomas durante a dividsión celular. A mitose é facilitada por un subgrupo de microtúbulos denominado microtúbulos astrais, definidos como microtúbulos orixinados no centrosoma que non se conectan cos cinetocoros dos cromosomas. Os microtúbulos astrais interacionan co córtex celular e axudan na orientación do fuso. Colócanse en disposición radial arredor dos centrosomas. O grao de recambio ou reciclaxe desta poboación de microtúbulos é maior có de calquera outra poboación. Os microtúbulos astrais funcionan concertadamente coas proteínas motoras dineínas, as cales están orientadas coas súas cadeas lixeiras unidas á membrana celular e a súa porción dinámica unida ao microtúbulo. Isto permite que a contracción da dineína empuxe o centrosoma cara á membrana, facilitando a citocinese. 
Os microtúbulos astrais non son imprescindibles para que progrese a mitose, pero requírense para asegurar a fidelidade do proceso, xa que interveñen no correcto posicionamento e orientación do fuso mitótico. Tamén están implicados na determinación do plano de división celular baseado na xeometría e polaridade das células.

 No desenvolvemento 
O citoesqueleto de microtúbulos é esencial durante os procesos morfoxenéticos do desenvolvemento dos organismos. Por exemplo, durante a embrioxénese na mosca da froita Drosophila melanogaster, requírese unha rede de microtúbulos intacta e polarizada dentro do oocito a fin de establecer os eixes do ovo; deste modo, os sinais entre as células foliculares e as do oocito (como os factores semellantes ao TGF-alfa) provocan a reorganización dos microtúbulos situando o seu extremo (-) na zona anterior do oocito, o que polariza a estrutura e comporta a aparición dun eixe dorsoanterior. Esta implicación na arquitectura do corpo tamén se dá en mamíferos.

Outro campo no cal os microtúbulos son esenciais é a formación do sistema nervioso en vertebrados superiores; neles a dinámica da tubulina e das proteínas asociadas aos microtúbulos (MAPs) é controlada con precisión a fin de desenvolver a base neuronal do cerebro.

 Regulación da expresión xénica 

O citoesqueleto celular é un elemento dinámico que actúa a moitos niveis na célula: ademais de dotala dunha forma determinada e de vertebrar o tránsito de vesículas e orgánulos, pode influír na expresión xénica. Porén, as vías celulares (é dicir, os mecanismos de transdución de sinais) que interveñen nesta comunicación son moi pouco coñecidos. Non obstante, describiuse a relación entre a despolimerización de microtúbulos mediada por fármacos e a expresión específica de factores de transcrición e, en consecuencia, a expresión diferencial dos xenes dependentes da presenza destes factores. Esta comunicación entre o citoesqueleto e a regulación da resposta celular está tamén relacionada coa xeración de factores de crecemento: por exemplo, esta relación existe para o factor de crecemento do tecido conectivo.

Na terapia contra o cáncer este feito ten vital importancia pois o paclitaxel (comercialmente coñecido como taxol, un antitumoral moi empregado) posúe como albo o citoesqueleto de microtúbulos, e é precisamente a interacción deste último con elementos que modulan o ciclo celular o que provoca, en presenza do antitumoral, unha serie de fallos celulares nas células cancerosas que conducen á súa morte celular programada ou apoptose.

 Dinámica microtubular 

A polimerización dos microtúbulos realízase nun centro organizador de microtúbulos. Nestes centros existe un tipo de tubulina, chamada γ-tubulina, que actúa nucleando a adición de novos dímeros, con intervención doutras proteínas reguladoras. Considérase que existe un complexo anular de γ-tubulina, sempre situado no extremo - do microtúbulo.Desai, A., and T. J. Mitchison. 1997. Microtubule polymerization dynamics. Ann. Rev. Cell Dev. Biol. 13:83–117.

 Inestabilidade dinámica 

Durante a polimerización, ambas as unidades de tubulina están unidas a unha molécula de guanosín trifosfato ou GTP. O GTP desempeña unha función estrutural na α-tubulina, mais é hidrolizado a GDP na β-tubulina. Esta hidrólise modula a adición de novos dímeros. Así, o GTP hidrólizase tras un certo período de tempo, o que permite que, se a adición de dímeros é rápida, se forme no extremo (+) un casquete de β-tubulina unida a GTP, mientras que, en caso de ser lenta, o que se expón é tubulina unida a GDP. Esta unión a un ou outro nucleótido é a que determina a velocidade de polimerización ou despolimerización do microtúbulo. Deste modo, un casquete no extremo (+) con GTP favorece a elongación, mentres que un de GDP, a despolimerización.Weisenberg RC, Deery WJ, Dickinson PJ. 1976. Tubulin-nucleotide interactions during the polymerization and depolymerization of microtubules. Biochemistry 15:4248–54

miniatura|centro|400px|Esquema da dinámica de polimerización da tubulina.

Agora ben, este proceso, de adición ou non de novos monómeros, depende da concentración de dímeros de αβ-tubulina na solución; se a súa concentración é maior ca un parámetro coñecido como concentración crítica (Cc) (que é a constante de equilibrio de disociación dos dímeros do extremo do microtúbulo), o microtúbulo medra, e se é menor, mingua. E segundo a presenza dun casquete de GTP ou GDP, a Cc é distinta, o cal define que o extremo (+) e (-) teñan valores distintos, o que á súa vez favorece que a actividade dinámica do extremo (+) sexa maior debido a unha menor Cc específica. O microtúbulo, por tanto, pode crecer por ambos os extremos ou só por un, dependendo da concentración de dímeros de αβ-tubulina. A interacción do extremo (-) co centro organizador de microtúbulos diminúe moito a súa actividade.

Estes feitos están modulados por proteínas asociadas a microtúbulos ou MAPs.

 Propiedades da polimerización da tubulina 
Resumo global de ditas propiedades:

 Con concentracións de αβ-tubulina superiores á Cc os dímeros polimerizan para formar microtúbulos; por debaixo da Cc, os microtúbulos sofren despolimerización.
 O nucleótido, GTP ou GDP, unido á β-tubulina fai que a Cc para a ensamblaxe nos extremos (+) e (-) dun microtúbulo sexa diferente; por analoxía coa ensamblaxe da actina filamentosa, defínese o extremo (+) como o preferido pola ensamblaxe.
 Con concentraciones superiores de αβ-tubulina á Cc para a polimerización, os dímeros agréganse en maior cantidade ao extremo (+).
 Cando a concentración de αβ-tubulina é máis elevada ca a Cc do extremo (+) pero menor ca a Cc do (-), pódese dar un crecemento nunha soa dirección agregando subunidades a un extremo e disociando subunidades do extremo oposto.

Estas características explican que exista unha inestabilidade dinámica nos microtúbulos, que consiste en que, nunha mesma célula, algúns microtúbulos están despolimerizándose (o que se chama catástrofe) e outros elongándose (o que se chama rescate).

 Alteración farmacolóxica da dinámica microtubular 

Existen unha gran cantidade de drogas capaces de unirse á tubulina, modular o seu estado de activación e así interferir coa dinámica microtubular a concentracións intracelulares moito máis baixas ca a de tubulina. Deste xeito, as células deteñen o seu ciclo celular, o que pode conducir á morte celular programada. Os compostos que modulan a actividade da tubulina poden dividirse de forma xeral en dous grandes grupos: en primeiro lugar están os inhibidores da súa polimerización, como a colchicina e a vincristina, que se unen a esta impedindo que forme microtúbulos. Por outro lado, están os axentes estabilizantes de microtúbulos (MSAs), como o paclitaxel (coñecido comercialmente como taxol) e o docetaxel, os cales se unen preferentemente á tubulina ensamblada, minimizando a disociación da tubulina-GDP dos extremos dos microtúbulos e inducindo a ensamblaxe da tubulina-GDP normalmente inactiva. 
Os fármacos moduladores da polimerización de microtúbulos foron moi usados na terapia antitumoral. Ao seren indispensables para a mitose e detela, conseguen actuar contra o tumor, mais tamén se ven afectados aqueles tecidos en rápida proliferación (medula ósea, mucosa intestinal...). O éxito clínico do paclitaxel e o docetaxel conduciron á procura de novos compostos co mesmo mecanismo de acción e á descuberta nos últimos anos dunha gran cantidade de axentes estabilizantes de microtubulos con polo menos dous sitios de unión distintos.

 Notas 

 Bibliografía 




 Véxase tamén 

 Outros artigos 
 Ciclo celular
 Actina
 Centro organizador de microtúbulos
 Proteína tau
 Katanina

 Ligazóns externas 
 Vídeo do laboratorio de Eva Nogales, en Berkeley, que mostra diversos aspectos da polimerización e despolimerización dun microtúbulo vistas por tomografía crioelectrónica.

Categoría:Bioloxía celular
Categoría:Citoesqueleto