VI. APARATOS DE PRECISI�N: MOTILIDAD COORDINADA

APARATOS DE ACCION INTERNA

Cromat�foros

HEMOS mencionado que el transporte intracelular cumple con funciones muy diversas y ayuda para la adecuada distribuci�n de metabolitos en distintas zonas del citoplasma, para el mantenimiento de regiones muy distantes del cuerpo celular y para el intercambio de mensajes qu�micos entre c�lulas relacionadas. Todos estos procesos son desde luego invisibles; s�lo pueden observarse con la ayuda de un microscopio o de t�cnicas especiales y, en general, ocurren en la profundidad de los tejidos dentro de los organismos. Existe, sin embargo, un famoso ejemplo de transporte intracelular con efectos macrosc�picos, que se manifiesta en la parte externa de algunos animales, por lo que es f�cilmente observable, aunque en ocasiones persigue precisamente lo opuesto, es decir; conferir al individuo que lo posee el preciado don de la invisibilidad. La evoluci�n ha perfeccionado este dispositivo como un eficaz medio de comunicaci�n silenciosa entre cong�neres, o como un recurso de seguridad para la oportuna desaparici�n ante los ojos de los enemigos naturales o de los distra�dos prospectos para un buen almuerzo. Dicho dispositivo se encuentra en diversos grupos zool�gicos, desde los insectos hasta los vertebrados, pero sus beneficiarios mejor conocidos son los peces y, por antonomasia, el camale�n. Mediante modificaciones del color que exhiben en diversas partes de sus cuerpos, muchos de estos animales pueden declarar su pasi�n por un determinado ejemplar del sexo opuesto, mostrar su ira ante un rival en amores o en dominio de territorio, o tan s�lo remedar el patr�n crom�tico del fondo hasta fundirse �pticamente con el ambiente. Todos estos cambios de apariencia son posibles gracias a c�lulas superficiales llamadas cromat�foros, es decir, que transportan pigmentos.

Un cromat�foro t�pico consiste en una c�lula discoidal o en forma de estrella aplanada con puntas ramificadas, que contiene en su interior —aparte del n�cleo, mitocondrias y dem�s organelos citopl�smicos— cientos e incluso miles de gr�nulos de alguna sustancia colorida (Figura VI.1). Los cromat�foros reciben el nombre espec�fico de melan�foros si la sustancia es negra, eritr�foros si es rojiza, irid�foros si es iridiscente, etc. En respuesta a ciertos est�mulos nerviosos u hormonales, el cromat�foro acumula las part�culas de pigmento en su regi�n central o las dispersa hasta que quedan distribuidas uniformemente por todo el volumen celular. Como resultado de estas movilizaciones radiales en masa, el citoplasma var�a sus propiedades de absorci�n y reflexi�n de luz; la mayor parte de su extensi�n palidece cuando las part�culas est�n agregadas, y adquiere la coloraci�n respectiva cuando el pigmento se dispersa. Dada que en cada escama o porci�n de piel ellos responden de igual manera a los est�mulos, ese sector modificar� la intensidad del color correspondiente; la activaci�n s�ncrona de series de sectores contiguos cambiar� as� el aspecto de vastas zonas corporales. En ocasiones un mismo sector puede contener cromat�foros de diferentes colores —melan�foros intercalados con eritr�foros y con irid�foros— y cada tipo es controlado por est�mulos distintos; el matiz crom�tico se ver� entonces alterado en funci�n de la estimulaci�n relativa de cada tipo, seg�n las circunstancias. La multiplicidad de combinaciones puede llegar a mimetizar el entorno inmediato con una fidelidad sorprendente.

Figura VI.1. Esquema ilustrativo del movimiento de los gr�nulos de pigmento dentro de un cromat�foro. A) C�lula vista desde arriba; B) vista lateral; C) secci�n amplificada de la c�lula en B), donde se ve la asociaci�n de los gr�nulos con elementos del citoesqueleto (microt�bulos mt y matriz cotoplasmica).

Como en el caso de las neuronas, la morfolog�a peculiar de los cromat�foros se debe a una organizaci�n especial del citoesqueleto. Hay numerosos microt�bulos orientados con la misma polaridad desde un sitio central hacia todos los rincones de la periferia, como los rayos de una rueda de bicicleta. Esta disposici�n radial es apta para dirigir y brindar soporte a los desplazamientos de los gr�nulos de pigmento, cuya migraci�n centr�fuga durante la dispersi�n es mediada por la cinesina, al menos en los melan�foros. Al igual que otras manifestaciones de transporte intracelular basado en microt�bulos, los cambios de posici�n del pigmento son muy sensibles a drogas como la colchicina y la vinblastina, y dependen estrictamente de un generoso aporte de ATP. Es evidente, por tanto, que el mecanismo de los cromat�foros es similar al del transporte axopl�smico, pero adaptado para funcionar en un arreglo radial m�s que longitudinal (Figura VI.2).

Figura VI. 2. Micrograf�a que muestra tres estados de distribuci�n de gr�nulos de pigmento en cromat�foros del cangrejo de r�o. De izq. a der. Dispersi�n m�xima, dispersi�n media y agregaci�n m�xima del pigmento.(Fotograf�a cortes�a de L. Rodr�guez Sosa).

Pero en los cromat�foros interviene adem�s otro elemento del citoesqueleto, que desempe�a un papel clave para aumentar en mucho la eficiencia y la coordinaci�n del sistema. Tanto en el transporte axopl�smico como en las corrientes citopl�smicas de las c�lulas vegetales, los motores moleculares corren sueltos o asociados con part�culas libres; cada componente desplazado obedece al trabajo de motores particulares con los que est� directamente uncido, o al flujo general provocado por la continua marcha unidireccional de una. multitud de motores sueltos. En ambos casos se observa que las estructuras se trasladan de manera m�s o menos simult�nea, pero independiente. En contraste, los cromat�foros muestran un movimiento concertado de los gr�nulos de pigmento (Figura Vl.2). Ya sea durante la agregaci�n o durante la dispersi�n, cada gr�nulo mantiene su posici�n relativa con respecto al resto de la poblaci�n; se dice que el movimiento es coherente. El secreto de esta uniformidad estriba en que los gr�nulos son transportados en un veh�culo com�n. Las part�culas de pigmento se encuentran engarzadas en un material fibroso llamado red microtrabecular. La actividad de las mol�culas de cinesina, alej�ndose del centro del cromat�foro cuando migran sobre los microt�bulos obliga a que esta red se extienda por el citoplasma y distribuya as� el pigmento en todo el volumen celular; y cuando, ante un cambio de condiciones, los motores cesan de actuar, la red se contrae por su propia elasticidad arrastrando con ella los gr�nulos hacia el centro de la c�lula. Esto provoca una mayor eficiencia de transporte, en comparaci�n con otros sistemas, porque la acci�n motriz de las mol�culas de cinesina es cooperativa y se transmite por medio de la red microtrabecular a muchas particulas a la vez, aun cuando no todas est�n en proximidad inmediata de los microt�bulos. Al mismo tiempo se consigue una buena coordinaci�n en los movimientos de una vasta multitud, lo que es especialmente conveniente para la funci�n del cromat�foro. La incorporaci�n de la red microtrabecular como un medio de transmisi�n de fuerzas representa as� un incremento favorable en el nivel de complejidad sobre la m�quina b�sica constituida por la cinesina y los microtubulos. La operaci�n sin�rgica de m�quinas individuales como parte de un complejo estructural que funciona como una unidad y para un mismo prop�sito, nos permite hablar ya de un aparato.

Mecanismos de control

Aparte de la organizaci�n radial y de la movilizaci�n coherente, existen otras dos importantes diferencias entre los cromat�foros y los dem�s sistemas de transporte intracelular examinados hasta ahora: 1) en todos los ejemplos anteriores el movimiento sobre los rieles del citoesqueleto es unidireccional o va en ambas direcciones, simult�neamente, pero no se alternan migraciones en un sentido y luego en otro; 2) el movimiento es continuo y no se presenta como respuesta ante factores extr�nsecos a la propia c�lula. En los cromat�foros, por lo contrario, el pigmento tiene un comportamiento de ida y vuelta— se agrega o se dispersa en masa en un momento dado—, y la acci�n es inducida por hormonas o por impulsos nerviosos. En otras palabras, en los cromat�foros aparece un mecanismo de control. Esta particularidad es tambi�n propia de los aparatos.

Las evidencias acumuladas por la investigaci�n de diversos aparatos de motilidad celular indican que la activaci�n o inactivaci�n de los mismos depende casi siempre de cambios en la abundancia de iones de calcio libres en el citoplasma. La mayor�a de las c�lulas cuida celosamente que el calcio libre en su fluido interno se mantenga en un bajo nivel, al grado de que la concentraci�n del mismo en el citoplasma es por lo regular 10 000 veces menor que en el medio extracelular. No obstante, ciertos est�mulos pueden ocasionar que en algunas c�lulas la membrana plasm�tica permita la entrada de calcio, o que �ste se escape de compartimientos internos donde es normalmente secuestrado con objeto de disminuir su presencia en libertad. As�, el aumento transitorio de calcio libre en el citoplasma tiene el efecto de apagar o encender el funcionamiento de las m�quinas moleculares, o incluso de modificar la organizaci�n misma del citoesqueleto. En los cromat�foros la elevaci�n del calcio libre en el citoplasma —a consecuencia de que hacen contacto con la membrana plasm�tica hormonas vertidas a la sangre del animal o sustancias secretadas por terminales nerviosas cercanas— parece obstaculizar la tracci�n centr�fuga de la cinesina, ya que causa agregaci�n del pigmento. Todav�a no est� esclarecida la secuencia de movimientos que determina esta respuesta. Sin embargo, es muy probable que tenga lugar una serie de procesos an�logos a los que explican el control de la contracci�n de los m�sculos esquel�ticos, y que tendremos oportunidad de revisar con detalle m�s adelante.

Migraciones de pigmentos retinales

Las migraciones masivas y reversibles de gr�nulos de pigmento no son exclusivas de los cromat�foros. Tambi�n existen en c�lulas de la retina de algunos animales, donde cumplen con la funci�n de regular la luz que llega a las c�lulas sensibles o fotorreceptoras. Incluso se puede ver que en ciertos casos los fotorreceptores cuentan con su dotaci�n de pigmento transportable. Un buen ejemplo se encuentra en los ojos de las moscas, mariposas y muchos otros insectos, y de crust�ceos, como los camarones y los cangrejos (Figura VI.3). Las partes propiamente fotosensibles de las c�lulas fotorreceptoras pueden verse tapizadas por una densa cortina de gr�nulos oscuros que evitan la iluminaci�n excesiva de las mismas durante las horas diurnas. Al anochecer, se retira el pigmento de esta posici�n y se sit�a de tal manera que no impide el m�ximo aprovechamiento de la escasa luz disponible.

Figura VI. 3. Esquema ilustrativo de la distribuci�n de los gr�nulos de pigmento en los fotorreceptores retinales del cangrejo de r�o. A) En presencia de la luz los gr�nulos se mueven hacia la parte superior para proteger las membranas fotosensibles (zona alargada, gris oscuro); B) en la oscuridad los gr�nulos se desplazan a la parte inferior, dejando descubiertas las membranas fotosensibles.

En los fotorreceptores del cangrejo de r�o este movimiento se efect�a por un aparato de translocaci�n en masa, integrado por un grueso haz de microt�bulos, por una malla fibrosa equivalente a la red microtrabecular de los cromat�foros y muy probablemente, por mol�culas de cinesina. La estimulaci�n lum�nica origina un aumento de calcio libre en el citoplasma de los fotorreceptores y dispara el retorno de la poblaci�n de gr�nulos de pigmento a la posici�n de adaptaci�n a la luz. Cuando entre los mecanismos que controlan el ingreso de la luz a la retina se encuentran c�lulas pigmentarias —que no son fotosensibles —, como en los peces y las ranas, el transporte se efect�a tambi�n por un citoesqueleto especialmente organizado (Figura VI.4).

Figura VI. 4. Microscop�a de barrido de alta resoluci�n de un fotorreceptor del cangrejo de r�o. Se pueden observar los gr�nulos de pigmento asociados a haces de microt�bulos.

APARATOS DE ACCI�N EXTERNA

Hasta aqu� hemos considerado movimientos celulares en donde los motores moleculares recorren grandes distancias sobre los rieles que proporciona el citoesqueleto. Cada motor est� en libertad de desplazarse de uno a otro extremo del pol�mero respectivo. Tal vez la �nica excepci�n relativa en este sentido ser�an las migraciones pigmentarias en los cromat�foros y en las c�lulas retinales porque, a medida que alcanza su m�xima extensi�n en cada regi�n de la c�lula, la red microtrabecular del aparato de translocaci�n impone probablemente cierta restricci�n a que contin�e el avance de las mol�culas de cinesina. En otros sistemas de motilidad, sin embargo, el recorrido de los motores sobre los rieles del citoesqueleto est� limitado a distancias mucho menores. Parad�jicamente, gracias a esta sujeci�n parcial se consiguen los m�s notables y poderosos movimientos biol�gicos. La actividad de los motores moleculares en el interior de las c�lulas es capaz, entonces, de realizar trabajo fuera de ellas, ya sea para acarrear materiales en el medio extracelular, o para transportar la c�lula completa de un lugar a otro, e incluso para movilizar al organismo entero del que forman parte. Todas estas proezas implican, por supuesto, aparatos muy complejos.

Cilios y flagelos

Cuando revisamos el caso del transporte axopl�smico se mencion� que el desplazamiento en direcci�n al cuerpo celular parece estar mediado por la dinaína, un translocador que migra sobre los microt�bulos en sentido opuesto al de la cinesina. Sin embargo, la dina�na fue inicialmente conocida como el motor responsable del movimiento de los cilios y los flagelos, unos ap�ndices filiformes de aproximadamente 0.2 micras de di�metro que emergen de la superficie de algunas c�lulas, y cuya agitaci�n al ritmo de entre 5 y 10 ciclos por segundo tiene una acci�n mec�nica sobre el l�quido circundante. Cuando la c�lula se encuentra fija —como integrante de un epitelio, por ejemplo— el batir de los cilios tiene un efecto de empuje sobre el l�quido externo, que es barrido sobre la superficie del tejido porque muchas otras c�lulas id�nticas realizan la misma operaci�n. Un caso ilustrativo de esto �ltimo es el epitelio que reviste las v�as respiratorias, donde la funci�n de los cilios es encaminar al exterior el mucus que retiene las particulas de polvo que penetran con el aire. Los �vulos de muchas especies tambi�n son conducidos a trav�s del oviducto, por medio de la actividad ciliar de c�lulas epiteliales. Ahora bien, si se trata de una c�lula libre —como un protozoario o un espermatozoide—, el trabajo de los cilios o los flagelos (Figura VI.5 y VI.7) se traduce en un desplazamiento de la propia c�lula a trav�s del liquido en que se encuentre, y constituye entonces un recurso de locomoci�n.

Figura VI. 5. Aspecto de los cilios alrededor de un paramecio vistos por videomicroscop�a de contraste, acentuada electr�nicamente.

Para que los cilios y los flagelos puedan desempe�ar su funci�n con eficacia necesariamente deben actuar con direccionalidad. Los cilios consiguen esto mediante un movimiento an�logo a las br�zadas de un nadador: se extienden y empujan el l�quido como remos durante la fase activa del ciclo, y se repliegan hacia el cuerpo de la c�lula en su retorno a la posici�n inicial (Figura VI .6) .

Figura VI. 6. Etapas del movimiento ciliar. A, B, C) Etapas de empuje; D, E, F) etapas de retorno; G) cilios en etapas consecutivas del ciclo. Las flechas indican magnitudes relativas y direcci�n de esfuerzos contra el medio.

Figura VI. 7. Espermatozoides de cobayo en donde se ven claramente los flagelos en diferentes etapas de reflexi�n. (Fotograf�a cortes�a de A. M�jica).

Los flagelos —que son mucho m�s largos y generalmente menos numerosos que los cilios— emplean un principio de propulsi�n similar al de una anguila: ondulaciones continuas que recorren toda su longitud. Si el flagelo est� inserto en el polo posterior de la c�lula, como en los espermatozoides, la ondulaci�n dirigida hacia atr�s representa un empuje hacia adelante. Cuando el flagelo est� situado en el polo anterior, como en muchos protozoarios y algas unicelulares, el desarrollo de fuerzas es algo m�s complejo. El flagelo se curva hacia un lado al enfrentar la resistencia del medio acuoso y realiza ondulaciones helicoidales que obligan a la c�lula a girar con cierta inclinaci�n en torno al eje de avance; dicha rotaci�n convierte al cuerpo celular en una especie de aspa que impulsa el fluido hacia atr�s y, en consecuencia, repercute en un desplazamiento del organismo hacia adelante (Figura VI.8). Por incre�ble que parezca, esta diversidad de movimientos es producto de un interdeslizamiento restringido de microt�bulos.

Figura VI.8. Representaci�n esquematica de dos tipos de movimiento flagelar. A) caracter�stica de algunos protozoarios y algas flageladas; B) caracter�stica de espermatozoides. Las flechas grandes se�alan la direcci�n de desplazamiento del organismo.

La estructura b�sica de los cilios y los flagelos consiste en un aparato longitudinal al que los microscopistas llamaron axonema (filamento axial), recubierto por membrana plasm�tica como el resto del cuerpo celular (Figura III.9). Al igual que otros aparatos, el axonema est� integrado por m�ltiples m�quinas que trabajan de manera coordinada, y cada m�quina consta de un motor y sus respectivos elementos de soporte. Estos �ltimos son provistos por un arreglo de microt�bulos paralelos y dispuestos de tal manera que un par central aparece circundado por nueve microt�bulos dobles. Los microt�bulos dobles perif�ricos no son simplemente parejas, como las que constituyen los dos centrales, sino unidades peculiares que resultan de una forma distinta de polimerizaci�n de la tubulina. Cada unidad est� integrada por un microt�bulo incompleto, lo cual indica que no se cierra sobre s� mismo, adosado longitudinalmente a uno completo, de modo que la fracci�n faltante del primero queda sellada por la pared del segundo. Cada microt�bulo doble tiene su ra�z en la corteza del cuerpo celular, donde se origina a partir de una estructura triple formada por la anexi�n lateral de un segmento m�s de microt�bulo incompleto; el conjunto resultante de nueve tripletes acomodados en formaci�n anular recibe el nombre de cuerpo basal. Los dos microt�bulos centrales del axonema no llegan hasta el cuerpo basal ni presentan una inserci�n especial, pero se encuentran rodeados por una capa de material fibrilar llamada vaina interna.

Los microt�bulos dobles perif�ricos aparecen vinculados entre s� y con la vaina interna por medio de varios tipos de enlaces perpendiculares al eje del axonema, todos ellos colocados con exacta periodicidad a intervalos particulares. Desde cada microt�bulo perif�rico se extienden puentes radiales hacia el centro del axonema, y tenues bandas hacia uno de los dos microt�bulos dobles adyacentes. Adem�s, cada microt�bulo doble presenta dos hileras de brazos cortos que llegan a tener contacto con el otro de los microt�bulos dobles vecinos. Estos brazos son, las mol�culas de dina�na o motores que, en combinaci�n con los elementos de apoyo estructural, constituyen las m�quinas que mueven el axonema. El principio del mecanismo no es dif�cil de comprender (Figura VI.9). Cuando dispone de ATP, la dina�na propende a caminar sobre los microt�bulos en direcci�n al cuerpo celular, arrastrando con ella cualquier carga unida, que en este caso es tambi�n un m�crot�bulo doble con el que est� permanentemente asociada. Sin embargo, �ste no puede migrar porque est� anclado en el cuerpo basal y porque se lo impiden adem�s los m�ltiples v�nculos con el centro del axonema y con el microt�bulo doble anexo por el otro lado. En consecuencia, el esfuerzo produce tan s�lo un breve deslizamiento entre los dos microt�bulos conectados por la dinaína. Dado que cada microt�bulo doble est� sometido a un esfuerzo similar, el resultado general es un efecto de torsi�n o flexi�n del axonema en su conjunto.

Figura VI.9. Mecanismo del axonema. Los pares exteriores est�n conectados entre s� a trav�s de otras prote�nas y, al a�adirse ATP y Ca²⁺, el primero se hidroliza por la actividad de la dina�na para ceder la energ�a necesaria para el movimiento. Las mol�culas de dina�na asociadas a un par de microt�bulos perif�ricos act�an sobre el par adyacente (A) y producen un esfuerzo de deslizamiento en presencia de ATP y calcio (B). El esfuerzo conjunto de todos los pares exteriores obliga a la flexi�n del cilio o flagelo (C); m = membrana.

Por supuesto, nadie ha podido observar los vertiginosos fen�menos que ocurren en el min�sculo interior de un cilio o un flagelo en movimiento. Pero existen datos experimentales que sustenta la explicaci�n resumida en el p�rrafo anterior. No hay duda de que el mecanismo se encuentra en los cilios o flagelos mismos porque, cuando son aislados de sus c�lulas— "rasurando'" protozoarios mediante vibraciones de alta frecuencia o con ayuda de un fino rayo l�ser —, contin�an agit�ndose en una soluci�n salina que contenga ATP. Es m�s, el aparato motriz reside en el axonema porque la eliminaci�n de la membrana plasm�tica por m�todos qu�micos no afecta la motilidad de cilios o flagelos aislados. Est� tambi�n claro que los motores son las mol�culas de dina�na porque la exposici�n del axonema a tratamientos capaces de retirarlas selectivamente causa un enlentecimiento progresivo del movimiento, hasta llegar a la par�lisis total, y la motilidad se recupera al agregar dina�na purificada. Por otra parte, la aplicaci�n de enzimas que destruyen las conexiones pasivas entre los microt�bulos dobles sin da�ar mayormente los brazos de dinaína, seguida de adici�n de ATP, da como resultado un r�pido deslizamiento de dichos microt�bulos entre s�, hasta que el axonema llega a medir nueve veces su longitud inicial (la suma de las longitudes de los microt�bulos dobles individuales). Este fen�meno es una clara indicaci�n de que el movimiento ondulatorio de cilios y flagelos es consecuencia de restricciones estructurales para que las mol�culas de dina�na corran libremente a lo largo de los microt�bulos con que hacen contacto funcional en el axonema. Por �ltimo, el microscopio electr�nico ha mostrado que los extremos de los microt�bulos dobles en las puntas de los cilios, as� como las diversas conexiones transversales en la estructura del axonema, aparecen acomodados en posiciones que var�an con la curvatura del eje longitudinal, como se puede esperar seg�n el modelo que hemos descrito.

Sarc�mero

El axonema es una peque�a obra maestra de la ingenier�a natural. Gracias a �l los procesos internos del citoplasma logran influir mec�nicamente sobre el medio exterior. Sin embargo, en este terreno los aparatos construidos con microt�bulos no pueden competir con aquellos que se basan en filamentos de actina. La potencia, velocidad y precisi�n de control que han alcanzado estos �ltimos les hacen acreedores al t�tulo de la maquinaria m�s perfecta y poderosa que ha creado la evoluci�n. Es esta maquinaria molecular la que produce el brutal coletazo de una ballena, el raudo aleteo de un mosquito, el salto exacto de un trapecista y el arrebatador manejo del teclado de un virtuoso del piano. Su capacidad de transformaci�n material del mundo ha quedado de manifiesto, con proporciones monumentales, en las pir�mides de Egipto y Mesoam�rica, las catedrales g�ticas de Europa y la Gran Muralla China. En cada uno de estos casos el movimiento impl�cito en la ejecuci�n es o sido producto del trabajo muscular, y �ste es la expresi�n macrosc�pica de la actividad de m�ltiples m�quinas compuestas por mol�culas de miosina y por filamentos de act�na. Estas máquinas, en principio id�nticas a las que generan las corrientes citopl�smicas en las plantas, conforman la unidad fundamental del m�sculo esquel�tico, un aparato contr�ctil conocido como sarc�mero (del griego sarcos, carne, y meros, parte).

Los m�sculos esquel�ticos —as� llamados porque su trabajo ejerce fuerza sobre los huesos en los vertebrados— est�n constituidos por muchas fibras paralelas, cada una de las cuales se origina por la fusi�n de varias c�lulas alargadas (Figura VI.1O(a). Puesto que al fundirse entre s� las c�lulas originales eliminan las fronteras entre sus respectivos citoplasmas, pero conservan sus n�cleos individuales, las fibras musculares son en realidad grandes c�lulas multinucleadas. Adem�s, las fibras musculares presentan la singularidad de que su citoplasma est� surcado por numerosas fibrillas longitudinales formadas por haces muy compactos de filamentos de actina y miosina. La cantidad de estas prote�nas en la fibra muscular es tan enorme que la mayor parte de su volumen se encuentra ocupada por los polímeros correspondientes. Si bien las fibras y las fibrillas pueden medir varios milimetros, y hasta cent�metros de largo, por lo com�n los filamentos individuales apenas exceden una micra de longitud. Cada fibrilla est� integrada por muchos segmentos de filamentos de actina y miosina. El secreto del dise�o del m�sculo esquel�tico, la clave de su gran �xito evolutivo y de sus asombrosas capacidades radica en la perfecta regularidad con que estos filamentos est�n distribuidos en el espacio (Figura Vl.10(b).

Figura VI.10. Organizaci�n de un m�sculo esquel�tico. A) El m�sculo est� formado por varias fibras; B) cada fibra muscular est� formada por fibrillas, constituidas, a su vez, por series de sarc�meros; C) el sarc�mero esta formado por filamentos de actina (delgados) y miosina (gruesos), que se interdigitan. Los extremos de los filamentos de la actina se encuentran anclados en estructuras terminales llamados discos Z; D) amplificaci�n de la interacci�n que muestra la colocaci�n de las cabezas de la miosina en relaci�n con los filamentos de actina.

Cada fibrilla es una serie de miles de unidades discretas, y cada unidad est� compuesta por un conjunto de filamentos de actina en cada extremo y un conjunto de filamentos de miosina en la regi�n central. Los filamentos de actina de cada conjunto tienen la misma polaridad pero son antiparalelos con los del conjunto opuesto —tienen polaridad contraria—, y penetran parcialmente entre los filamentos de miosina. La polaridad de cada conjunto de filamentos de actina es tal que las mol�culas de miosina caminan sobre ellos en el sentido de dirigirse hacia los extremos del sarc�mero. Por su parte, los filamentos de miosina muestran la configuraci�n bipolar que describimos en el cap�tulo anterior: las mol�culas de miosina aparecen asociadas por sus colas, con las cabezas motoras colocadas de manera escalonada en direcci�n a los extremos. La unidad formada por estos tres conjuntos de filamentos es un sarc�mero, y cada sarc�mero est� separado del que le sigue en la fibrilla por una placa circular llamada disco Z, en la que se anclan los filamentos de actina de ambos sarc�meros contiguos (Figura VI.10(c).

Con este tipo de ordenamiento la actividad motriz de las cabezas de miosina tiene el efecto de tirar de ambos conjuntos de filamentos de actina y aproximarlos entre s�. Esto es precisamente lo que sucede durante la contracci�n muscular; los filamentos de actina son jalados por las cabezas de miosina. Como ocurre con el deslizamiento de los microt�bulos dobles contiguos del axonema, la interacci�n entre un filamento de miosina y un filamento de actina es mediada por m�ltiples motores que operan de manera desfasada, por lo que en todo momento hay un cierto n�mero de ellos en la fase activa del ciclo mientras otros se hallan en las etapas de reacomodo, quedando garantizada con ello una tracci�n sin interrupciones. A diferencia del axonema, sin embargo, la organizaci�n del sarc�mero brinda la posibilidad de que la tracci�n sea aplicada de manera uniforme de cada filamento y no s�lo sobre uno de sus lados, como en los microt�bulos dobles de los cilios y los flagelos. Esta uniformidad deriva de que los filamentos de miosina presentan las cabezas motoras orientadas en varias direcciones en torno a su eje, por lo que cada uno de ellos puede interaccionar con varios filamentos de actina a la vez (Figura VI.10(d). Por su parte, cada filamento de actina hace contacto con las cabezas motoras de todos los filamentos de miosina que lo circundan. Puesto que dichas interacciones tienen lugar en ambos extremos de cada filamento de miosina, los dos conjuntos de filamentos de actina experimentan un arrastre uniforme y el sarc�mero desarrolla una fuerza homog�nea que tiende a disminuir su longitud. Cada sarc�mero tira entonces de los dos adyacentes y, dado que todos los sarc�meros de una fibrilla y todas las fibrillas de una fibra se activan pr�cticamente al mismo tiempo, el m�sculo entero se contrae (Figura VI. 11).

Figura VI.11. Micrograf�a electr�nica mostrando el arreglo de los filamentos de miosina y actina en los sarc�meros de m�sculo esquel�tico.

El grado de tensi�n y la amplitud del movimiento efectivo desarrollados por los sarc�meros dependen de algunos factores. El m�s obvio es la carga que enfrenta el m�sculo, porque si �sta es superior a la que puede vencerse con el empleo de toda la potencia de los motores, la longitud de los sarc�meros no variar�. Esto es, lo que le sucede al novato que sin entrenamiento pretende levantar una pesa de 140 kilos. El trabajo de las cabezas de miosina sobre los filamentos de actina se realiza con un gran gasto de energ�a, pero la pesa permanece inm�vil porque los m�sculos encuentran imposible acortarse ante una resistencia de tal magnitud. El t�rmino que se emplea para designar este esfuerzo est�tico es contracci�n isom�trica —contracci�n sin cambio en las dimensiones del m�sculo —, que puede parecer un contrasentido, pero en el fondo es v�lido, porque en realidad algunos sarc�meros s� alcanzan a contraerse en cierta medida a expensas del estiramiento de otros, y gracias a cierta elasticidad del tejido (Figura VI.12). Ahora bien, no todas las contracciones isom�tricas son tan in�tiles como la del ejemplo anterior. Los m�sculos que mantienen a los animales de pie, contra la fuerza gravitacional, cumplen con su funci�n mediante contracciones isot�rmicas sostenidas. Cuando el animal se levanta a partir de una posici�n yacente, estos m�sculos se contraen hasta que los huesos del esqueleto se encuentran con las relaciones espaciales espec�ficas que determinan la posici�n erguida para dicha especie; una vez alcanzado este objetivo su actividad no puede ya expresarse como cambio de longitud, el trabajo que desarrollan permite guardar dichas relaciones y conservar la posici�n. Otro tanto ocurre al mantener un brazo alzado, al detener una puerta que alguien empuja por el otro lado, y en cualquier otra situaci�n en la que oponerse a un movimiento debido a causas externas requiere de un esfuierzo corporal continuo, aunque sea aparentemente est�tico.

Figura VI. 12. Relaci�n entre la longitud inicial de un sarc�mero y la tensi�n que puede desarrollar. La tensi�n es m�xima en B cuando existe una interpenetraci�n media de los filamentos.

Por supuesto, mas que oponerse al cambio, la funci�n principal del m�sculo es generar movimiento. Cuando se enfrenta con cargas proporcionales a su potencia particular, todo m�sculo activo se contrae efectivamente, es decir, reduce su longitud como resultado del acortamiento de sus sarc�meros. Sin embargo, debido a la construcci�n de estos �ltimos, la fuerza que pueden desarrollar al contraerse depende de su longitud inicial. Para comprender esta relaci�n consideremos situaciones extremas. En un sarc�mero excesivamente distendido antes de la contracci�n, la yuxtaposici�n de filamentos de actina y de miosina es m�nima, puesto que el estiramiento aleja sim�tricamente a los primeros de la regi�n media, donde se encuentran los segundos. En esta condici�n los dos grupos de filamentos se tocan entre s� s�lo en sus porciones terminales y, por consiguiente, el n�mero de cabezas de miosina que pueden interactuar con los filamentos de actina es reducido, y la fuerza total generada es tambi�n baja. Por lo contrario, en un sarc�mero cuya longitud inicial sea demasiado corta, el traslapamiento de filamentos ser� m�ximo. En este caso, pr�cticamente la totalidad de las cabezas de miosina podr� ejercer tracci�n sobre los filamentos de actina pero, puesto que los filamentos de miosina se encontrar�n en el tope de sus respectivos carriles —muy pr�ximos a los discos Z—, el sarc�mero se ver� casi imposibilitado de contraerse m�s. De aqu� que la posici�n m�s favorable para que un m�sculo desarrolle su m�xima potencia es cuando sus sarc�meros tienen una longitud inicial intermedia, en forma tal que permita el contacto de numerosas cabezas de miosina con los filamentos de actina, y que a la vez ofrezca a los filamentos de miosina un buen trecho para desplazarse.

Esta relaci�n entre el grado de estiramiento inicial y la potencia desarrollada por el m�sculo esquel�tico no se presenta en otra gran clase de tejido contr�ctil: el tipo de m�sculo que forma parte (de los vasos sangu�neos y de v�sceras como el est�mago y los intestinos, la vejiga urinaria y el �tero. Las paredes de estos �rganos pueden distenderse de manera considerable sin que disminuya su capacidad de contracci�n, de la que depende su funci�n de promover o regular la transportaci�n de los contenidos respectivos. Se dice, por lo tanto, que esta clase de m�sculos tiene la propiedad de plasticidad , y la raz�n de esta cualidad es estructural. Los filamentos de actina y miosina en las c�lulas de este tejido no se encuentran dispuestos de manera especialmente ordenada, como en el m�sculo esquel�tico. No hay en ellas series de aparatos unitarios equivalentes a los sarc�meros, y por consiguiente no muestran las estiraciones peri�dicas que caracterizan al m�sculo liso (Figura VI.13). La ventaja que significa la plasticidad del m�sculo liso se ha conseguido, sin embargo, a costa de la rapidez y precisi�n de trabajo que distinguen al m�sculo esquel�tico, pues los �rganos de que forma parte, no obstante que en ocasiones son muy poderosos, como es el caso del �tero, accionan con lentitud y sin una exacta coordinaci�n espacio-temporal.

Figura VI. 13. Esquema de la organizaci�n de la miosina (m) y la actina (a) en una c�lula de m�sculo liso. En estas c�lulas los filamentos no se arreglan en forma de sarc�meros, sino que se distribuyen irregularmente en el citoplasma; n = nucleo.

Una tercera categor�a de m�sculo es la que constituye el coraz�n de los vertebrados. Este �rgano excepcional, dise�ado para funcionar sin interrupci�n durante toda la vida, posee atributos fisiol�gicos muy singulares. No obstante, desde el punto de vista de la organizaci�n de la máquinaria molecular que lo anima, es muy similar al m�sculo esquel�tico. Sus c�lulas son estriadas, puesto que los filamentos de actina y de miosina se encuentran dispuestos en forma de sarc�meros que se contraen de manera concertada y alternada entre diferentes regiones.

Hasta aqu� hemos revisado las principales maquinarias moleculares y los aparatos que integran para efectuar la gran mayor�a de los movimientos que presenta la materia viviente. Estos mecanismos comprenden a las m�quinas constituidas por actina y miosina, o bien a las que tienen como base la tubulina y sus motores asociados. Estos dos sistemas operan simult�neamente en muchas c�lulas, cada uno encargado de su propia funci�n. Pero al menos en la mayor�a de las c�lulas animales llega un momento crucial en el que ambos conjuntos deben de actuar de manera perfectamente coordinada. Esta acci�n, una de las m�s asombrosas que haya producido la evoluci�n, es la que consigue reproducir la vida misma —la divisi�n celular. La descripci�n de los aparatos que intervienen en este fen�meno fundamental es el tema del siguiente cap�tulo.