V. MOTORES Y M�QUINAS SIMPLES: MECANOENZIMAS Y POL�MEROS DE SOPORTE
PARA proceder en el orden cronol�gico de sus respectivos descubrimientos, entre los motores celulares debe mencionarse, en primer lugar, a la miosina, la cual se describi� e ilustr� en cap�tulos anteriores.
La miosina, con sus dos cabezas en uno de sus extremos, tiende espont�neamente
a formar fasc�culos con un arreglo peculiar. Cada mol�cula se une a otra con
orientaci�n opuesta, empalmando las colas, y cada una de estas parejas se asocia
lateralmente con otras parejas hasta constituir fibras en donde las cabezas
quedan asomando escalonadamente en la periferia del fasc�culo. Constituida de
esta manera, la apariencia de la fibra es similar a la que presentar�a un ramo
doble de rosas en bot�n, en el que las varas sin hojas estar�an empalmadas en
sentido contrario, y los botones quedar�an expuestos alternada y sim�tricamente
a lo largo de los extremos. Las cabezas de miosina son enzimas capaces de hidrolizar
ATP y aprovechar la energ�a liberada (Figura V. 1). La miosina
utiliza esta energ�a para modificar de manera transitoria su propia conformaci�n,
y puesto que este cambio produce trabajo mec�nico, como veremos a continuaci�n,
se trata de una mecanoenzima.
Figura V. 1. Filamento de miosina II y su interacci�n con microfilamentos
de actina. A) M�ltiples mol�culas de miosina asociadas para formar un filamento
bipolar. B) La interacci�n de filamentos de miosina con filamentos de actina
produce el deslizamiento de estos �ltimos.
Cuando una de estas fibras se encuentra con un microfilamento alineado en paralelo,
las cabezas de miosina propenden a acoplarse con las mol�culas de actina, favoreciendo
una firme asociaci�n entre ambas estructuras. Es entonces cuando, en presencia
de ATP, se expresan las propiedades motoras de la miosina y sus
cabezas literalmente caminan a lo largo del filamento. Al igual que el movimiento
de un pie, este notable fen�meno ocurre en varias etapas: 1) separaci�n
del punto de contacto inicial; 2) avance hacia una nueva posici�n; 3)
afianzamiento en el nuevo punto de contacto, y 4) efecto de arrastre
sobre el resto de la estructura en esa direcci�n. Las mol�culas de ATP
participan en las dos primeras etapas a trav�s dos acciones. Por una parte,
tienen la virtud de desprender las cabezas de miosina del filamento de actina;
por la otra, ceden su energ�a para permitir que las cabezas ya liberadas se
enderecen de su condici�n retra�da normal y puedan alcanzar el siguiente punto
de anclaje. As�, cada mol�cula de ATP, de �ste toma energ�a para
enderezarse, y se ancla nuevamente en un punto vecino al filamento. Al concluir
este �ltimo paso, la cabeza de miosina se vuelve a retraer y, puesto que se
halla unida al filamento de actina, la retracci�n se refleja en el arrastre
de su cola (Figura V.2). El ciclo se repite una y otra vez, siempre que haya
ATP disponible. Una cabeza de miosina consume la energ�a que aportan
entre 5 y 10 mol�culas de ATP cada segundo para desarrollar este
trabajo. Dado que otras cabezas de miosina en esa misma fibra efect�an un proceso
equivalente, la fibra se desplaza longitudinalmente sobre el filamento.
Figura V. 2. Interacci�n de una mol�cula de miosina II con un filamento
de actina. A) En estado de reposo la cabeza de miosina se encuentra firmemente
asociada al filamento. B) La uni�n con una mol�cula de ATP le permite
desprenderse del filamento. C) Una vez suelta, la cabeza de miosina hidroliza
el ATP y aprovecha la energ�a liberada para cambiar de conformaci�n
y alcanzar un sitio algo m�s distante sobre el filamento. D) Al ser eliminado
el ATP la cabeza de miosina vuelve a asociarse al filamento en
el nuevo sitio alcanzado. A la vez recupera autom�ticamente su conformaci�n
original y tira del resto de la mol�cula en la direcci�n del avance. Nuevas
mol�culas ATP permiten la repetici�n sucesiva del ciclo y el avance
lento sobre el filamento.
Esta descripci�n del funcionamiento de un motor molecular no es producto de la imaginaci�n. Aunque no es posible ver directamente la interacci�n din�mica entre las mol�culas de actina y miosina, existen numerosos indicios de que as� es como opera, hace algunos a�os se obtuvo una prueba contundente de ello. Los investigadores purificaron mol�culas de miosina a partir de m�sculo de conejo, y las fijaron por m�todos qu�micos sobre esf�rulas de un material sint�tico visible al microscopio. Cuando estas esf�rulas se pusieron en contacto con los filamentos de actina que existen en ciertas algas verdes, de inmediato se observ� que migraban a lo largo de los filamentos, y el movimiento s�lo ocurri� si exist�a ATP en el medio. Adem�s de corroborar la teor�a formulada previamente acerca del mecanismo de deslizamiento de fibras de miosina sobre filamentos de actina, este ingenioso experimento puso en evidencia que dicho mecanismo es com�n en c�lulas tan distintas y distantes entre s�, desde el punto de vista evolutivo, como son las del m�sculo de un animal superior y las de una planta primitiva. Se trata, por consiguiente, de un recurso tan eficaz que la evoluci�n lo ha conservado y distribuido entre una gran variedad de organismos para desempe�ar m�ltiples funciones.
Un filamento de actina se convierte as� en una pista para que la miosina camine
sobre �l, y esto impone una orientaci�n definida al movimiento en el espacio
tridimensional. Adem�s, tal como sucede con la mayor�a de las pistas, aparte
de que el desplazamiento debe efectuarse a lo largo del filamento, la direcci�n
est� tambi�n determinada: las cabezas de miosina pueden caminar �nicamente en
un sentido. Esto es consecuencia de la polaridad estructural de los filamentos
de actina, que acepta la asociaci�n entre ambas clases de mol�culas exclusivamente
en una posici�n espec�fica, de manera an�loga o como los asientos de un avi�n
determinan una posici�n regular y orientada de los pasajeros. Esta propiedad
puede demostrarse luego de exponer filamentos desnudos ante una multitud de
cabezas de miosina dispersas en una soluci�n carente de ATP. En
tales condiciones, por lo explicado antes, la miosina se adhiere con firmeza
a los filamentos, y el microscopio electr�nico revela que la adhesi�n ocurre
de acuerdo con un arreglo preciso. Las cabezas aparecen recubriendo por completo
cada filamento, ordenadas una junto a otra como peque�as salientes inclinadas
que dan al conjunto el aspecto de una apretada serie de puntas de flecha, similar
al de una espiga de trigo (Figura V.3). Se dice entonces que el filamento fue
decorado con las cabezas de miosina, y ello constituye una prueba contundente
de que se trata de un filamento de actina. Cuando las cabezas forman parte de
una fibra de miosina en la condici�n natural, el desplazamiento de la fibra
es en direcci�n contraria a aquella en la que se�alan las puntas de una flecha.
En t�rminos de la polaridad del filamento de la actina, esta direcci�n es la
que ve hacia el extremo (+), o aqu�l en donde ocurre preferentemente la adici�n
de mol�culas de actina durante la polimerizaci�n.
Figura V. 3. Filamento de actina decorado con miosina II.
La explicaci�n de los mecanismos que median la interacci�n motora de la miosina con los filamentos de actina ha sido un camino arduo en el que han participado muchos brillantes investigadores, y dista a�n de completarse en todos sus detalles. Sin embargo, por compleja que pueda parecer la descripci�n dada en los p�rrafos anteriores, el principio de operaci�n es, en �ltima instancia, el de una de las m�quinas m�s simples inventadas por el hombre; corresponde a lo que en mec�nica se llama un trinquete, es decir, un dispositivo en el que una u�eta avanza a lo largo de un poste, clav�ndose sucesivamente en ranuras hendidas de manera peri�dica sobre la superficie del mismo. En cada paso, la u�eta se separa de la ranura que ocupa y alcanza la ranura siguiente, donde se engancha para iniciar un nuevo ciclo. La forma de la u�eta y las ranuras es complementaria y oblicua con respecto al eje del poste, de tal modo que el avance s�lo puede efectuarse en una direcci�n; el mecanismo se atranca en la direcci�n contraria. De manera an�loga, la miosina avanza unidireccionalmente como una u�eta sobre el filamento de la actina. La �nica diferencia fundamental es que la u�eta del trinquete mec�nico responde pasivamente a una fuerza externa —aplicada por la mano de un operador; por ejemplo— , mientras que la miosina consume energ�a directamente para realizar ella misma todo el trabajo. La energ�a obtenida del ATP es utilizada por la miosina de manera espec�fica para enderezar la cabeza y ponerla en posici�n de alcanzar un nuevo sitio de anclaje. Es por esta raz�n que la miosina, a diferencia del trinquete, es un motor.
Dado que las cabezas de miosina deben tener una orientaci�n particular para asociarse funcionalmente con los filamentos de actina, una fibra de miosina, organizada sim�tricamente con cabezas caminantes apuntando en direcciones opuestas, s�lo puede interaccionar con filamentos orientados de manera adecuada en cada uno de sus dos extremos. Sin embargo, el extremo opuesto puede interaccionar con filamentos de actina colocados en posici�n antiparalela, es decir, cuya polaridad est� invertida con respecto a los primeros. La actividad motora de la miosina en ambos extremos de la fibra resultar� entonces en una aproximaci�n de los dos conjuntos de filamentos de actina, si �stos se encuentran libres. Pero si, como es habitual, los filamentos se encuentran unidos en sus cabos distantes con membranas u otros componentes celulares, tales componentes experimentar�n una fuerza de tracci�n hacia la zona en que se halla la miosina. Puesto que las fibras de miosina tienen cabezas caminantes proyectadas en diversos �ngulos en torno a su eje, cada fibra puede interaccionar a la vez con varios filamentos de actina en cada extremo. Se multiplica as� el trabajo realizado por la fibra y aumenta la fuerza que es capaz de generar. Este es, esencialmente, el fen�meno que ocurre durante la contracci�n muscular aunque, como veremos en cap�tulos posteriores, las c�lulas aprovechan este mecanismo para diversos fines. La combinaci�n de este motor molecular—la miosina— con filamentos que transmiten la fuerza constituye una (de las m�quinas biol�gicas m�s ubicuas y, por consiguiente, m�s estudiadas y mejor comprendidas. Veamos ahora otros ejemplos.
El funcionamiento del complejo actina-miosina hace patente que las estructuras
del citoesqueleto resultan ideales como puntos de apoyo, gu�as y l�neas de transmisi�n
de las fuerzas desarrolladas por los motores moleculares en las c�lulas. No
sorprende, por tanto, que los microt�bulos, algo m�s r�gidos y resistentes que
los filamentos de actina, constituyan el soporte para la operaci�n de otros
motores moleculares. Y en retrospectiva, tampoco causa mucho asombro que tales
motores est�n dise�ados conforme al mismo principio que la miosina. De hecho,
al menos en el primer caso que abordaremos a continuaci�n, existe una gran similitud
(Tabla 1) .
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Miosina I
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Miosina II
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Dinamina
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Cinesina
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Dinaína
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| Peso molecular | 110-140 Kda.. | 200 Kda. | 100 Kda. | 120 Kda. | 400-500 Kda. |
| Número de cabezas | 1 | 2 | 1 | 2 | 2 ó 3 |
| Proteínas y organelos con los que se une | actina y/o vesículas | miosina II | microtúbulos | vesículas | microtúbulos o vesículas |
| ATPasa activada por | microfilamentos de actina | microfilamentos de actina | microtúbulos | microtúbulos | microtúbulos |
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La dina�na —la prote�na de la fuerza— es otra mecanoenzima que utiliza
energ�a derivada de la hidr�lisis del ATP para cambiar transitoriamente
su conformaci�n. Se trata tambi�n de una mol�cula de grandes dimensiones integrada
por varias subunidades, las mayores de las cuales son dos cabezas globulares
con un peso de 410 000 daltones cada una, en las que reside la actividad de
ATPasa. Esta actividad aumenta sustancialmente en presencia de
microt�bulos. La dina�na fue inicialmente identificada como el motor que genera
el movimiento de ap�ndices vibr�tiles llamados cilios y flagelos que ciertas
c�lulas poseen. En fechas m�s recientes ha podido comprobarse que hay otras
formas de dina�na distribuidas en el citoplasma de una vasta variedad de organismos.
La caracter�stica distintiva de las dina�nas es su capacidad para avanzar sobre
los microt�bulos, de manera an�loga a como lo hace la miosina sobre los filamentos
de actina (Figura V.4). Cabe aclarar que esta interacci�n es por el exterior
y no por la estrecha luz de los microt�bulos, como justificadamente alguien
pudiera pensar. Todo indica que las cabezas de la dina�na se afianzan a un sitio
en la pared de los microt�bulos, en seguida cambian bruscamente de forma, y
luego se desprenden para enderezarse y afianzarse en un nuevo sitio, repitiendo
el ciclo sin cesar mientras dispongan de ATP.
Figura V. 4. Interacci�n de la cinesina con microt�bulos. A) Mecanismo b�sico
propuesto para la acci�n de la cinesina; B) desplazamiento de microt�bulos,
uno con respecto a otro, a trav�s de la cinesina; C) movimiento mediado por
cinesina de una part�cula sobre un microt�bulo.
Puesto que normalmente las mol�culas de dina�na est�n unidas a estructuras
celulares por el extremo opuesto al de las cabezas motrices, dichas estructuras
responden al esfuerzo de arrastre que se ejerce sobre ellas. Cuando la dina�na
se halla asociada con una ves�cula o alg�n otro tipo de part�cula en libertad
para desplazarse, �sta migra a lo largo del microt�bulo. Pero si la dina�na
se encuentra anclada en otro microt�bulo, se produce un deslizamiento de un
microt�bulo sobre el otro y cada uno de ellos act�a como elemento de transmisi�n
de la fuerza generada hacia las partes de la c�lula con las que est� conectado
mec�nicamente. El fen�meno puede reproducirse experimentalmente colocando microtubulos
purificados sobre una laminilla de vidrio recubierta con mol�culas de dina�na;
se observa entonces que los microt�bulos se deslizan paralelamente a la superficie
si el medio est� provisto de ATP.
Al igual que en la m�quina constituida por actina y miosina, la polaridad de
los microt�bulos determina la direcci�n del avance de la dina�na sobre ellos.
Una diferencia importante, sin embargo, es que en este caso el sentido del movimiento
apunta hacia el extremo (-) del microt�bulo, es decir; el menos propicio para
la adici�n de mol�culas de tubulina durante su polimerizaci�n. Por fortuna,
en los �ltimos diez a�os han aparecido otros dos tipos de mecanoenzimas —las
cinesinas o prote�nas del movimiento (120 000 daltones) y la dinamina o prote�na
de la potencia (100 000 daltones)— con propiedades y funciones semejantes
a las de las dina�nas, pero que se trasladan en sentido contrario al de �stas
sobre los microt�bulos (figura .V.5). En consecuencia, un mismo microt�bulo
puede servir como soporte y gu�a para movimientos de otros componentes celulares
en ambas direcciones.
Figura V. 5. Desplazamiento de microt�bulos mediado por la dina�na.
Hemos completado as� un inventario m�nimo de partes e ingredientes indispensables para la integraci�n y el funcionamiento de la maquinaria que mueve a las c�lulas, y a trav�s de estas �ltimas a la mayor�a de los seres vivientes. La lista incluye los tres principales componentes del citoesqueleto —encargados de mantener la forma de las c�lulas y la distribuci�n de estructuras en su interior —, una familia de cuatro tipos de motores moleculares capaces de generar fuerzas sobre algunos pol�meros del citoesqueleto, y el combustible necesario para alimentar estos motores. Vimos tambi�n que las m�quinas simples constituidas por la combinaci�n de motores y pol�meros del citoesqueleto pueden desarrollar tensi�n entre puntos espec�ficos de una c�lula o acarrear estructuras a trav�s de su citoplasma. Pasaremos ahora a examinar c�mo estas m�quinas simples se re�nen en conjuntos arm�nicos para integrar aparatos que desempe�an muy variadas funciones.
SISTEMAS DE TRANSPORTE COLECTIVO
Ya hemos dicho que cuando las mol�culas de miosina, dina�na, cinesina y dinamina disponen de energ�a suministrada por el ATP tienen la capacidad de caminar en sentido unidireccional sobre los microfilamentos de actina o a lo largo de los microt�bulos, respectivamente, y que en cada caso el sentido del avance est� determinado por la polaridad del pol�mero lineal correspondiente. En consecuencia, un arreglo en paralelo de m�ltiples pol�meros del mismo tipo constituye una verdadera pista para el tr�fico de los motores moleculares respectivos. Esta clase de arreglo es aprovechada por muchas c�lulas para realizar un acarreo dirigido de materiales por su interior.
Un ejemplo t�pico de este fen�meno se encuentra en numerosas c�lulas vegetales.
En presencia de luz —es decir, cuando hay producci�n de ATP
gracias a la fotos�ntesis— el contenido celular es circulado ininterrumpidamente
a velocidades de hasta 100 micras por segundo, dentro de pasadizos internos
que a menudo atraviesan o circunvalan un enorme espacio libre o vacuola central
(Figura V.6). Mediante este proceso la c�lula asegura una distribuci�n homog�nea
de nutrientes y otras sustancias en su interior. El espect�culo de estas corrientes
intracelulares ha cautivado a los microscopistas por m�s de 200 a�os, desde
que en 1774 Corti lo describi� por primera vez; pero no fue sino hasta la d�cada
pasada que logr� aclararse el principio general que explica el fen�meno.
Figura V. 6. Varios tipos de corrientes citopl�smicas en c�lulas vegetales.
Por lo regular; el movimiento se origina en la cercan�a de largas fibras que
pueden estar dispuestas de diversas maneras en el interior de las c�lulas. El
deslizamiento del citoplasma siempre es paralelo a estas fibras y con una velocidad
m�xima en la vecindad inmediata a las mismas. Las fibras que dirigen el movimiento
tienen un di�metro aproximado de 0.2 micras, pero cuando son examinadas con
un microscopio electr�nico aparecen corno cables integrados por m�ltiples filamentos
con un calibre individual de entre cinco y siete nan�metros. Estos filamentos
pueden ser decorados artificialmente con cabezas de miosina, como se explic�
en el cap�tulo anterior, por lo que no hay duda de que son pol�meros de actina.
Es m�s, como tambi�n se mencion� antes, se ha demostrado que en presencia de
ATP y en condiciones propicias los cables compuestos por estos
filamentos pueden servir como base y gu�a para la migraci�n de cabezas de miosina
obtenidas de m�sculo de conejo.
El tratamiento de las c�lulas vegetales con citocalasinas —que como se
recordar� inducen la despolimerizaci�n de los filamentos de actina o con inhibidores
metab�licos que disminuyen la producci�n de ATP, interrumpe de
manera dr�stica el flujo intracelular. Puesto que tambi�n se sabe que las c�lulas
vegetales —al igual que las de origen animal— tienen una dotaci�n de
mol�culas de miosina, est� claro que las corrientes cito pl�smicas en las plantas
se generan porque estas mol�culas se impulsan sobre filamentos de actina mediante
un proceso dependiente de ATP (Figura V.7).
Figura V. 7. Corrientes citopl�smicas en una c�lula vegetal. Secuencias
videomicroscopicas del movimiento de los cloroplastos dentro de una c�lula de
la planta acu�tica Vallisneria. Los cloroplastos se mueven en c�rculos
alrededor de la c�lula utilizando la interacci�n de actina y miosina. Las flechas
se�alan un mismo grupo de cloroplastos en 3 posiciones sucesivas.
De manera an�loga a lo que sucede con las calles y avenidas de una ciudad, los cables de filamentos de actina pueden ser transitados por las mol�culas de miosina en doble sentido o en una sola direcci�n. Puesto que cada filamento permite el avance �nicamente en un sentido, el tr�nsito en uno o en dos sentidos depende de la orientaci�n de los filamentos que componen el cable. Si todos los filamentos tienen su polaridad orientada en el mismo sentido, el movimiento ser� necesariamente unidireccional; pero si el cable est� formado por filamentos dispuestos de modo antiparalelo, es decir, con sus polaridades orientadas en sentidos opuestos, constituye una pista sobre la que las mol�culas de miosina podr�n migrar en ambas direcciones.
Las mol�culas de miosina recorren los cables de filamentos de actina como unidades
libres, o bien como veh�culos de carga si est�n asociadas con ves�culas y otras
peque�as estructuras. El desplazamiento activo de estos componentes ocasiona
un efecto de arrastre pasivo sobre el fluido circundante, por lo que si el movimiento
es unidireccional se produce un flujo continuo en la capa de citoplasma contigua
al cable. Cuando existe un conjunto de cables paralelos, los flujos respectivos
se suman y afectan regiones de citoplasma m�s distantes, gener�ndose as� una
verdadera corriente que pone en circulaci�n pr�cticamente la totalidad del contenido
celular (Figura V.8).
Figura V. 8. Mecanismo propuesto de corriente citoplasmica: a =actina, c
= cloroplasto, m = miosina, me = membrana, p = pared celular.
Al igual que los filamentos de actina, los microt�bulos tambi�n pueden constituir
pistas para la migraci�n de motores moleculares. El caso m�s notable de esto
es el llamado transporte axopl�smico que tiene lugar en el interior de las prolongaciones
cil�ndricas o axones de las c�lulas nerviosas o neuronas. Estas prolongaciones,
tradicionalmente conocidas como fibras nerviosas, son las que permiten la transmisi�n
de se�ales entre puntos espec�ficos del sistema nervioso, y pueden alcanzar
longitudes de decenas de cent�metros e incluso metros en animales de gran tama�o.
Si bien las se�ales conducidas son en su mayor�a de naturaleza el�ctrica y se
propagan por la membrana que limita cada ax�n, existe adem�s un atareado acarreo
de materiales por dentro de la fibra, es decir, a trav�s del axoplasma. Prote�nas,
gr�nulos, mitocondrias, y ves�culas de diversos tama�os emplean este sistema
de transporte colectivo para viajar de un extremo a otro de las c�lulas nerviosas.
El proceso ocurre de manera continua en ambos sentidos de la fibra, simult�neamente,
con velocidades de hasta cinco micras o algo m�s por segundo (casi medio metro
en 24 horas) que, convertidas proporcionalmente a una escala m�s familiar; ser�an
comparables a la de un autom�vil compacto corriendo a unos 120 km por hora.
El transporte por el interior del ax�n permite a la neurona suministrar a sus
prolongaciones y a sus remotas terminales los componentes que requieren para
su mantenimiento y funcionalidad, as� como recibir mensajes de tipo qu�mico
acerca de las c�lulas con que est� directamente conectada (Figura V.9).
Figura V. 9. Transporte axopl�smico. A) Representaci�n del ax�n en una neurona;
B) amplificaci�n mostrando ves�culas transportadas a lo largo del ax�n por el
citoesqueleto: mt = microt�bulos interconectados con la matriz citoplasmica,
mit = motocondrias, nf = neurofilamentos, me = membrana celular, v = ves�culas.
Las prolongaciones, en ocasiones muy ramificadas, que otorgan a las neuronas su apariencia singular, no ser�an posibles sin un armaz�n interno que les ayude a mantener una forma tan asim�trica. Dicho armaz�n est� constituido desde luego por el citoesqueleto; de hecho, las c�lulas nerviosas son quiz�s el ejemplo m�s destacado de hasta qu� punto el citoesqueleto puede obligar a que las c�lulas embrionarias, originalmente globulares, adopten morfolog�as adecuadas a funciones particulares. El microscopio electr�nico revela que la estructura m�s prominente de toda fibra nerviosa es una columna de microt�bulos asociados lateralmente entre s� por medio de numerosos brazos transversales. En muchos casos se encuentran tambi�n filamentos longitudinales de 10 nan�metros de grueso, llamados neurofilamentos, que por sus caracter�sticas pertenecen a la familia de los filamentos intermedios. Adem�s de proporcionar estabilidad estructural a la fibra, los microt�bulos desempe�an un papel central en el mecanismo del transporte axopl�smico. La colchicina, la vinblastina y otras drogas que despolimerizan los microt�bulos, imposibilitan la continuidad del transporte. Por otra parte, cualquier condici�n que dificulte la producci�n de ATP —falta de ox�geno, sustancias t�xicas para las mitocondrias, etc.— detiene el proceso en poco tiempo. Como hemos visto, estas propiedades —interrupci�n del movimiento por trastorno del citoesqueleto o por carencia de energ�a metab�lica— son caracter�sticas de los fen�menos mediados por motores moleculares. Sin embargo, s�lo hasta en fechas muy recientes consigui� establecerse la identidad de tales motores.
En 1985, mediante laboriosos procedimientos bioqu�micos, se logr� aislar del axoplasma un complejo de prote�nas que tiene la habilidad de efectuar muy curiosos malabares. Al ser agregado, junto con ATP, a una suspensi�n de microt�bulos sueltos, hace que �stos repten sobre el vidrio de la c�mara de observaci�n o que se deslicen unos contra otros. Si los microt�bulos se sujetan artificialmente al vidrio con un adhesivo y se a�aden luego ves�culas obtenidas tambi�n del axoplasma, adem�s de ATP; la prote�na hace que las ves�culas marchen a lo largo de los microt�bulos. Se trata, pues, de un translocador que act�a en concierto con los microt�bulos; s� �stos est�n libres puede moverlos con respecto a una superficie de sost�n, pero si est�n fijos su acci�n se refleja en el movimiento de peque�as part�culas sobre los mismos microt�bulos. Como conviene a un sistema de transporte colectivo, el translocador result� no ser espec�fico, ya que mueve toda clase de carga dadas las dimensiones apropiadas. En esta misma serie de experimentos se constato que la prote�na es capaz de transportar perlitas microsc�picas de l�tex. �sta es en resumen la historia del descubrimiento de la cinesina, uno de los motores moleculares que opera en asociaci�n con los microt�bulos.
La investigaci�n posterior ha comprobado que la cinesina es el veh�culo del transporte axopl�smico, y que la columna de microt�bulos en el axoplasma ofrece gu�a y soporte para el traslado de componentes a lo largo del ax�n. Sin embargo, a diferencia de los cables de filamentos de actina en las c�lulas vegetales, los microt�bulos que se encuentran en el axoplasma tienen su polaridad orientada casi exclusivamente en un solo sentido. La cinesina, que al igual que los dem�s motores moleculares s�lo transita en una direcci�n sobre su pol�mero correspondiente, migra en los axones alej�ndose del cuerpo celular. Como ya explicamos, el transporte axopl�smico es bidireccional, y por ello el flujo en sentido opuesto requiere de alguna explicaci�n. La respuesta para este enigma parece residir en la dina�na, un translocador que avanza sobre los microt�bulos en direcci�n inversa llevarse a cabo a la cinesina. El ir y venir simult�neo de diferentes materiales a lo largo del ax�n puede mediante un sistema compuesto �nicamente por una sola columna de microt�bulos orientados de id�ntica manera, y dos tipos de transiocadores que marchan en direcciones opuestas.
El transporte axopl�smico ha sido de gran utilidad para determinar con precisi�n la conectividad en el sistema nervioso, ya que, para indagar con qu� otras c�lulas est� conectada una neurona, basta inyectar en ella una sustancia reconocible, y examinar al cabo de alg�n tiempo el paradero de dicha sustancia en las regiones donde se sospecha que llegan sus prolongaciones. Desafortunadamente esta misma capacidad de transporte indiscriminado es aprovechada por ciertos virus para invadir las neuronas. La rabia, la polio y un tipo de herpes se propagan por las v�as nerviosas a trav�s de este mecanismo.
Adem�s del movimiento interno en las c�lulas generado por las diferentes m�quinas
que forman el citoesqueleto, muchas c�lulas necesitan desplazarse a diferentes
partes de su h�bitat, y en los organismos multicelulares algunas se mueven de
un �rgano a otro. Este ser�a el caso de los gl�bulos blancos que se desplazan
al sitio de una infecci�n, de las c�lulas embrionarias que se reorganizan para
formar �rganos, y de las c�lulas invasoras o cancerosas. Los leucocitos, macr�fagos,
y las c�lulas embrionarias y cancerosas se desplazan proyectando pseud�podos
o pies falsos, que mueven sobre diferentes tipos de soporte o en un medio l�quido.
En este tipo de c�lulas los pseudópodos se forman y se retraen en forma
constante para permitir el desplazamiento (figura V.10). La c�lula se proyecta
hacia adelante cuando se forma un pseud�podo en esa direcci�n y una fuerza motora
jala al resto de la c�lula tambi�n hacia adelante. A este tipo de movimiento
se le llama amiboideo, por haberse observado inicialmente en organismos unicelulares
de la clase Amoebina o amibas, que por cierto han sido objeto de gran
inter�s para los usuarios de microscopios �pticos.
Figura V.10. Secuencia videomicrosc�pica de una amiba en movimiento. La
direcci�n del movimiento es se�alada por la proyecci�n del pseud�podo anterior
(flecha), en donde el citoplasma carece de organelos.
Para que una c�lula se mueva utilizando sus "pies" necesitar�, como en el caso de un ser humano, de algo an�logo a lo que son los huesos y los m�sculos que permiten el sost�n y la propulsi�n del cuerpo. En el caso de una c�lula, el citoplasma se proyecta hacia la direcci�n en que se quiere hacer el desplazamiento. Debe estar lista toda la maquinaria necesaria para hacer el movimiento y arrancar en cuanto �ste empieza, como sucede con un corredor de carreras, que est� completamente listo en la l�nea de salida para arrancar en cuanto le den la se�al. As� pasa con un m�sculo, una c�lula no muscular, cuya maquinaria est� presta para moverse.
Desde el siglo XVIII, los bi�logos que hab�an observado el movimiento
de las amibas tambi�n hab�an descrito transiciones en la consistencia del citoplasma,
que denominaron gel-sol, ya que correspond�a al estado m�s r�gido (gel) o l�quido
(sol) que �ste presentaba, particularmente en los pseud�podos. En alg�n momento
se pens� que la formaci�n de los pseud�podos y el desplazamiento de la c�lula
en una direcci�n se podr�a deber a los mismos fen�menos de interacci�n de filamentos
de actina y miosina que hacen que se contraiga un sarc�mero. Sin embargo, por
lo que se conoce en la actualidad, parecer�a que el mecanismo del movimiento
amiboideo reside principalmente en la organizaci�n de la actina en el citoplasma
cortical o ectoplasma (Figura V.11). Esta banda de citoplasma perif�rico, localizado
justamente debajo de la membrana celular, es particularmente transparente y
sufre cambios notorios en su consistencia precisamente cuando se forma un pseud�podo.
Cuando se encuentra en un estado gelatinoso r�gido es capaz de soportar grandes
presiones. Al cambiar a la condici�n l�quida, este citoplasma cortical se expande
hacia donde se est� desplazando la c�lula.
Figura V. 11. Localizaci�n de actina en el pseud�podo anterior de dos amibas
en movimiento. Se pudo observar la actina en el citoplasma al decorarla con
anticuerpos preparados contra la prote�na y, despu�s, viendo la c�lula con un
microscopio de fluorescencia.
En 1976 se descubri� que tanto la actina como la miosina se localizan en el
ectoplasma de las c�lulas amiboides. La actina de esta regi�n puede ensamblarse
en filamentos largos concomitantemente con un aumento en la viscosidad del citoplasma.
La viscosidad disminuye silos filamentos de actina se rompen en sus componentes,
es decir, si se despolimerizan. Unos a�os despu�s se pudieron hacer experimentos
de gelificaci�n de extractos citopl�smicos en un tubo de ensayo. Estos extractos
tomados de varios tipos de c�lulas se transforman en gel al quitar del medio
iones de Ca2+ y son particularmente ricos en actina, la cual polimerizarse,
forma una red que le da cohesi�n al gel a pesar de que su masa mayoritaria es
fluida. Si uno toma filamentos de actina y los polimeriza en un tubo de ensayo,
los filamentos tienden a agruparse en haces, por lo que se pens� que el arreglo
reticular observado en los geles citopl�smicos podr�a resultar de la interacci�n
de la actina con otras prote�nas en el gel, ya que por experimentos de tipo
bioqu�mico se sab�a que los componentes proteicos en estos geles eran de varios
tipos. La primera prote�na que se identific� como promotora de la gelaci�n de
actina se aisl� de macr�fagos y se llamo ABP (por actin-binding
protein). La ABP se une en �ngulo recto a los filamentos de
actina, como si fuera una bisagra o un gozne que une dos filamentos en forma
m�s o menos perpendicular para formar una red octagonal. La presencia de esta
red en el citoplasma cortical impide el libre paso de organelos subcelulares
a esa regi�n, regulando a la vez la comunicaci�n con la membrana celular.
La consistencia del ectoplasma depender� de la concentraci�n y n�mero del filamentos de actina y de la concentraci�n de las prote�nas que, al unirse a los filamentos, causan su interacci�n para formar la red. La miosina que se encuentra en esta regi�n podr�a estar interaccionando con los filamentos de actina, lo cual ser�a responsable de la locomoci�n. Sin embargo, hay evidencia experimental reciente de que, por un lado, la concentraci�n de miosina en c�lulas no musculares es muy baja para formar una estructura tipo sarc�mero, que tampoco se ha visto en el citoplasma de este tipo de c�lulas, y por el otro, �stas se mueven normalmente. Por este tipo de resultados, y con el descubrimiento de otras prote�nas que se unen a la actina, se ha pensado que la locomoci�n de las c�lulas es un fen�meno causado por cambios en la conformaci�n de la actina, m�s que una contracci�n causada por su deslizamiento sobre filamentos de miosina. Sin embargo, �sta puede participar en la restricci�n del ectoplasma a una zona, contrayendo la regi�n inmediatamente por detr�s de donde se forma el pseud�podo.
En el modelo de movimiento amiboideo, causado por expansi�n cortical, el desensamble
de filamentos de actina en el ectoplasma causar�a un aumento local en la concentraci�n
de part�culas que generar�a el movimiento de fluidos hacia esta zona y, por
lo tanto, cambios en la presi�n osm�tica. De esta presi�n se podr�a derivar
la fuerza para formar un pseud�podo que se proyectar�a hacia el exterior en
aquella zona m�s fluida del ectoplasma que perdi� rigidez al desensamblarse
los filamentos de actina. La formaci�n del pseud�podo y la fuerza del l�quido
en la misma direcci�n mover�an a la c�lula ayudados por la polimerizaci�n de
la actina en el pseud�podo para darle rigidez. La repetici�n de ciclos de polimerizaci�n-despolimerizaci�n
de la actina en la regi�n cortical le permite a la c�lula formar pseud�podos
y moverse (Figura V.12). Para la iniciaci�n de cada uno de los ciclos se requiere
de ayuda adicional —otras prote�nas— que facilite la polimerizaci�n
y despolimerizaci�n de la actina en los momentos necesarios. Una prote�na con
estas caracter�sticas y que se encuentra tanto en macr�fagos como en muchas
otras c�lulas es la llamada gelsolina. Esta prote�na se pega a los filamentos
de actina y los corta en peque�os fragmentos y mon�meros de la prote�na que
quedan listos para polimerizarse de nuevo. Sin embargo, como se requiere que
permanezcan despolimerizados durante el estado del sol del citoplasma, la gelsolina
bloquea la polimerizaci�n pues permanece pegada al extremo de los fragmentos,
que es por donde podr�a reiniciarse. Mientras tanto, los mon�meros tambi�n son
bloqueados al un�rseles la prote�na llamada profilina. El material para rehacer
la red queda en reserva e inactivo. Cuando se recibe una se�al para polimerizar
la actina, el material se activa y se inicia la gelificaci�n.
Figura V. 12. Diagrama del movimiento amiboideo. Los filamentos de actina
(a) y miosina (m) interaccionan para permitir el desplazamiento de la c�lula
sobre el sustrato y la formaci�n y retracci�n de los pseud�podos. En S- G se
da la transici�n sol a gel y en G- S a la inversa; e = regi�n del endoplasma;
X regi�n del ectoplasma.
La coordinaci�n de todos estos procesos est� bajo el control de se�ales que
llegan a la membrana de la c�lula. Al pasar la se�al al interior de la c�lula
se producen varios efectos; uno de los m�s frecuentes es la salida de iones
de Ca2+ del interior de las ves�culas en donde est� almacenado. El
Ca2+ es un activador de la gelsolina, a la cual se une. La gelsolina
activada se pega a 1os filamentos de actina y, al fragmentarlos, inicia el ciclo.
Los fragmentos de filamentos unidos a la gelsolina, as� como los mon�meros unidos
a la profilina, se difunden hacia la membrana celular, en donde se ha encontrado
que se ponen en contacto con l�pidos de la clase del fosfoinositol. Estos fosfol�pidos
liberan la uni�n que existe entre la gelsolina y los filamentos de actina, por
un lado, y la asociaci�n de la profilina con mon�meros de actina, por el otro,
de modo que estos �ltimos ya libres, pueden volverse a reunir para formar n�cleos
de polimerizaci�n y nuevos filamentos de actina. Con ello se recupera el arreglo
reticular que estabiliza al pseud�podo y a la franja cortical gelificada del
ectoplasma (Figura V.13). Aunque �ste s�lo es un modelo, hay mucha evidencia
experimental que nos hace pensar que es el mecanismo responsable de ellas transiciones
gel-sol del citoplasma y de la locomoci�n celular. Nuevamente, en este modelo
la miosina podr�a participar asociada a la actina en alg�n tipo de contracci�n
que act�e en concierto con los cambios de consistencia descritos.
Figura V. 13. Diagrama del proceso de polimerizaci�n y despolimerizaci�n de la actina en la regi�n cortical de una c�lula en movimiento. Este proceso ayuda a la expansi�n del citoplasma para formar un pseud�podo. Las prote�nas que interaccionan con la actina y su uni�n a fosfol�pidos en la membrana regulan la polimerizaci�n y despolimerizaci�n de la actina en conjunto con el Ca2+ en el citoplasma.
