Estructura y Función Celular: Microtúbulos, Filamentos y Contracción Muscular

Polimerización de Microtúbulos

La polimerización requiere una concentración adecuada de GTP y, fundamentalmente, de γ-tubulina, que actúa como base para la formación microtubular. Esta atrae polímeros de tubulina (β, γ, α), y una alta concentración de estos acelera la formación. La activación de los dímeros de β-tubulina necesita un segundo mensajero, el AMPc (adenosín monofosfato cíclico), que activa el GTP en el dímero. Al acoplarse estos dímeros a la β-tubulina, la tubulina se convierte en GTPasa, fosforilando el GTP y liberando Pi (fósforo inorgánico), lo que estabiliza y une los dímeros, permitiendo el crecimiento del microtúbulo.

Despolimerización de Microtúbulos

La despolimerización ocurre cuando la concentración de calcio en el citoplasma disminuye, activando canales de calcio que aumentan su concentración citoplasmática. Esto se acopla al extremo plus del microtúbulo, impidiendo la unión de más dímeros. Mientras se frena la polimerización, por debajo se despolariza. El factor TAU, presente en la α-tubulina, se activa y segrega calmodulina, que actúa como factor de velocidad para el calcio. La calmodulina, unida al microtúbulo, se libera al aumentar el calcio, secuestrándolo y evitando la despolarización. Bajas temperaturas, especialmente en organismos poiquilotermos, también causan despolimerización; por debajo de 5 grados, los microtúbulos se cristalizan y desintegran. La colchicina, de origen vegetal, bloquea la polimerización, impidiendo el crecimiento tubular.

Microfilamentos

Los microfilamentos son los filamentos citoesqueletales más pequeños, compuestos principalmente por actina y miosina. Son fibras de proteínas globulares de 3 a 7 nm de diámetro, situados en la periferia celular y sintetizados desde puntos específicos de la membrana. Su función principal es dar estabilidad a la célula y, junto con los microtúbulos, proporcionan estructura y movimiento. La asociación con la miosina es responsable de la contracción muscular. Los microfilamentos también participan en movimientos celulares como desplazamiento, contracción y citocinesis.

Filamentos Intermedios

Los filamentos intermedios están formados por agrupaciones de proteínas fibrosas, filamentos sólidos no ramificados de 10 a 12 nm. Tienen una disposición radial en el citoplasma, interconectados con otros filamentos del citoesqueleto mediante enlaces cruzados de plectina. Son fibras fuertes y flexibles que aportan fuerza mecánica a células sometidas a tensión física, como las musculares y epiteliales. Contienen un dominio helicoidal alfa central cilíndrico de longitud semejante y secuencia homóloga de aminoácidos.

Estructura de los Filamentos Intermedios

Como su nombre indica, tienen un diámetro de 10 a 12 nm. La estructura secundaria de ambas proteínas es tipo alfa hélice, dando a los dímeros una apariencia de cabeza globular y cola fibrosa. Su función principal es dar rigidez a la célula, proporcionar una conexión adaptable, un marco estructural, apoyo estructural y fijación al núcleo.

Contracción Muscular

La contracción muscular comienza con la llegada de una onda despolarizante en forma de potencial de acción al botón sináptico, activando canales de calcio dependientes de voltaje. El calcio ingresa y se acopla a la sinaptotagmina en la membrana de la vesícula sináptica. En la membrana presináptica, la sintaxina atrae a la sinaptobrevina, fusionando las membranas y liberando el neurotransmisor, que se acopla a los receptores colinérgicos en la membrana del retículo sarcoplásmico. Estos receptores se transforman en canales, permitiendo el ingreso de sodio al retículo sarcoplásmico. Esta onda despolarizante viaja a través de los túbulos T, generando la apertura de canales de calcio dependientes de voltaje, liberando calcio al citoplasma, donde su concentración aumenta de 10^-7M a 10^-5M.

En el citoplasma, la troponina C, al encontrar la elevación del calcio, genera atracción por este, causando un cambio conformacional en todo el complejo de troponinas. La troponina I, que mantenía la actina y la miosina desacopladas, se inhibe, y la tropomiosina se esconde en el surco de las actinas G, destapando los sitios activos para la miosina. Las cabezas de miosina tienen afinidad por la actina y por el ATP. Al entrar en contacto con la actina, una de las cabezas de la miosina se vuelve ATPasa e hidroliza rápidamente el ATP asociado, liberando energía química que se transforma en energía mecánica, actuando la miosina como un motor molecular.

La energía mecánica generada hace que las cabezas globulares realicen un movimiento llamado golpe de potencia, quedando pegado ADP y fósforo inorgánico. Este golpe desplaza el filamento de miosina. Al liberarse el ADP y el fósforo inorgánico, se permite el acople de otra molécula de ATP, despegando las cabezas de la actina, enganchándose de nuevo y regresando a su posición original, pegándose a otra molécula de actina sin gasto de ATP.

Relajación Muscular

La relajación muscular ocurre cuando cesa la llegada del neurotransmisor. La acetilcolinesterasa degrada el neurotransmisor en la hendidura sináptica, cerrando los receptores de acetilcolina y deteniendo la entrada de sodio. El potasio sale para repolarizar la membrana postsináptica, afectando al retículo sarcoplásmico. Los canales de calcio en la membrana del retículo sarcoplásmico se cierran, deteniendo la salida de calcio al citoplasma. Las bombas de calcio bombean el calcio de vuelta al interior del retículo, hasta alcanzar una concentración de 10^-7M, despegando el calcio de las actinas, relajando las tropomiosinas y ocultando los sitios activos de las actinas G. La troponina I se reactiva, impidiendo el acople entre miosina y actina.

Rigidez Cadavérica (Rigor Mortis)

En la muerte, cesa el flujo sanguíneo y la llegada de nutrientes. Las células agotan su energía y oxígeno, y el músculo entra en una contracción permanente y sostenida poco después del fallecimiento, produciendo rigidez. Con el tiempo, el cadáver recupera su flexibilidad debido a la ruptura de los lisosomas, que liberan enzimas digestivas que degradan los microfilamentos de actina y miosina, relajando el músculo. Entre estas enzimas se encuentran la cadaverina y la putrefaccina.

Parálisis Flácida y Espástica

La parálisis flácida se caracteriza por músculos laxos y blandos, sin resistencia al estiramiento pasivo, resultando en debilidad extrema y pérdida completa de reflejos tendinosos, causada por alteraciones en el nervio periférico o lesiones en las neuronas motoras. La parálisis espástica dificulta el control muscular, causando debilidad y produciéndose cuando las células nerviosas de la capa externa del cerebro no funcionan correctamente.

Diferencia entre Cuerpo Basal y Centriolo

Los centriolos están cerca del núcleo y participan en la división celular, mientras que los cuerpos basales participan en la formación de cilios o flagelos y se encuentran en la periferia. Los centriolos presentan extremos abiertos, mientras que los cuerpos basales están cerrados por una placa basal.

Función del Axonema (Formación 9+2)

El axonema es el centro del cilio y contiene una disposición de microtúbulos que corren longitudinalmente a través del orgánulo. El mecanismo de locomoción de cilios y flagelos reside en el axonema, permitiendo el movimiento mediante el desplazamiento de los microtúbulos periféricos. La estructura 9+2 significa 9 pares de microtúbulos periféricos y 2 microtúbulos centrales. Los periféricos tienen forma elíptica, formados por una subfibra A y B. A: nexina une los 9 pares con los 2 centrales. B: dineína une los 9 pares y forman un óvalo.

Componentes de la Fibra Muscular

• Túbulos T: Comunicación directa con el medio extracelular, formando la triada y almacenando Ca²⁺.
• Retículo Sarcoplásmico: Almacena Ca²⁺ y ayuda en la contracción muscular.
• Banda A: Oscura, anisotrópica, formada por empaquetamientos de microfilamentos de miosina.
• Banda I: Clara, isotrópica, formada por empaquetamientos de microfilamentos de actina.
• Línea Z: Corta la banda I, formada por la proteína alfa actinina.
• Sarcómero: Espacio entre dos líneas Z, unidad funcional o contráctil del músculo por deslizamiento de actina sobre la miosina.
• Línea M: Formada por miomesina, atraviesa la banda A.
• Banda H: Visible cuando la fibra está relajada.

Motores Moleculares

La función de los motores moleculares es transportar orgánulos o materiales dentro de la célula utilizando los microtúbulos. Son específicos para una determinada carga y transforman energía química en mecánica. Hay dos tipos:

Cinesina

La cinesina hidroliza el ATP, convirtiendo energía química en mecánica para transportar vesículas. En su cabeza globular tiene afinidad por el ATP, convirtiéndose en ATPasa e hidrolizando el ATP. La energía liberada se convierte en energía cinética, originando un cambio conformacional que permite el avance de 2 monómeros de tubulina, avanzando entre 80 y 100 nm en un solo paso por la hidrólisis del ATP. Luego, otra molécula de ATP se une a otra cabeza, se hidroliza y la cabeza da otro cambio conformacional y otro paso, en un mecanismo mano a mano, desplazándose en sentido de – a + y transportando el material del centro hacia la periferia (dirección centrífuga).

Dineína

El proceso de la dineína es similar al de la cinesina, pero su desplazamiento es diferente, va en sentido de + a -, es decir, en dirección centrípeta, de la periferia al centro de la célula.

Movimiento de Cilios y Flagelos

El movimiento de cilios y flagelos se lleva a cabo cuando los brazos de dineína tienen afinidad por moléculas de ATP. Al unirse una molécula de ATP, la dineína se vuelve una ATPasa, hidrolizando el ATP y generando un cambio conformacional en los brazos de dineína. Este cambio provoca que un brazo se proyecte y entre en contacto con la subfibra B del siguiente par de microtúbulos, permaneciendo ADP y Pi. Este contacto se logra gracias a la hidrólisis del ATP. Al hacer contacto, el ADP y Pi se liberan de la dineína, generando el movimiento del brazo de dineína. Al ocurrir este movimiento, la dineína pierde la afinidad por la subfibra B y vuelve a su posición original.

Clases de Cilios

1. Estereocilios: No tienen movimiento porque no tienen axonema, se encuentran en el epidídimo y en el oído interno.
2. Cinetocilios: Tienen movimiento, con la misma estructura que los flagelos (axonema), presentes en vías reproductoras, senos paranasales y vías urinarias.

Flagelos

Los flagelos presentan movimiento, tienen la misma estructura que los cilios, y solo una célula humana tiene flagelos: el espermatozoide.

Movimientos de Cilios y Flagelos

Movimiento pendular, movimiento infundibuliforme o circular, movimiento uniforme de flexión y extensión, y movimiento ondulatorio propio del flagelo.

Enfermedades Relacionadas

Síndrome de Kartagener: Enfermedad genética debido a una mutación en el gen que codifica para la dineína. Si este gen está mutado, la proteína dineína queda mal estructurada, provocando un mal funcionamiento en el movimiento del cilio o flagelo. Los cilios o flagelos pierden el movimiento, manifestando síntomas como bronquitis crónica, sinusitis y situs inversus. El situs inversus es causado por la alteración de los cilios durante la morfogénesis embrionaria, generando dextrocardia (el corazón presenta el ápex hacia la derecha).

Mitocondria

Membrana Externa

• Lípidos: Fosfolípidos menos saturados, sin cardiolipina, mayor cantidad de colesterol.
• Proteínas: Porinas (proteínas voluminosas que permiten el paso de moléculas de mediano peso molecular), sin citocromos ni flavoproteínas, sin oxisomas.
• Carbohidratos: Asociados a proteínas de membrana, proyectándose hacia el citoplasma.

Membrana Interna

• Lípidos: Fosfolípidos más insaturados (más fluida), con cardiolipina (importante para el manejo de electrones y la cadena respiratoria), menor cantidad de colesterol, una de las membranas más fluidas debido a la gran cantidad de proteínas.
• Proteínas: Sin porinas, con citocromos y flavoproteínas (constituyen la cadena respiratoria), con complejos proteicos voluminosos llamados oxisomas, sin carbohidratos.

Oxisoma

El oxisoma es un complejo de proteínas constituido por dos regiones: una partícula Fo (canal protónico) y una partícula F1 (estructura bulbosa con 6 unidades proteicas, 5 de ellas ATP sintasas y una ATPasa que regula la tasa de producción de ATP).

ADN Mitocondrial

El ADN mitocondrial es una doble cadena circular constituida por 16.569 pares de bases nitrogenadas (pirimídicas y púricas). Una cadena es pesada y la otra liviana, diferenciándose en la presencia de bases púricas (guanina) y pirimídicas (citosina). Presenta un solo sitio de origen de replicación y no presenta intrones.

Bacterias

Las bacterias tienen dos membranas (externa e interna), pared celular, membrana citoplásmica, mesosoma (con oxisomas, partículas Fo y F1), cadena respiratoria similar a la de la mitocondria, gránulos (condensaciones de CHO) y ADN circular mucho más grande.

Origen Materno del ADN Mitocondrial

El ADN mitocondrial es de origen materno porque el espermatozoide solo aporta la cabeza al ovocito, dejando fuera la porción intermedia (donde se encuentran las mitocondrias paternas) y el flagelo.

Productos de los 37 Genes Mitocondriales

Los 37 genes mitocondriales originan: 2 genes para ARN ribosómico, 22 genes para ARN de transferencia y 13 genes para la fabricación de 13 proteínas.

Mutaciones Mitocondriales

• Homoplásmica: La madre hereda una gran porción de mitocondrias con ADN alterado y pocas con ADN sano, manifestándose desde el nacimiento.
• Heteroplásmica: La madre hereda una cantidad significativa de mitocondrias con ADN bueno y alterado.
• Por Supresión de Fragmentos: Pérdida de fragmentos grandes de ADN, con pérdida de bases nitrogenadas y genes.

Síndromes por Supresión de Fragmentos

• Síndrome de Kearns-Sayre: Oftalmoplejia externa progresiva, sordera, ataxia cerebral y bloqueo cardíaco (antes de los 20 años).
• Síndrome de Pearson: Anemia sideroblástica refractaria y disfunción exocrina del páncreas.
• Síndrome de Oftalmoplejia Externa Progresiva: Debilidad de los músculos oculares.

Mutaciones Puntuales

• MELAS: Encefalomiopatía mitocondrial con acidosis láctica, un trastorno neurodegenerativo con episodios agudos.

Tejido Adiposo Pardo

Los adipocitos pardos tienen muchas mitocondrias con la proteína UCP1 (termogenina) en su membrana interna. Esta proteína desacoplante es un canal protónico que permite el paso de hidrogeniones desde la cámara externa a la matriz, disminuyendo el gradiente rápidamente. Pocos hidrogeniones pasan por el oxisoma, produciendo poco ATP. Para compensar, la mitocondria acelera el flujo de electrones para mantener el gradiente, generando calor, importante en los niños.

Inhibidores de la Cadena Respiratoria

• Tipo I: Se acoplan al FMN. Sustancias: compuestos mercuriales, pesticidas, rotenona, amobarbital, pielicilina A. El NAD entra, pero los electrones quedan atrapados. La mitocondria sigue respirando, pero el rendimiento energético disminuye. Estado condensado, hipertermia.
• Tipo II: Entre el citocromo Q y el citocromo C1. Sustancias: antimicina A y dimerocaprol. Los electrones no pueden pasar al citocromo c1. Las células no respiran, no se genera el gradiente de electrones para el ATP. Estado ortodoxo, temperatura estable.
• Tipo III: A nivel de la citocromo oxidasa. Sustancias: monóxido de carbono, ácido sulfhídrico (reversibles, aumentan el oxígeno). Cianuro (irreversible).

Desacopladores

Sustancias como 2,4-DINITROFENOL, DINITROPRESOL Y CLORO CARVAMIL, CIANURO se incorporan a la membrana mitocondrial interna y actúan como canales protónicos. Los hidrogeniones pasan por todas las rutas, pocos por la formación de ATP. La mitocondria acelera el flujo eléctrico, ingresando más FAD y NAD, incrementando la velocidad del flujo de electrones. Estado ortodoxo, poca producción de ATP, presión osmótica y aumento de la temperatura (hipertermia).

Importación de Proteínas a la Mitocondria

Las proteínas a importar son fabricadas en el ribosoma y presentan una secuencia señal en su extremo N-terminal. Las proteínas HSP-70 impiden que se plieguen prematuramente. En la zona de contacto de la mitocondria, un receptor para la proteína HSP-70 suelta la proteína a su receptor. Cuando la mitocondria está polarizada, atrae la proteína a su interior y se acopla al complejo TOM y el TIM 23 sufre un cambio conformacional, abriendo un canal para la proteína. Una vez atraída, se ancla a la proteína chaperona HSP-70 mitocondrial, que la lleva hasta el complejo de proteínas chaperonas HSP-60 para madurar por completo.