Una propiedad de todas las células móviles es la polaridad; esto significa que ciertas estructuras siempre se forman en la parte frontal de la célula mientras que otras siempre se encuentran en la parte posterior.
La migración celular se inicia con la formación de una protrusión grande y ancha en el borde director. La observación con el microscopio revela que una característica importante de este movimiento es la polimerización de actina en la membrana. Además, en las células de los vertebrados los filamentos de actina en el borde director se enlazan rápidamente en forma cruzada en haces y retículos en la región de la protrusión, llamada lamelipodio.
En algunos casos, proyecciones de membrana delgadas semejantes a dedos, denominadas filopodios, también se extienden desde el borde director. Estas estructuras forman contactos estables con la superficie subyacente y previenen la retracción de la membrana.
- Pasos de la locomoción celular
La gran mayoría de las células que realizan la locomoción celular de forma citoplasmática lo realizan de la misma forma. Primero se da una extensión de la membrana, luego una adhesión al sustrato, un flujo del citosol hacia delante y una retracción de la parte posterior de la célula.
+ Extensión de la membrana
El retículo de filamentos de actina en el borde director es una especie de maquinaria celular que empuja la membrana hacia adelante mediante un mecanismo basado en la polimerización de la actina. El paso clave en la generación de fuerza es la adición de subunidades de actina en los extremos de los filamentos próximos en la membrana.
El complejo Arp2/3 crea nuevos extremos de filamentos mediante ramificación. La estructura ramificada de filamentos es estabilizada por proteínas como la filamina. A medida que los filamentos crecen, las subunidades de actina – ATP se convierten en subunidades de actina – ADP.
Consecutivamente, las proteínas de cubierta recubren los extremos (+) de los filamentos y la cofilina y la gelsolina fragmentan los filamentos de actina, lo que provoca la disociación de los filamentos de actina. La profilina convierte los monómeros de actina - ADP en monómeros de actina – ATP competentes para la polimerización listos para participar en el próximo ciclo.
Un mecanismo para explicar qué impulsa la membrana hacia delante, llamado modelo de propulsión elástica browniana, se basa en la propiedad mecánica elástica de un filamento de actina.
Las microfotografías electrónicas muestran que los extremos de los filamentos de actina terminan contra la membrana y no dejan espacio para que las subunidades se unan. Sin embargo, la energía térmica causa que un filamento se doble y crea espacio para la adición de subunidades.
Debido a que los filamentos de actina tienen la misma rigidez que una vara de plástico, la energía acumulada en la flexión endereza el filamento. La acción concertada de numerosos filamentos que sufren movimientos similares y su enlazamiento en forma cruzada en un retículo mecánicamente fuerte genera la fuerza suficiente (varios piconewtons) para empujar la membrana hacia adelante.
La gran prolongación de la membrana se consigue porque existe gran cantidad de endocitosis en la parte posterior de la célula en movimiento, cuyas vesículas se fusionan en el borde director.
+ Adhesión celular al sustrato
En este proceso participa fundamentalmente una proteína de membrana denominada integrina. Cuando la membrana ha sido movida y el citoesqueleto ha sido ensamblado, la membrana comienza a adherirse firmemente al sustrato.
Con el microscopio dinámico se observa que los haces de actina del borde director quedan anclados al sitio de fijación, el cual se transforma con rapidez en una adhesión focal. La fijación tiene dos finalidades: impide la retracción de las laminillas directoras y actúa como anclaje de la célula al sustrato, lo que le permite a la célula empujar hacia adelante.
+ Translocación del cuerpo celular
Una vez establecidas las fijaciones anteriores, el grueso contenido del cuerpo celular se transloca hacia adelante. Para ello se produce la contracción por deslizamiento de los filamentos de actina y miosina entre sí en la parte posterior de la célula, dando lugar a las fibras de estrés.
+ Rotura de las adhesiones celulares
Finalmente, en el último paso del movimiento, se rompen las adhesiones focales en la parte posterior de la célula y la cola liberada se dirige hacia adelante.
- La generación del movimiento
La generación de movimiento está precedida de la recepción de señales provenientes del medio extracelular por receptores. De modo general podríamos decir que, la activación del receptor por la señal activa a GTPasas interruptoras (Cdc42, Rac, Rho), que desencadenan cascadas de señalización que controlan todas las fases del movimiento celular en sí.
En este contexto, uno de los procesos dependientes de Rho es la formación de fibras de estrés y contracción. Una vez llega la señal al receptor, la proteína Rho se activa y activa a su vez a una quinasa que fosforila, inactivando, a la fosfatasa de las cadenas ligeras de la miosina.
De este modo, se promueve la acción de la quinasa de las cadenas ligeras de la miosina (Myosin LC quinasa) y la miosina es fosforilada, desplegándose y pudiendo promover la contracción.
Un aspecto importante de la locomoción es cómo se coordinan los movimientos en respuesta a distintos estímulos. Por ejemplo, el ensamblaje de un retículo de actina ramificado en la membrana plasmática es amplificado por la acción de varias vías de señalización y sus proteínas adaptadoras. La actividad ramificadora del complejo Arp2/3 es activada por una proteína adaptadora, WASp, bajo el control de la GTPasa Cdc42.
Cuando Cdc24 está unida a GDP es inactiva y se encuentra soluble en el citosol, y cuando se une a GTP se activa y se ancla en la membrana plasmática. Una vez activada, Cdc24 interactúa con el dominio RBD de WASp, activando esta última a Arp2/3 y promoviendo, consecuentemente, la ramificación de filamentos de actina preexistentes.
Esto forma filopodios, por lo que Cdc42 controla un paso anterior a Rho. Cdc24 también indica a la célula la dirección del movimiento por mediación de la proteína Par6. La hidrólisis de PIP2 estimula la liberación de iones Ca2+ desde el retículo endoplasmático hacia el citosol; este incremento de Ca2+ activa a la miosina II y la actividad seccionadora de la gelsolina. En consecuencia, esta vía paralela estimula el corte de actina y el crecimiento de los filamentos, por lo que incrementa el recambio de actina.
- Organización y dinámica de los microtúbulos
Un microtúbulo es un polímero de subunidades de tubulina globular, organizadas en forma de tubo cilíndrico de 24 - 25 nm de diámetro, o sea, más del doble del espesor de un filamento intermedio y el triple de un microfilamento. Su longitud varía porque poseen una estructura muy dinámica (inestable) y son mucho más rígidos que los microfilamentos o los filamentos intermedios debido a su estructura tubular.
Una consecuencia de este diseño tubular es su capacidad para generar fuerzas de propulsión sin doblarse, propiedad que es fundamental para el movimiento de los cromosomas y el huso mitótico durante la mitosis.
Las células contienen dos poblaciones de microtúbulos: los microtúbulos estables, de larga vida, y los microtúbulos inestables, de vida corta. Por lo general, los microtúbulos estables se encuentran en las células que no se dividen e incluyen al haz central de microtúbulos de los cilios y los flagelos.
Un núcleo interno de microtúbulos estables existente en los axones no solo soporta su estructura, sino que también proporciona vías a lo largo de las que se desplazan vesículas a través del citoplasma del axón. Los microtúbulos inestables se encuentran en células que necesitan montar y desmontar con rapidez las estructuras formadas por los microtúbulos.
Por ejemplo, durante la mitosis, la red de microtúbulos del citosol característica de las células en interfase se desarma y la tubulina proveniente de ella se usa para formar el aparato fusiforme que reparte los cromosomas en partes iguales a las células hijas. Cuando la mitosis se completa, el huso se desarma y se forma de nuevo la red de microtúbulos de la interfase.
+ Las subunidades heterodiméricas de la tubulina
La unidad de construcción de un microtúbulo es la subunidad de tubulina, un heterodímero de α-tubulina y β-tubulina. Aunque existe una tercera tubulina, la γ-tubulina, no forma parte de la subunidad de tubulina se conoce que se sintetiza y localiza en el centrosoma animal, o en el centro organizador de microtúbulos. Allí se asocia con otras proteínas formando complejos de anillos γ-tubulina, los cuales probablemente nuclean la polimerización de las subunidades de αβ-tubulina para formar microtúbulos.
Cada subunidad de tubulina se une a dos moléculas de GTP. Un sitio de unión al GTP, localizado en la α-tubulina, se une de forma irreversible al GTP y no lo hidroliza. El segundo sitio, localizado en la β-tubulina, se une al GTP de forma reversible y lo hidroliza a GDP.
Las interacciones laterales y longitudinales entre las subunidades de tubulina son las responsables de mantener la forma tubular. De este modo, ambos extremos de los microtúbulos terminan en espiral. En concreto, existe una separación de 3 subunidades en cada extremo. La disposición de “cabeza a cola” de los dímeros de α - tubulina y β - tubulina en el protofilamento confiere una polaridad global al microtúbulo.
Casi todos los microtúbulos de una célula son tubos simples, singletes de microtúbulos, constituidos por 13 protofilamentos. En casos raros los singuletes contienen más o menos protofilamentos. Además de la estructura simple del singulete, se encuentran dobletes o tripletes de microtúbulos en estructuras especializadas, como los cilios y los flagelos.
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Artículo redactado por Pablo Rodríguez Ortíz, Graduado en Biología por la Universidad de Málaga.