Inestabilidad Dinámica de Microtúbulos y Mecanismos de Transporte por Quinesinas

Modelo de Inestabilidad Dinámica de Microtúbulos

En condiciones de equilibrio, la concentración de $\alpha$-tubulina y $\beta$-tubulina (formando dímeros $\alpha\beta$) es más alta que la concentración crítica en el extremo positivo (+) y más baja en el extremo negativo (-). Esto favorece el ensamblaje en el extremo (+) y el desensamblaje en el extremo (-).

Cuando los microtúbulos ensamblados in vitro se cortan en fragmentos de distintos tamaños, los más cortos, en lugar de despolimerizarse completamente, exhiben un comportamiento dual: algunos se acortan más rápido, mientras que otros vuelven a crecer.

Los microtúbulos individuales pueden crecer, sufrir súbitamente una “catástrofe” que los corte, y los fragmentos pueden recuperarse, rescatándose de ser despolimerizados. A esta alternancia entre estadios de crecimiento y de ruptura se le denomina inestabilidad dinámica. Este proceso se debe a la distinta capacidad de fragmentarse que tienen en sus extremos los microtúbulos individuales.

• El acortamiento (catástrofe) siempre es drástico.
• La recuperación (rescate) es más lenta.

Base Molecular de la Inestabilidad Dinámica

Si observamos la base molecular de la inestabilidad dinámica, podemos notar que:

1. Los protofilamentos ($\text{protoF}$) asociados a GTP tienen en el extremo (+) filamentos rectos.
2. Los asociados a GDP los tienen curvados.

Por lo tanto, los primeros en crecer son rectos porque tienen $\beta$-tubulina-GTP, y los segundos se desensamblan porque son curvados y tienen unida $\beta$-tubulina-GDP. Si en un extremo el GTP se hidroliza al azar, el microtúbulo se curva y comienza a desensamblarse.

Interacciones en el Extremo (+)

Otras consecuencias de la inestabilidad dinámica incluyen:

La adición de un dímero $\alpha\beta$ al extremo (+) de un microtúbulo en crecimiento implica interacciones entre la nueva subunidad $\alpha$ y la terminal $\beta$. Dicha interacción estimula la hidrólisis del GTP en $\beta$. Sin embargo, la nueva $\beta$ lleva también GTP, por lo que el protofilamento tiene en el extremo $\beta$-GDP que es tapado por $\beta$-GTP (formando el cap o casquete GTP).

Si el protofilamento con $\beta$-GDP estuviera solo, se curvaría, pero las interacciones laterales $\text{protoF}$-$\text{protoF}$ no lo permiten. La energía de hidrólisis del GTP en la unidad anterior al cap se mantiene hasta que el cap $\beta$-GDP se libera, momento en el cual puede ser usada por alguna estructura unida al microtúbulo.

Quinesinas y Funcionamiento

Las quinesinas son proteínas motoras que se desplazan a lo largo de los microtúbulos.

Estructura de la Quinesina-1

La Quinesina-1, también conocida como “quinesina convencional”, presenta dos cadenas pesadas ($\text{2H}$) por motor activo. Estas cadenas forman dos dominios motores con cabezas globulares que se mantienen unidas por una cola sobreenrollada larga, responsable de la dimerización de las cadenas pesadas. El dominio de cola de cada cadena pesada lleva asociada una cadena ligera ($\text{2L}$) de Kin-1 que media la unión a la carga.

Diversidad de la Superfamilia de Quinesinas

La superfamilia de las quinesinas incluye 14 familias distintas. La mayoría de ellas tienen el dominio motor en el extremo N-terminal de la cadena pesada y se desplazan hacia el extremo (+) del microtúbulo.

Excepciones notables:

• Una familia tiene el dominio motor en el extremo C-terminal y camina en la dirección opuesta, hacia el extremo (-) del microtúbulo ($ ext{Kin-14}$).
• La $ ext{Kin-13}$ tiene un dominio motor central y no puede moverse, pero utiliza la energía de la hidrólisis del ATP para despolimerizar los extremos de los microtúbulos.
• La $ ext{Kin-5}$ ($ ext{4H}$) presenta motores bipolares que transportan hacia el (+) sobre microtúbulos antiparalelos.
• La $ ext{Kin-2}$ presenta dos dominios motores ($ ext{H}$) distintos (heterodímeros) y un tercer polipéptido que forma la cola.

Funcionamiento del Motor Kin-1 (Ciclo de Movimiento)

El movimiento de la Quinesina-1 se basa en un ciclo coordinado de unión y disociación mediado por la hidrólisis de ATP:

1. Estado Inicial: Al principio de cada paso, una de las dos cabezas (dominios motores) de la quinesina, la cabeza posterior o retrasada, está unida con fuerza al microtúbulo y al ATP. Mientras tanto, la cabeza anterior o delantera está unida de forma débil al microtúbulo y asociada al ADP.
2. Disparo del Paso: El desplazamiento hacia delante del dominio motor posterior es impulsado por la disociación de la cabeza delantera y la unión de ATP a esta cabeza.
3. Cambio Conformacional: La unión de ATP a esta cabeza provoca un cambio conformacional en ella.
4. Avance: Este cambio impulsa la cabeza anterior hacia delante, una vez que la cabeza posterior se haya soltado del microtúbulo con su ADP unido (la separación requiere la hidrólisis del ATP y la liberación de $\text{P}_i$).

La molécula de quinesina ahora está lista para su próximo paso, que se producirá de manera análoga.