1. CILIOS Y FLAGELOS Presentan la misma estructura básicamente. La diferencia microscópica más llamativa es que los cilios son muchos y cortos, mientras que los flagelos son pocos, más gruesos y más largos. Ultraestructuralmente hay otras diferencias. Los cilios siempre presentan la misma estructura. Los flagelos pueden alejarse algo de esta estructura porque se complican con otras estructuras añadidas. Los cilios se encuentran sólo en eucariotas, los flagelos tanto en eucariotas como en procariotas, pero se diferencian. El diámetro de los cilios es de 0,25 µm, y puede ser mucho mayor en flagelos, dependiendo de las estructuras que rodean al complejo microtubular. En eucariotas, se sitúan libres en la célula, pero rodeados de membrana plasmática. Cumplen una función de desplazamiento en el medio o de desplazamiento del medio que movilizan para expulsar las sustancias nocivas (células de la traquea) o para renovar sustancias necesarias para la respiración y nutrición (células de las branquias). Los cilios y los flagelos se encuentran muy difundidos en el mundo vivo, sobre las células de los invertebrados, los vertebrados, las células sexuales de los helechos y otras plantas, así como en los protistas. Sólo unos pocos grupos grandes de organismos eucarióticos, como las algas rojas, los hongos, las plantas con flor y los gusanos redondos (nematodos), no tienen cilios ni flagelos en ninguna célula. Los cilios son prolongaciones del citoplasma apical de 10 a 15 µm de longitud y 0,25 µm de diámetro, que contiene un eje de microtúbulos llamado axonema. Figura 1Figura 2 En cada axonema hay un par central de microtúbulos y nueve pares periféricos. Esta disposición 9+2 es característica de los cilios. Mientras que cada microtúbulo del par central es un microtúbulo completo, cada de uno de los dobletes externos se compone de un microtúbulo completo y otro parcial, fusionados de tal manera que comparten parte de su pared (Figuras 1 y 2). La estructura fundamental tanto de los cilios como de los flagelos es el axonema, que forma el cuerpo central de estos, y está constituido por microtúbulos y proteínas asociadas. El axonema contiene un conjunto de 9 dobletes de microtúbulos exteriores que rodean un par de microtúbulos centrales disponiéndose así en un patrón de organización característico de “9+2”. Los dobletes exteriores tiene un microtúbulo (filamento A) completo con 13 protofilamentos y uno incompleto (filamento B) constituido solamente por 10 u 11 protofilamentos unidos al microtúbulo A. Los microtúbulos periféricos están unidos unos a otros por brazos formados por una proteína llamada apropiadamente Nexina, y al par central a través de espinas radiales. Por otra parte, una proteína motora (que convierte la energía de hidrólisis de ATP->ADP+Pi en trabajo mecánico) de la familia de la Dineína llamada dineína axonémica está unida al filamento A por dos brazos, con su dominio motor expuesto al filamento B. La actividad motora de esta Dineína axonémica es la responsable de la curvatura del flagelo dirigiendo el batido de cilios y flagelos por los que constituye algo así “el músculo” del axonema. Los extremos menos (-) de los microtúbulos del axonema están unidos al cuerpo basal situado en el citoplasma que tiene una estructura similar al centríolo (llamado por ello procentriolo) con nueve tripletes de microtúbulos. El cuerpo basal tiene la misma organización que los centríolos, y actúa como un MTOC (centro organizador de microtúbulos) en la formación del axonema. Cada uno de los dobletes de los microtúbulos exteriores (filamentos A y B) del axonema está formado por la extensión de los microtúbulos presentes en los tripletes del cuerpo basal, el filamento C de este no continua en el axonema. Por lo tanto, los cuerpos basales sirven tanto para iniciar el crecimiento de los microtúbulos del axonema, como para anclar los cilios, y los flagelos a la superficie celular. Entre el axomena y el cuerpo basal existe una zona de transición. Tipos de Cilios Los cilios pueden aparecer por cientos en una célula, con un tamaño 0.4 micras en diámetro y con 2-10 micras de largo. El movimiento de batida de cada cilio y flagelo individual se producen por el deslizamiento de los dobletes externos de microtúbulos uno respecto al otro, impulsados por la actividad motora (dependiente de la hidrólisis de ATP) de la Dineína axonémica. Los cilios baten con un movimiento coordinado de atrás adelante (a la manera de un látigo), movimiento que consigue que la célula se mueva a través del fluido o bien el fluido se desplace sobre la superficie de la célula. Por ejemplo, el movimiento de cientos de cilios situados en la superficie de la célula de algunos protozoos (e.g. protozoos del género Paramecium) son los responsables tanto de la motilidad en el fluido como del barrido y desplazamiento hacia su cavidad oral de las partículas alimenticias. Una función importante de los cilios en los animales es el movimiento de los fluidos extracelulares y del mucus sobre las capas de las células epiteliales orientadas hacia un lumen. Un buen ejemplo de ello viene dado por las células ciliares que recubren el tracto respiratorio, que lo limpian de mucus y polvo, un proceso llamado aclaración mucociliar. Las células de los ventrículos del cerebro dotadas de cilios “9+2” favorecen el flujo del fluido cebroespinal. Existen otros cilios especiales llamados cilios nodales y primarios que tienen un axonema con una ordenación “9+0”, por lo que no tienen el par central de microtúbulos. Los cilios nodales se encuentran en el nodo embrionario de los vertebrados, en una unidad por célula, y tienen a diferencia de los cilios “9+2” un movimiento rotatorio que genera un movimiento del fluido extraembrionario (llamado flujo nodal) dirigido o sesgado hacia la izquierda, flujo que está implicado en el establecimiento de la asimetría derecha-izquierda en el embrión. El tipo de movimiento que realizan es de bateo, a modo de látigo, de manera sincronizada, produciendo una especie de ola que desplaza el fluido en una dirección paralela a la superficie de la célula. El daño en el funcionamiento de estos cilios nodales se manifiesta en forma de diferentes tipos de defectos de asimetría izquierda-derecha en la posición del corazón hígado, estomago y bazo en el organismo humano. Por ejemplo en individuos humanos con defecto situs inversis totalis, muestran invertida la asimetría izquierda-derecha de esos órganos a modo de una imagen especular con respecto a los individuos “normales” (situs solitus). Por otra parte, los cilios primarios son no motiles, son pequeños (0.2 μm en diámetro y 0.5 μm en longitud), y se encuentran como una única unidad en la mayoría de las células epiteliales y células estromales de los mamíferos, con la única excepción de las células diferenciadas de origen mieloide o linfoide. Se han observado numerosos cilios, denominados cilios primarios que no funcionan como estructuras móviles. Las mutaciones que dañan el cilum primario están asociadas con una amplio espectro de enfermedades (policistosis del riñon, malformaciones esquelética, daño hepático y pancreático, defectos de desarrollo etc…). Prácticamente todos los tejidos animales estudiados, excepto las células sanguíneas, poseen cilios primarios: oviductos, neuronas, cartílagos, ectodermo de las extremidades en desarrollo, células mesenquimáticas, ventrículos cerebrales, células epiteliales de los conductos urinarios, conductos prancreáticas, células hepáticas, e incluso células en cultivo. La mayoría de estos cilios no son móviles y se pensó que no eran funcionales. Sin embargo, se observó que la membrana ciliar tenía numerosos receptores y canales iónicos, por lo que se le asignó un papel sensorial. La información recibida puede ser convertida en una cascada de señalización que se inicia en el compartimiento ciliar y traducida al cuerpo celular, donde se pone en marcha una respuesta fisiológica adecuada. Por ejemplo, los receptores olfativos se encuentran en cilios dendríticos y los segmentos externos de los conos y bastones de la retina son en realidad cilios modificados. Existen numerosas moléculas en el interior del cilio primario que traducen estas señales. La mayor relación superficie/volumen hace que las respuestas intraciliares sean muy intensas frente a señales externas relativamente débiles. Además de sustancias químicas también pueden detectar movimientos de fluidos circundantes, actuando como mecanoreceptores. Por ejemplo en el riñón el flujo produce la curvatura pasiva de los cilios de las células renales que sirve para la mecanodetección del flujo de fluido extracelular. CILIO: Esta formado por varias partes: el tallo ciliar, la zona de transición, el corpúsculo basal o kinetosoma y las raicillas filiares. Tallo ciliar: se distingue la membrana plasmática de la matriz y el axonema con una formula 9+2 y esta formado por microtúbulos. Se encuentra dentro del la matriz citoplasmática. Es una estructura formada por 9 dobletes de microtubulos periféricos y 2 microtubulos centrales. Es una estructura tubular llamada axonema que tiene la formula 9+2 (9 microtubulos periféricos y 2 centrales). Este axonema puede variar en los distintos animales. De los pares de microtúbulos periféricos uno de ellos es el A y otro el B. el A es completo, formado por beta protofilamentos mientras que el 13 esta formado por 10 protofilamentos compartiendo 3 con el microtúbulo A. Del A parten dos brazos de dineina, uno interno y otro externo. Además parten puentes proteicos de nexina que comunican el microtubulo A con el microtubulo B vecino. Estos puentes de nexina están muy separados unos de otros. Por último de los microtúbulos A parten radios que van desde el A hasta la vaina central que rodea al par de microtúbulos centrales. Estos radios no se encuentran todos a la misma distancia sino que están separados 24, 32, 40 nanómetros. Los microtúbulos centrales son completos (13protofilamentos) y entre ellos hay un puente de comunicación. Zona de transición: esta en la parte basal del tallo ciliar. En ella el par de microtúbulos central se interrumpe debido a que a este nivel existe una placa densa que se denomina placa basal. También a la zona de transición llegan fibrillas procedentes de microtúbulos C del corpúsculo basal, estas fibrillas son llamadas fibrillas de transición. El cuerpo basal: es prácticamente un centríolo ya que posee su misma estructura. Este posee una región distal y proximal y se encuentra anclado al citoplasma de la célula. Las raicillas ciliares: son fibras largas que parten de los tripletes del cuerpo basal. Presentan una estriación transversal en bandas claras y oscuras. No se observan en humanos. Funciones de los elementos ciliares: Raíces filiares: anclan al cilio al citoplasma. Se estiran y se contraen y están relacionadas con el batido y la orientación de los cilios. Formadas por una proteína que es la centrina. Puentes de nexina: mantienen el axonema organizado. Brazos de dineina: tienen actividad ATPasa, es decir producen la energía necesaria para el deslizamiento de unos microtúbulos sobre otros cuando se produce el movimiento ciliar. Radios y vaina central: regulan la actividad ATPasa de la dineína. Movimiento ciliar: Cada cilio se mueve de forma parecida a un látigo o a la de una brazada de natación. Cada cilio realiza un ciclo repetitivo de movimiento que consiste en un golpe de potencia seguido de un golpe de recuperación. En el primero se extiende totalmente, dirigiendo el fluido hacia la superficie celular es un movimiento rápido de barrido en un solo plano que se produce por el flexionamento de la región basal del cilio, describiéndose un ángulo de 90º. Llamada cómo golpe o bateo eficaz. En el golpe lento de recuperación, el cilio regresa a su posición inicial describiendo una curva provocando muy pocas alteraciones en el fluido celular. Se denomina golpe o bateo de retorno . Los cilios de una célula se mueven de forma coordinada, que es metacrónica en el plano de movimiento: cada cilio realiza el mismo movimiento con el anterior pero con un retraso de fracciones de segundo y es isocrónica respeto al plano perpendicular al plano de movimiento, es decir, todos los cilios del incluso plano están en la misma fase de movimiento. Cada cilio tarda en moverse entre 0.1 y 0.2 segundos. El movimiento de un cilio o flagelo está producido por la flexión de su zona central producida por el desplazamiento de unos microtúbulos respecto a los otros. El mecanismo y desplazamiento se debe la actuación de los brazos de dineína. El deslizamento activo se produce por sucesivas conexiones y desconexiones de los brazos del microtúbulo A de un doblete con el B del siguiente doblete, es un mecanismo similar a la contracción muscular, requeriendo gasto de energía. Los microtúbulos están asociados a proteínas que se proyectan desde posiciones concretas a lo largo del haz de microtúbulos. Algunas unen los haces de microtúbulos y otras generan la fuerza necesaria para que el cilio se doble. La proteína más importante es la DINEÍNA CILIAR, unida al microtúbulo A del tallo. Tiene actividad ATP-asa , obtiene energía para generar el movimiento y actúa en presencia de calcio y magnesio. La dineína ciliar está relacionada con la dineína citoplasmática, y actúa de forma parecida. Está unida a través de su cola a un microtúbulo, mientras sus cabezas interaccionan con microtúbulos adyacentes generando la fuerza de deslizamiento entre dos microtúbulos debido al elevado nº de uniones que mantienen unidos entre sí los dobletes de microtúbulos adyacentes, lo que sería un sencillo deslizamiento entre microtúbulos libres, se convierte en un movimiento de batido del cilio. FLAGELOS La estructura de los flagelos es igual a la del cilio, pero se complica con otras estructuras añadidas resultando más grueso y largo, con unas 150 µm de longitud. Su principal misión es desplazar a la célula. Son mucho menos numerosos que los cilios en las células que los poseen. Los flagelos se presentan en solo uno o dos por célula, con la misma organización estructural que los cilios se diferencian de los flagelos en su longitud con un axonema de 0.4 (μm) micras de diámetro y 100-200 micras (μm) de longitud y en que su batido que es ondulatorio; Su movimiento también es diferente puesto que no desplazan el líquido en una dirección paralela a la superficie de la célula sino en una dirección paralela al propio eje longitudinal del flagelo. Los flagelos son frecuentes en células móviles como ciertos organismos unicelulares y gametos masculinos. Los más estudiados son los de espermatozoides. Los espermatozoides usan su único flagelo para moverse por el tracto reproductivo de la hembra en busca del óvulo. En los de mamíferos, la estructura (92+2) del tallo se ve rodeado por fibras densas. Son 9 cilindros uno de cada doblete que intervienen en el movimiento del flagelo. Externamente a estas fibras y bajo la membrana, existen otras estructuras que rodean al axonema y fibras, como la vaina mitocondrial, formada por mitocondrias dispuestas en hélice que proporcionan energía para el movimiento. Sobre este modelo hay muchas variaciones. Con respecto al movimiento, es más complicado. Es en 3 dimensiones y varía de unos a otros. En espermatozoides es muy complejo, pero prescindiendo de movimientos secundarios que también ocurren, dicho movimiento se puede comparar a un sacacorchos, que al girar sobre sí mismo describe un cono. Otro tipo de movimiento traza una onda que se propaga desde la base del flagelo hasta la punta. Este es el movimiento de látigo. Baten entre 10-40 veces/segundo. CILIOS Y FLAGELOS II Los microtúbulos son componentes esenciales de cilios, flagelos y centriolos. Los cilios y flagelos son apéndices móviles existentes en numerosas células eucariotas. El diámetro es de unas 0.25 micras y de longitud entre 2 y 10 micras en cilios hasta varios milimetros en flagelos. Los cilios son cortos y numerosos y los flagelos largos y escasos. Los dos poseen una estructura muy similar, pero el tipo de movimiento es distinto: algunas bacterias tienen flagelos pero su estructura es totalmente diferente. Cumplen una función de desplazamiento en el medio o de desplazamiento del medio. 1.- Estructura de los cilios: Consta de las siguientes partes: A.- Tallo. B.- Zona de transición. C.- Porción interna que comprende el corpúsculo basal y las raices ciliares. A..- Tallo: esta rodeado por la membrana plasmática. En su interior hay dos microtúbulos centrales y nueve pares de microtúbulos dispuestos circularmente, de ahí que se hable de una estructura de ( 9(Nueve pares) 2(un par central)). A este conjunto de los dobletes y los microtúbulos centrales se llama axonema. Los dos microtúbulos centrales tienen 13 protofilamentos y no están en contacto directo. Los microtúbulos de los dobletes se denominan A y B ( el A en posición más interna), son una continuación de los microtúbulos A y B del centriolo que del origen al cilio, el microtúbulo A presenta dos prolongaciones cara al microtúbulo B del siguiente doblete que reciben el nombre de brazos. El brazo externo termina en forma de ganchillo, cosa que no ocurre con el brazo interno. A partir del brazo interno surge un filamento que se une al microtúbulo B y que está formado por mexina. El microtúbulo A es completo y el B no llega a serlo. Los tres protofilamentos que el microtúbulo A comparte con el microtúbulo B presentan dímeros que contienen únicamente tubulina. Los dobletes de un cilio o flagelo se numeran siguiendo una línea perpendicular al eje de los dos microtúbulos centrales y en sentido de las agujas del reloj. Los brazos están formados por dineína que es una proteína con actividad ATPasa en presencia de calcio y magnesio. La energía de la hidrólisis del ATP va a ser utilizada en el movimiento ciliar. De los microtúbulos A a nivel protofilamentos 1 y 2, salen unas prolongaciones llamadas radios, que conectan con el par central. Los microtúbulos centrales presentan unas proyecciones que forman una parte entre ambos y la banda del par central donde se asocian los radios. Los microtúbulos A van a llegar incluso a la punta del cilio, mientras que los microtúbulos B suenen rematar un poco antes. B.- Zona de transición: es la zona del cilio localizada a la altura de la membrana plasmática. En esta zona se interrumpe el par central de microtúbulos y aparece la placa basal. La estructura es de (9 - 0(sin doblete central)). Además los dobletes periféricos no presentan radios. C.- Corpúsculo basal: es la estructura que origina y mantiene el cilio. Su estructura es igual a la del centriolo 9 - 0. En la base del corpúsculo basal aparece una estructura en forma de rueda de carro compuesta de una masa central y radios dirigidos cara los tripletes. Raíces ciliares: salen del cuerpo basal. Parece que son responsables del movimiento coordinado de los cilios. La estructura de los flagelos es similar a la de los cilios pero presentan algunos componentes a mayores, por lo tanto resulta de mayor grosor y tamaño. Si realizamos un corte transversal en la porción media del flagelo observamos que la estructura del axonema es de 9 - 2 (igual que del cilio). Sin embargo, asociados a los 9 dobletes existen 9 fibras densas que van a intervenir en el movimiento del flagelo. Externamente a estas fibras y por debajo de la membrana plasmática se observa la véla mitocondrial. Sí el corte es a nivel de la porción principal, ya no hay véla mitocondrial pero se observa una véla fibrosa con función protectora. Los flagelos bacterianos son muy diferentes a los de eucariotas. Consiste en una fibra única de triple hélice de 10-20 nm de espesor y varias micras de largo que nace en el gránulo basal. La fibra está formada por la proteína flaxelina.