Axonema

Non confundir con Axolema.

O axonema é unha estrutura citoesquelética formada por microtúbulos que forma o núcleo do eixe dun cilio ou flaxelo das células eucariotas. Os cilios e flaxelos aparecen en moitas células eucariotas e microorganismos eucarióticos e proporcionan mobilidade á célula ou moven líquidos circundantes, pero os flaxelos bacterianos son moi diferentes e non teñen a estrutura do axonema. O axonema serve como "esqueleto" destes orgánulos, dándolle soporte á estrutura e, nalgúns casos, a capacidade de dobrarse. Aínda que se poden facer distincións na función e lonxitude dos cilios e flaxelos (os flaxelos son máis longos), a estrutura interna de ambos, é dicir, o axonema, é igual. O axonema parte desde unha estrutura situada na base chamada corpo basal, que é similar a un centríolo.

Flaxelo eucariota. 1-axonema, 2-membrana celular, 3-transporte intraflaxelar, 4-corpo basal, 5-corte transversal do flaxelo, 6-tripletes de microtúbulos no corpo basal.

Sección transversal dun axonema dun flaxelo.

Micrografía dunha preparación de dous axonemas de Chlamydomonas.

Modelo simplificado de transporte intraflaxelar.

Estrutura

No interior dos cilios e flaxelos hai unha estrutura citoesquelética formada por un conxunto de microtúbulos chamada axonema. O axonema dos cilios primarios ten tipicamente un anel de nove dobretes de microtúbulos externos de ningún microtúbulo central (chamado axonema 9+0), mentres que o axonema dun cilio móbil ten os 9 dobretes externos a ademais dous microtúbulos centrais (chamado axonema 9+2). Nos dobretes os microtúbulos están pegados e mesmo comparten unidades proteicas, pero os microtúbulos centrais están separados (non son dobretres). O citosqueleto do axonema actúa como armazón para varios complexos de proteínas e proporciona sitios de unión para as proteínas motoras moleculares como a cinesina II, que axudan a acarrexar proteínas cara a arriba e cara a abaixo dos microtúbulos.

Os microtúbulos están acompañados por outras proteínas e os detalles poden variar segundo os tipos de cilio ou a especie. A determinadas alturas do axonema adoita haber bandas proteicas que unen os dobretes e cara ao interior do axonema hai fibras radiais que se dirixen aos microtúbulos centrais, os cales están rodeados por unha vaíña interna. Nos dobretes de microtúbulos colgan os chamados brazos de dineína.

Historia

As primeiras investigacións sobre a estrutura falxelar fíxoas en 1888 sobre a morfoloxía do flaxelo do espermatozoide o citólogo alemán Ballowitz, quen observou usando microscopio óptico unhas tinguiduras con mordente nas que os espermatozoides de galo podían ser separados en 11 fibrilas lonxitudinais. Uns 60 anos despois, Grigg e Hodge en 1949 e un ano despois Manton e Clarke observaron esas 11 fibras separadas dos flaxelos con microscopio electrónico; estes investigadores propuxeron que dúas fibras finas centrais estaban rodeadas por un círculo de 9 fibras grosas externas. En 1952, usando diversos avances nas técnicas de fixación, inclusión e ultramicrotomía, Fawcett e Porter probaron con preparacións de microscopio electrónico que dentro dos cilios epiteliais, baixo a membrana ciliar, había un conxunto de nove dobretes de microtúbulos rodeando dous microtúbulos separados centrais que non eran dobretes (é dicir, o “aparato do par central de microtúbulos”), e de aí que se use a denominación axonema “9 + 2”. Debido ao alto grao de conservación evolutiva entre os cilios e flaxelos da maioría das especies eucariotas, a nosa comprensión da estrutura dos flaxelos do espermatozoide axudouse de estudos feitos en ambos os orgánulos en especies que van desde protistas a mamíferos. Os cilios son tipicamente curtos (de 5 a 10 μm) e baten como un remo cunha batida efectiva seguida dunha batida de recuperación. Os flaxelos baten cun movemento serpenteante e son máis longos (xeralmente de 50 a 150 μm, pero poden ser desde só 12 μm ata mesmo varios milímetros nalgunhas especies), e sábese que a lonxitude flaxelar no protista Chlamydomonas está regulada por varios xenes que codifican quinases. Manton e Clarke foron os primeiros que recoñeceron que o axonema 9 + 2 estaba posiblemente moi estendido entre especies, e, efectivamente, os nove dobretes de microtúbulos son estruturas evolutivamente conservadas que evolucionaron nos primeiros eucariotas hai case mil millóns de anos; porén, hai unha ampla variación entre especies con respecto á estrutura detallada do flaxelo do espermatozoide e as súas estruturas accesorias. Os dobretes de microtúbulos do axonema ensámblanse desde os extremos dos nove tripletes de microtúbulos que hai na base do flaxelo no chamado coro basal ou centriolar, cuxa simetría nonaria e padrón de molinete no sentido das agullas do reloxo (visto desde dentro da célula cara ao extremo flaxelar) está organizado pola proteína conservada do xene SAS6, e que é introducida nalgúns ovos para establecer o primeiro fuso mitótico. Os nove dobretes de microtúbulos están despois conectados arredor do axonema por ligazóns de nexina. Actualmente, a estrutura molecular do axonema coñécese cunha extraordinaria resolución de <4 nm grazas ao uso da tomografía crioelectrónica, que foi introducida por Nicastro. A mobilidade flaxelar e ciliar foi analizada en sistemas simples (por exemplo en falxelos de protistas e do espermatozoide de ourizos de mar), cuxos flaxelos conteñen varios centos de polipéptidos segundo as análises proteómicas.

Cilios primarios

A estrutura do axonema nos cilios primarios non móbiles mostra algunhas variacións da anatomía canónica “9x2 + 2”. Non se encontran brazos de dineína nos dobretes de microtúbulos externos e non existe o par central de microtúbulos separados. Esta organización do axonema chámase “9x2 + 0”. Ademais, atopáronse axonemas “9x2 + 1” cun só microtúbulo central. Os cilios primarios parecen servir para realizar funcións sensoriais.

Cilios móbiles

As unidades coas que está construído o axonema son os microtúbulos, que nos cilios móbiles teñen a disposición “9x2 + 2," que se mostra na imaxe. Nove dobretes de microtúbulos (dous microtúbulos unidos) externos situados en círculo e un par central de microtúbulos simples. O movemento do cilio depende do seu axonema.

Ademais dos microtúbulos, o axonema contén moitas proteínas e complexos proteicos necesarios para a súa función. Os brazos de dineína, por exemplo, son complexos motores que producen a forza necesaria para dobrarse. Cada brazo de dineína está ancorado a un dobrete de microtúbulos; e "camiñando" ao longo de microtúbulos adxacentes, os motores de dineína poden causar que os microtúbulos escorreguen un sobre outro. Cando isro se produce de maneira sincronizada, os microtúbulos nun lado do axonema son empurados para 'abaixo' e os do outro lado para 'arriba', polo que o axonema no seu conxunto pode dobrarse para atrás e adiante. Este proceso é responsable do batido ciliar/flaxelar.

As fibras radiais son outro complexo proteico do axonema. Aínda que é importante para regular o movemento do axonema, este complexo con forma de T proxéctase desde cada dobrete do círculo externo cara aos microtúbulos centrais. As conexións interdobrete entre pares de microtúbulos adxacentes denomínanse ligazóns de nexina.

Importancia clínica

Detectáronse mutacións ou defectos nos cilios primarios en varias doenzas humanas. Entre estas ciliopatías están a enfermidade renal poliquística (PKD), a retinite pigmentosa, a síndrome de Bardet–Biedl e outros defectos do desenvolvemento.

Véxase tamén

Bibliografía

• Wilson CW, Nguyen CT, Chen MH, Yang JH, Gacayan R, Huang J, Chen JN, Chuang PT (maio de 2009). "Fused has evolved divergent roles in vertebrate Hedgehog signalling and motile ciliogenesis" (PDF). Nature 459 (7243): 98–102. PMC 3204898. PMID 19305393. doi:10.1038/nature07883. 
• Vogel G (outubro de 2005). "News focus: Betting on cilia". Science 310 (5746): 216–8. PMID 16223997. doi:10.1126/science.310.5746.216. 
• Porter ME & Sale WS (novembro de 2000). "The 9 + 2 axoneme anchors multiple inner arm dyneins and a network of kinases and phosphatases that control motility". The Journal of Cell Biology 151 (5): F37–42. PMC 2174360. PMID 11086017. doi:10.1083/jcb.151.5.F37. 
• Dillon RH, Fauci LJ (decembro de 2000). "An integrative model of internal axoneme mechanics and external fluid dynamics in ciliary beating". Journal of Theoretical Biology 207 (3): 415–30. PMID 11082310. doi:10.1006/jtbi.2000.2182. 
• Omoto CK, Gibbons IR, Kamiya R, Shingyoji C, Takahashi K, Witman GB (xaneiro de 1999). "Rotation of the central pair microtubules in eukaryotic flagella". Molecular Biology of the Cell 10 (1): 1–4. PMC 25148. PMID 9880321. doi:10.1091/mbc.10.1.1. 
• Rosenbaum JL, Cole DG, Diener DR (febreiro de 1999). "Intraflagellar transport: the eyes have it". The Journal of Cell Biology 144 (3): 385–8. PMC 2132910. PMID 9971734. doi:10.1083/jcb.144.3.385.