Biologia Cellulare aa 2023/2024: Il Citoscheletro (PDF)

Corso di Biologia cellulare Il citoscheletro e l’architettura cellulare. < Le cellule sono sempre in movimento > Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  CITOSCHEL...

Corso di Biologia cellulare Il citoscheletro e l’architettura cellulare. < Le cellule sono sempre in movimento > Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  CITOSCHELETRO Complesso dinamico di strutture sottili e relativamente lunghe nel citosol a collegare organelli e membrana. E' formato da proteine con proprietà meccaniche distinte e composte da subumità monomeriche. Si assemblano in 3 strutture polimeriche: FILAMENTI INTERMEDI MICROTUBULI MICROFILAMENTI Funzioni: 1. sostiene strutturalmente la cellula stabilizzandone la forma; 2. fornisce resistenza meccanica alla cellula; 3. permette i movimenti cellulari. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  CITOSCHELETRO CIASCUN TIPO DI FILAMENTO E’ UN POLIMERO MONOMERO POLIMERO actina microfilamenti tubulina microtubuli diverse proteine filamenti intermedi Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  CITOSCHELETRO, FILAMENTI INTERMEDI Unità: famiglia eterogenea di proteine 10nM Lamina nucleare, assoni, tessuti epiteliali Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  CITOSCHELETRO, MICROTUBULI Cilindri cavi Unità: tubulina (alfa e beta) 25nM Rigidi MTOC: centrosoma si definisce centrosoma (MTOC - MicroTubule Organizing Center) una struttura non membranosa posta vicino al nucleo e circondata da una massa amorfa di materiale pericentriolare, preposta alla formazione, alla demolizione e all'organizzazione dei microtubuli della cellula. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  CITOSCHELETRO, MICROFILAMENTI Polimeri elicoidali a 2 filamenti della proteina ACTINA Strutture flessibili 5-9nM Fasci lineari Reti bidimensionali Gel tridimensionali Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  CITOSCHELETRO Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  FORZA MECCANICA DEI FILAMENTI INTERMEDI I filamenti intermedi stabilizzano la cellula grazie alle caratteristiche meccaniche di resistenza. Strutture fibrose resistenti alla tensione. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  I FILAMENTI INTERMEDI Elementi principali del citoscheletro sia nel citoplasma che nel nucleo. Più stabili e meno solubili degli altri componenti del citoscheletro. Non presentano polarità. Strutture fibrose resistenti alla tensione: abbondanti in zone soggette a stress meccanico. Tessuto-specifici: le subunità proteiche che li costituiscono variano nei diversi tipi cellulari. “Bastoncini” resistenti e flessibili (8- 10 nm di spessore). Protofilamenti: subunità proteiche arrotolate l’una sull’altra. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Assemblaggio di un filamento intermedio Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Classi principali di filamenti intermedi CLASSI PROTEINA DISTRIBUZIONE  Cellule epiteliali. I Citocheratine acide.  Cellule epiteliali. II Citocheratine basiche o neutre.  Vimentina in tessuto connettivo, muscolo e cellule di sostegno del sistema nervoso; Vimentina, desmina, desmina in cellule muscolari; GFA nelle III periferina, GFA (proteina cellule della glia; periferina nei neuroni gliofibrillare acida). del SNP. IV Proteine dei neurofilamenti  Neuroni (NFL, NFM, NFH). V Lamine nucleari (A, B, C).  Lamine ubiquitaria, nel nucleo cellulare VI Nestina.  Nestina nei procursori neuronali. Ogni tipo di proteina è codificata da un gene distinto. Negli esseri umani ci sono 70 geni per i filamenti intermedi che formano circa 75 proteine filamento diverse. Le cheratine tipo I e II sono le più numerose proteine dei filamenti intermedi  I filamenti intermedi formano strutture specializzate I filamenti intermedi della lamina nucleare sono costituiti da proteine del gruppo delle lamine. Rivestono ed irrobustiscono la faccia interna della membrana nucleare. 3 geni soggetti a splicing alternativo (6 subunità). Mentre i filamenti intermedi citoplasmatici sono stabilissimi in molte cellule, quelli della lamina nucleare si disaggregano e si Si trovano solo nel nucleo delle cellule. ricostituiscono ad ogni divisione mitotica. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  I filamenti intermedi formano strutture specializzate Le cheratine si ritrovano negli annessi Cellule cutanei di natura cornea dei vertebrati, epidermiche in come peli, squame, penne e unghie. cultura colorate per evidenziare i filamenti intermedi citoplasmatici connessi fra le varie cellule da desmosomi. Sempre in cellule epiteliali: 54 geni per due subunità, eterodimeri obbligati. Mutazioni nei geni che codificano per le cheratine possono causare gravi malattie: epidermolisi bollosa simplex. Interferenza con la corretta formazione di filamenti intermedi: la pelle è molto delicata e anche una pressione moderata porta alla formazione di bolle. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  I filamenti intermedi formano strutture specializzate La desmina è essenziale per la funzione dei muscoli. Forma omodimeri in tutti e 3 i tipi di tessuto muscolare (scheletrico, cardiaco, liscio) Non forma classiche strutture filamentose. Fa parte del costamero, struttura che lega l'apparato contrattile delle cellule muscolari con membrana plasmatica e matrice extracellulare. Mutazioni nelle proteine del costamero: distrofie muscolari. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  I MICROTUBULI 1. Svolgono funzione di organizzazione e mantenimento della forma e polarità della cellula animale. 2. Sono responsabili del movimento dei cromosomi. 3. Guidano il trafficking, trasporto intracellulare e movimento degli organelli. Le cellule si muovono di continuo: distribuzione del materiale non casuale legata alla presenza di microtubuli (richiede energia). La distribuzione della rete di microtubuli varia da un tipo cellulare all'altro. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  𝛂- e β-TUBULINA I microtubuli sono costituiti da due subunità proteiche, di 𝛂- e β- tubulina (40% omologhe). Le 2 subunità formano un dimero molto stabile e si allineano per formare una configurazione a forma di 8. Sono entrambe legate a GTP ma l'idrolisi di GTP avviene solo nella β- tubulina: scambio GDP-GTP cruciale per l'assemblaggio dei dimeri. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Assemblaggio dei microtubuli Rapido assemblaggio e disassemblaggio. I dimeri di tubulina (α e β) sono instabili e si dissociano velocemente. Alcuni si assembano per formare gruppi detti oligomeri (6-12 dimeri- dimensione critica) che agiscono come nuclei a promuovere la formazione di protofilamenti. 13 protofilamenti si associano a formare dei fogli che si chiudono a formare una struttura tubulare, il microtubul (circa 25 nm di diametro). Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Struttura dei microtubuli I microtubuli citoplasmatici sono formati da una singola struttura tubica di 13 protofilamenti. Alcuni microtubuli, più complessi, sono costituti da doppietti (assonemi di ciglia e flagelli) o triplette (corpi basali di ciglia e flagelli e centrioli). Nei doppietti e nelle triplette si distinguono: un tubulo A di 13 protofilamenti e tubuli incompleti (tubulo B e C) che consistono di 10 o 11 protofilamenti Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Polimerizzazione dei dimeri di tubulina I dimeri di tubulina possono avere GTP o GDP. Quando sia 𝛂- che β-tubulina hanno GTP legato è favorita la polimerizzazione. Quando β-tubulina idrolizza GTP a GDP cambia conformazione e favorisce depolimerizzazione. Hanno una estremità positiva (cappuccio di molecole di β-tubulina) ed una negativa (cappuccio di molecole di 𝛂- tubulina). Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Polimerizzazione dei dimeri di tubulina Allungamento e accorciamento dei microtubuli per aggiunta e rimozione dei dimeri di tubulina avvengono ad entrambe le estremità ma l’assemblaggio è più rapido all’estremità positiva. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Centri organizzatori dei microtubuli (MTOC) La maggior parte dei microtubuli viene a formarsi in centri specializzati chiamati MTOC. Il principale e più comune MTOC delle cellule animali è il centrosoma, formato da una coppia di centrioli immersi in una matrice pericentriolare. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli Centri organizzatori dei microtubuli (MTOC) In MTOC sono ben visibili due strutture, i centrioli. Ogni centrosoma contiene due centrioli. I centrioli sono piccoli organelli a forma di piccolo cilindro disposti ad angolo retto l'uno rispetto all'altro costituiti da 9 triplette di microtubuli circondati da materiale pericentriolare. Centrioli e materiale pericentriolare: ɣTuRC, complesso ad anello formato da ɣ-tubuline, tubuline ripiegate ad elica o ad anello. I 𝛾- TURC del materiale pericentriolare si legano a tubulina (α e β). Sono le componenti che nucleano i microtubuli.  Instabilità dinamica dei microtubuli La crescita dei microtubuli comincia quando gli anelli della 𝛾-tubulina iniziano a fungere da nuclei di polimerizzazione dei dimeri di 𝛂- β- tubulina, come il centrosoma nei MTOC. I microtubuli sono in continuo assemblaggio e disassemblaggio: instabilità dinamica. E' necessaria per permettere alle cellule di muovere qualcosa da un posto all'altro. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Instabilità dinamica dei microtubuli Alcuni microtubuli nella cellula polimerizzano e depolimerizzano velocemente= instabilità dinamica Microtubuli marcati con fluorescenza e videoregistrati mentre si allungano e si accorciano in una cellula vivente. Photos courtesy of Lynne Cassimeris, Lehigh University. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Processo di Treadmilling Nei casi in cui nessuna estremità dei microtubuli sia stabilizzata, i dimeri di tubulina vengono aggiunti al polo positivo + e persi al polo negativo -. La lunghezza resta costante ma i dimeri sono in continua mutazione. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Proteine associate al microtubulo (MAP) Le MAP più importanti sono le proteine motrici dei microtubuli, la dineina e la chinesina. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Proteine associate al microtubulo (MAP) Le MAP più importanti sono le proteine motrici dei microtubuli, la dineina e la chinesina. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Orientamento dei microtubuli e forma della cellula L’organizzazione morfo-funzionale della cellula dipende dalla polarità dei microtubuli c) Eritrocita umano maturo (no nucleo e no MTOC): microtubuli, con polarità mista, disposti in bande circolari alla periferia d) Fibroblasto: tutti i microtubuli sono disposti con le estremità negative centralmente e quelle positive vicino alla periferia Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Organuli microtubulari: ciglia e flagelli L’asse delle ciglia e dei flagelli, detto assonema, presenta in tutti gli eucarioti la seguente ultrastruttura definita 9+2: - 9 doppietti di microtubuli disposti ad anello in periferia; - una coppia di microtubuli al centro; - raggi proteici che collegano i doppietti tra loro e con i due microtubuli al centro; - bracci di dineina che collegano ogni doppietto a quello adiacente. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Organuli Analogie e differenze microtubulari: ultrastrutturali tra ciglia e flagelli assonema Particolare organulo presente in corrispondenza dell'impianto del ciglio o del flagello, il zona di transizione corpuscolo basale o blefaroblasto. corpo basale Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Differenze tra ciglia e flagelli NUMERO: ciglia di regola TANTE per cellula; flagelli UNO o POCHI per cellula LUNGHEZZA: ciglia 2-20 µm; flagelli 10-200 µm MODALITA’ E DIREZIONE DEL MOVIMENTO: ciglia; movimento «a remo» con direzione di spostamento perpendicolare rispetto all’asse del ciglio; flagelli; movimento ondulatorio con spostamento nella stessa direzione dell’asse del flagello. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Organuli microtubulari: Ciglia Strutture mobili che si proiettano dalla superficie libera di alcuni epiteli: – Trachea, Tube di Falloppio Lunghezza 7-10 μm – Possono arrivare anche a metà della lunghezza della cellula. 300 ciglia per cellula. Richiedono ATP per il movimento. Movimentano sostanze sulla superficie. Movimento utile per la pulizia delle superfici. Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli  Organuli microtubulari: Flagelli Disposizione dei microtubuli e richieste di ATP simile a ciglia. Movimento di singole cellule. Molto lunghi: circa 3-4 volte la lunghezza della cellula. Uno per cellula: – Alcuni Batteri – Protozoi – Spermatozoi Flagello di spermatozoo: 9+2 coppie di Flagello e movimento dell'alga unicellulare microtubuli con dineina e altre MAP Euglena. (proteine per movimento). Biologia Cellulare aa 2023/2024 Docente: Luigi Abelli