Citoscheletro PDF

Citoscheletro IL CITOSCHELETRO Il citoscheletro è formato da: microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi che si distinguono per dimensioni e struttura. È una struttura dinamica che costituisce l’impalcatura per il supporto strutturale e la forma della cellula. Da esso ha origine un retico...

Citoscheletro IL CITOSCHELETRO Il citoscheletro è formato da: microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi che si distinguono per dimensioni e struttura. È una struttura dinamica che costituisce l’impalcatura per il supporto strutturale e la forma della cellula. Da esso ha origine un reticolo molto complesso che aiuta a posizionare i vari organelli. Forma una rete di percorsi per organelli e materiali (distribuzione mRNA, trasporto di vescicole secretorie, trasporto di perossisomi). Aiuta a regolare il movimento di cellule (accrescimento dell’assone, coni di crescita), la contrazione cellulare (muscolo scheletrico, cardiaco e liscio, grazie a elementi citoscheletrici che scorrono l'uno sull'altro) e supporto cellulare ( nelle cellule dell'epitelio gastrointestinale si formano estroflessioni di membrana per aumentare la superficie di assorbimento grazie a filamenti di actina). Organizza spazialmente la divisione cellulare. Esso svolge quattro funzioni fondamentali: Struttura e supporto della cellula; Trasporto intracellulare di organelli e grandi molecole; Contrattilità e motilità della cellula; Organizzazione spaziale degli spazi intracellulari. I microtubuli Sono strutture cave presenti nelle cellule eucariotiche (con diametro di 25 nm) le cui “pareti” sono composte da proteine globulari, dette protofilamenti, disposte in file allineate secondo l’asse longitudinale. Ogni protofilamento è formato da eterodimeri di α e β tubulina. Tutti i protofilamenti dello stesso tubulo hanno la stessa polarità. Possono inoltre essere citoplasmatici o assonemali. La polarità dei microtubuli non è uniforme, ma posseggono un’estremità positiva e una negativa: - Estremità positiva (+) -> estremità carbossi terminale con funzione di accrescimento, che lega delle proteine associate al microtubulo, ovvero le proteine MAP, e una molecola di guanosina trifosfato (GTP), importante per la sintesi del filamento, inibita dalla colchicina. - Estremità negativa (-) -> estremità ammino terminale con funzione di depolimerizzazione, che lega tipicamente una molecola di guanosina difosfato (GDP), importante per la depolimerizzazione del microtubulo stesso, inibita dal Taxolo. La struttura del microtubulo può essere modificata da molecole con funzione anti mitogenica, ovvero che contrastano i processi di divisone cellulare: esempi di molecole antimitogeniche sono gli antitumorali come la corticina (blocca il processo di polimerizzazione della subunità beta). Le funzioni principali dei microtubuli sono: - Sostegno meccanico. - Trasporto assonale -> trasporto anterogrado e retrogrado di molecole come fattori neurotropici, che avviene grazie a proteine motrici che convertono energia chimica (ATP) in energia meccanica. I microtubuli possono essere: Singoli (13 protofilamenti circondano un lume cavo); Doppietti (ciglia e flagelli); Triplette (corpi basali e centrioli). Sono strutture di sostegno meccanico che mantengono la forma della cellula e formano ciglia, flagelli, assoni e dendriti. Un esempio del loro impiego è nel trasporto assonale (anterogrado e retrogrado) tramite proteine che convertono energia chimica, sottoforma di ATP, in energia meccanica (miosine, chinesine e dineine). Le proteine motrici si muovono lungo i microtubuli trascinando il carico (vescicole, mitocondri, lisosomi, cromosomi, filamenti citoscheletrici e molti altri componenti cellulari). La formazione dei microtubuli in vitro inizia con la fase di nucleazione. In essa si creano degli oligomeri che diventano protofilamenti e quindi microtubuli. Segue la fase di allungamento del microtubulo tramite l’aggiunta di dimeri a una o entrambe le estremità. L’assemblaggio degli eterodimeri avviene ad entrambe le estremità, ma cresce più velocemente da una parte, l’estremità positiva che lega GTP e prevale nella sintesi. Può essere inibita dalla colchicina che è un antitumorale rispetto all’altra estremità negativa che lega GDP e prevale nella depolimerizzazione che può essere inibita dal taxolo un estratto vegetale. La velocità di crescita del microtubulo dipenda dalla quantità di tubulina disponibile. In particolari condizioni può avvenire il treadmilling, ovvero la crescita dell’estremità positiva e la depolarizzazione dell’estremità negativa in contemporanea. In vivo i microtubuli originano da una struttura cellulare detta centro di organizzazione dei microtubuli (MTOC). Esso è un punto di assemblaggio e di ancoraggio di un’estremità dei microtubuli. In molte cellule, nell’interfase, il MTOC è il centrosoma (vicino al nucleo). Nelle cellule animali il centrosoma è associato con due centrioli ed è circondato da materiale pericentriolare. Alcuni esempi della funzione del MTOC: In funzione del MTOC cellulare e della distribuzione dei microtubuli si possono avere strutture diverse: - I microtubuli degli assoni sono collegati con il centrosoma e si accrescono in direzione positiva, ovvero quella opposta rispetto a quella che si lega al centrosoma. - I microtubuli dei dendriti non hanno una chiara direzione di accrescimento. - I microtubuli delle ciglia sono collegati a dei corpi basali tramite l’estremità negativa. - Nei globuli rossi ci sono delle strutture microtubulari miste. - Durante la mitosi i microtubuli sono orientati con l’estremità negativa ancorata al centrosoma (centrioli) e quella positiva nella direzione opposta (la depolimerizzazione che avviene dopo l’ancoraggio dei cromosomi permette ad essi di essere trasportati ai capi opposti) I microtubuli possono contenere proteine associate, dette MAP (Microtubule Associated Proteins). In genere le MAP stabilizzano e aumentano la densità dei fasci di microtubuli. Le MAP hanno due domini, uno legato al microtubulo e l’altro si estroflette formando ponti tra i microtubuli (per stabilizzarli). Le MAP sono fosforilate e defosforilate da fosfo-chinasi e fosfatasi. Un esempio di MAP è Tau, che è altamente espressa nei neuroni. Diverse malattie neurodegenerative (Alzheimer) derivano da eccessivi livelli di fosforilazione di tau o da mutazioni del gene che codifica per tau (vengono prodotti eccessivi livelli di questa proteina che causano grovigli di neuriti con conseguente compromissione dell’attività del neurone e perdita di memoria, demenza). I microfilamenti Sono dei filamenti composti di actina globulare (actina G). in presenza di ATP, i monomeri di actina polimerizzano formando un filamento ad elica (actina F), con diametro di 7 nm. I filamenti di actina F sono composti da due catene di actina G polimerizzata avvolte una sull’altra a formare un’elica. Esiste un’estremità positiva (in allungamento) e un’estremità negativa (ancorata), analogamente ai microtubuli con la GTP, un’estremità del microfilamento è legata all’ATP e l’altra all’ADP. Essi hanno un ruolo essenziale per la motilità, la contrattilità e il mantenimento della forma cellulare. La loro struttura è stata altamente conservata nell’evoluzione degli eucarioti. I “motori” che agiscono lungo i filamenti di actina sono le miosine. Le proteine che legano l’actina svolgono varie funzioni:  1. “Sequestrano” i monomeri di actina G sfavorendo la polimerizzazione (es. timosine); 2. Incappucciano un’estremità regolando la lunghezza del filamento (es. CapZ); 3. Formano fasci (es. α-actinina, fimbrina); 4. Formano legami crociati per formare reti tridimensionali (es. filamina); 5. Degradano o disassemblano i filamenti (gelsolina, cofilina); 6. Ancorano i filamenti alla membrana (spectrina, proteine ERM); 7. Polimerizzano i monomeri favorendo la crescita del filamento (es. profilina); 8. Promuovono la ramificazione e la nucleazione dell’actina (es. ARP2/3). L’actina aiuta a mantenere la forma cellulare, essenziale per la motilità e contrattilità cellulare I microfilamenti di actina sostengono i microvilli delle cellule dell’epitelio gastrointestinale grazie a fasci compatti di microfilamenti legati alla membrana, mediante miosina I e calmodulina, e tra di loro, per mezzo della fimbrina. I filamenti intermedi Sono filamenti del citoscheletro con diametro di 10 nm formati da un dominio centrale ad α- elica, con una testa globulare all’estremità amminica e una coda globulare all’estremità carbossilica. Le proteine dei filamenti intermedi si avvolgono formando dimeri (coiled-coil), i quali si associano in tetrameri. Essi in serie originano i protofilamenti che in parallelo formano il filamento intermedio (8 protofilamenti). I filamenti intermedi sono utili a mantenere la stabilità meccanica delle cellule (neuroni, cellule muscolari ed epitelieli), hanno grande resistenza alla trazione per permettere alla cellula di resistere alla trazione meccanica dello stiramento. Formano una rete che dal nucleo, dove formano la membrana nucleare, attraversa il citoplasma e si ancora alla membrana plasmatica. Sono presenti nel nucleo delle cellule eucariote, dove formano la lamina nucleare. Strutture di integrazione del citoscheletro L’integrazione meccanica di filamenti intermedi, microfilamenti e microtubuli è resa possibile da specifiche proteine di connessione (plachine che contengono siti di legame per i vari filamenti e contribuiscono alla loro integrazione in una rete citoscheletrica meccanicamente stabile) che collegano i vari componenti. Sintetizzando le caratteristiche principali di ciascuna struttura : Microtubuli: resistono alle pressioni e formano i binari per garantire il movimento organelli e proteine citoplasmatiche; Microfilamenti: generano tensione (movimento cellulare e fibre muscolari); Filamenti intermedi: elastici e capaci di resistere alle forze di tensione, opposte a quelle a cui resistono i microtubuli. MOVIMENTO INTRACELLULARE I microtubuli forniscono vie organizzate lungo le quali si muovono gli organelli, ma non generano forza di “propulsione”. La forza per il movimento è infatti data da proteine motrici associate ai microtubuli, le MAP motrici. Attualmente conosciamo due grosse famiglie di MAP motrici che si dividono in due grosse famiglie: Chinesine La chinesina-1 è stata isolata nel 1985 dall’assone di calamaro ed è presente in tutte le cellule eucariote. È costituita da un tetramero composto da 2 catene pesanti e 2 catene leggere. Due teste (subunità catalitiche), con attività ATPasica, generano la forza di movimento legandosi ai microtubuli per effettuare il movimento. Le code (cargo) legano il materiale da trasportare. Ha una velocità massima di 1 μm/s lungo il protofilamento, per compiere ogni “passo” lungo il dimero viene idrolizzata una molecola di ATP. Le due teste della chinesina si legano ai microtubuli con movimenti alternati e idrolizzando l’ATP, ad ogni idrolisi di 1 molecola di ATP avviene una rotazione delle teste globulari di 180°. La chinesina si muove verso l’estremità positiva, quella polimerizzante, del microtubulo legando le β-tubuline. Questa famiglia di MAP comprende 45 tipi di KLP (kinesin-like proteins). Le code hanno sequenze diverse che determinano il legame con il carico da trasportare. Dineine La dineina è stata scoperta nel 1963, come responsabile del movimento delle ciglia e dei flagelli (dineine assonemali) e di cargo lungo i microtubuli (dineine citoplasmatiche). È formata da due catene pesanti, uguali tra loro, e da delle leggere ed intermedie. All’estremità “inferiore” ogni catena pesante ha una testa, necessaria per generare forza motrice, e un peduncolo, che lega il microtubulo. La deinina citoplasmatica forma un complesso con la dinactina e con delle proteine di membrana (spectrina, anchirina). Trasporto direzionale delle vescicole I microtubuli formano un ordinata rete di percorsi che uniscono i diversi compartimenti subcellulari (REL, RER e apparato di Golgi). I movimenti lungo questa rete complessa sono regolati dalle MAP motrici che si muovono in direzioni opposte. Le deinine trasportano le vescicole verso l’estremità negativa dei microtubuli, quindi dal reticolo endoplasmatico verso l’apparato del Golgi e dalla membrana plasmatica al centro di organizzazione dei microtubuli. Al contrario le chinesine trasportano le vescicole verso l’estremità positiva, quindi dal Golgi verso l'esterno della cellula. MOTILITÀ CELLULARE Negli organismi multicellulari le ciglia servono a muovere l’ambiente esterno della cellula (cellule ciliate delle vie respiratorie). I flagelli muovono le cellule all’interno di un ambiente fluido (spermatozoi). Questi due tipi di appendici cellulari hanno un diverso tipo di movimento. I flagelli hanno movimento simmetrico ed ondulatorio mentre le ciglia hanno un battito a remo (si flettono completamente e poi tornano nella loro forma iniziale. Entrambi hanno però una struttura comune l’assonema (con diametro di circa 0.25 μm). L’assonema è composto da 9 doppiette esterne e una doppietta interna di microtubuli. Doppiette interne ed estene sono collegate tra loro da: Bracci laterali, intenri ed esterni, di dineina (responsabile dello scorrimento e della flessione dei microtubuli); Legami interdoppiete di nexina che limitano il grado di scorrimento dei microtubuli (sono meno frequenti); Strutture radiali che partono da ciascuna doppietta esterna e vanno verso l’interno terminando sulle proiezioni delle doppiette interne. LA MIOSINA La miosina convenzionale, di tipo II, è formata da quattro catene leggere e due pesanti (composte di testa globulare, regione a cerniera e una lunga coda). È presente nelle cellule muscolari e non muscolari. La testa lega l’ATP, la cui energia è convertita in forza meccanica per lo scorrimento dei filamenti. Le miosine non convenzionali, tipo I, III–XVIII, sono usate per il trasporto di organelli. Al momento si conoscono 20 classi di miosine, tutte conivolte in processi di contrattilità e di trasporto di organelli. È di particolare interesse la miosina V, perché per la sua struttura è molto adatta al trasporto di vescicole (nei melanociti) lungo i microfilamenti di actina (verso l’estremità negativa). Possiede 2 lunghi snodi con catene leggere che gli permettono di muoversi sui filamenti di actina con passi molto lungi (37 nm), circa 3 volte maggiori di quelli della miosina II. Contrazione del muscolo scheletrico Il muscolo scheletrico appare formato da migliaia di fibre muscolari disposte parallelamente tra loro, ogni fibra è ricoperta da una membrana plasmatica detta sarcolemma, da a cui partono i tubuli trasversi che penetrano dalla superficie verso l'interno di ogni la fibra, mentre alla sua periferia, vicino al sarcolemma, si trovano numerosi nuclei cellulari. Il citoplasma della fibra muscolare contiene molti mitocondri che producono grandi quantità di ATP. In tutta la fibra muscolare si estende un reticolo sarcoplasmatico, ossia una rete di tubuli racchiusi da membrana e ripieni di liquido che immagazzina gli ioni Ca necessari per la contrazione muscolare. Nel sarcoplasma si trovano anche numerose molecole di mioglobina, un pigmento rossastro simile all'emoglobina, che oltre a dare al muscolo il suo colore caratteristico, immagazzina ossigeno come riserva per la produzione di ATP. Per tutta la lunghezza della fibra muscolare si estendono dalle strutture cilindriche dette miofibrille. Ogni miofibrilla consiste di 2 tipi di filamenti proteici: filamenti sottili di actina e filamenti spessi di miosina. I filamenti si sovrappongono formando strutture dette sarcomeri, le unità funzionali di base delle fibre muscolari striate. I sarcomi sono separati da zone a zig zag di materiale proteico denso, dette linee Z. All'interno di ogni sarcomero vi è un'area più scura, la banda A (sia actina che miosina), che si estende per tutta la lunghezza dei filamenti spessi. Al centro di ogni banda A vi è una zona H (solo miosina) che contiene soltanto i filamenti spessi, mentre alle estremità i filamenti sottili e quelli spessi si sovrappongono. Su ogni lato della banda A vi è un'area più chiara detta banda I (solo actina), che contiene i restanti filamenti sottili ma nessun filamento spesso. L'alternanza di bande A più oscure e bande I più chiare dà alla fibra muscolare il caratteristico aspetto striato. Ogni molecola di actina contiene un sito di legame miosinico, al quale può attaccarsi una testa miosinica. I filamenti sottili contengono 2 proteine: la tropomiosina e la troponina. Nel muscolo rilassato, il legame della miosina con l’actina è bloccato, perché la tropomiosina riveste i siti di legame miosinici sull'actina. I filamenti di tropomiosina a loro volta sono tenuti a posto dalle molecole di troponina, queste due proteine svolgono un'azione regolatrice. Affinché avvenga la contrazione muscolare occorrono ioni Ca ed energia. Quando la fibra muscolare è rilasciata, nel sarcoplasma vi è una bassa concentrazione di calcio. Quando un potenziale d'azione muscolare passa attraverso il sarcolemma, canali per il calcio si aprono e tale ione fuoriesce nel sarcoplasma e raggiunge le miofibrille. Il calcio si lega alle molecole di troponina dei filamenti sottili, facendo cambiare la conformazione dell'actina. Tale cambiamento libera il complesso troponina-tropomiosina dai siti di legame miosinico sull'actina. Quando i siti di legame miosinico risultano scoperti inizia il ciclo di contrazione, ovvero la sequenza di eventi che fa scivolare i filamenti: 1. Le teste miosiniche contengono ATPasi, un enzima che scinde ATP in ADP e P. Tale reazione trasferisce energia alla testa miosinica 2. Le teste miosiniche si legano ai siti di legame sulla actina e liberano P. Quando si legano l'actina durante la contrazione, le teste miosiniche che formano dei ponti trasversali 3. ponti trasversali si flettono liberando ADP, la forza prodotta dalla flessione di centinaia di ponti fa scivolare il filamento di actina verso il centro del sarcomero 4. Alla fine, i ponti trasversali restano saldamente attaccati all'actina. Appena legano un'altra molecola di ATP, le teste miosiniche si staccano dall'actina Il ciclo di contrazione si ripete finché nel sarcoplasma sono disponibili ATP e Ca..