Citoscheletro Flashcards
Citoscheletro: componenti
Il citoscheletro è costituito da un insieme di polimeri proteici che formano strutture filamentose responsabili della generazione e del mantenimento della forma della cellula, oltre che delle sue dinamiche.
Le componenti del citoscheletro sono: microtubuli (polimeri della proteina tubulina), microfilamenti (polimeri della proteina actina), filamenti intermedi (polimeri di diverse proteine, tra cui la cheratina). La diversa composizione di questi tre tipi di filamenti li differenzia per dimensioni e proprietà fisiche, rendendo ciascuno di essi particolarmente adatto a svolgere specifiche funzioni.
Localizzazione filamenti citoscheletrici
all’interno della cellula, i filamenti citoscheletrici assumono diverse localizzazioni: i microtubuli si irradiano dal centro della cellula verso la periferia, i microfilamenti si distribuiscono prevalentemente a ridosso della membrana plasmatica o a costituire fasci all’interno della cellula, mentre i filamenti intermedi hanno una distribuzione reticolare, con elevata densità attorno al nucleo e in corrispondenza delle giunzioni tra cellule.
Citoscheletro: funzioni
Come indicato dal termine “citoscheletro”, questo sistema di filamenti costituisce un vero e proprio scheletro cellulare, in grado di conferire alla cellula resistenza a sollecitazioni meccaniche e di sostenere strutture specializzate. Tuttavia, a differenza dello scheletro osseo di cui sono dotati gli animali, il citoscheletro cellulare è anche estremamente dinamico nella sua conformazione ed è, infatti, responsabile della capacità delle cellule di cambiare continuamente forma in processi come la contrattilità e la motilità cellulare. Alcuni dei filamenti citoscheletrici (microfilamenti e microtubuli), inoltre, costituiscono “binari” sui quali avviene il trasporto direzionale di vescicole e organuli a opera di proteine motrici dette motori molecolari.
Microtubuli: struttura
I microtubuli sono formati da polimeri di tubulina. La tubulina nella cellula si presenta sempre in forma eterodimerica, costituita da una molecola di tubulina α e una di tubulina β. I dimeri di tubulina interagiscono lateralmente formando più file rettilinee di dimeri, dette protofilamenti, che interagendo formano una struttura planare che si chiude a formare un cilindro cavo; nella cellula i microtubuli sono costituiti da 13 protofilamenti, che formano un cilindro cavo con un diametro di 25 nm.
I microtubuli sono caratterizzati da una polarità strutturale: un’estremità è caratterizzata da tubuline α ed è definita estremità –; l’altra è caratterizzata da tubuline β ed è definita estremità +. A tale polarità strutturale corrisponde una differenza delle cinetiche di polimerizzazione: in un microtubulo preesistente, l’aggiunta di dimeri di tubulina è molto più rapida all’estremità + che a quella – (dove prevale la loro dissociazione).
Polimerizzazione microtubuli
I microtubuli vanno incontro a processi di polimerizzazione o di depolimerizzazione, con aggiunta o perdita di tubulina. La polimerizzazione avviene legando una molecola di GTP ad una tubulina che diventa più affine a legarsi con un microtubulo esistente, così il microtubulo si allunga. Questo avviene sull’estremità +, perché l’estremità – è legata al centrosoma. Se ci sono tante tubuline legate a GTP nel citoplasma, la polimerizzazione continua, altrimenti avviene la depolimerizzazione (tubuline si legano a GDP, diventano meno affini per il microtubulo e si staccano). Questo continuo processo di accorciamento e allungamento è detto instabilità dinamica. Nel caso in cui avviene solo (o in maggioranza) depolimerizzazione avviene la cosiddetta “catastrofe”.
Centrosomi
L’estremità – non è mai libera, ma si trova legata a un complesso macromolecolare che costituisce un anello costituito da un terzo tipo di tubulina, la tubulina γ, che funge da centro di nucleazione per l’inizio della polimerizzazione dei protofilamenti dei microtubuli. Questo complesso chiude e stabilizza l’estremità – dei microtubuli. La polimerizzazione dei microtubuli, quindi, tipicamente prende origine da questi complessi, che nella cellula si trovano tutti localizzati in corrispondenza di un addensamento di materiale proteico che circonda i centrioli. Questo complesso prende il nome di centrosoma o di centro di organizzazione dei microtubuli (MTOC).
Microtubuli e trasporto
La distribuzione a raggiera dei microtubuli e la loro polarità all’interno della cellula hanno un ruolo fondamentale nell’impartire direzionalità a certi processi di trasporto che debbono avvenire dal centro verso la periferia o dalla periferia verso il centro. Esistono proteine motrici che si spostano scorrendo sui microtubuli, alcune delle quali (chinesine) si muovono unidirezionalmente verso l’estremità + e altre (dineine) verso l’estremità –. La direzionalità di movimento sui microtubuli è il cardine di processi come il trasporto vescicolare o il trasporto assonico.
Centriolo
Il centriolo è un organulo costituito da una struttura ordinata di microtubuli che forma un cilindro cin una lunghezza di circa 0,5 µm e un diametro di 0,2 µm. I microtubuli del centriolo sono disposti in nove triplette. Nella tripletta, il microtubulo più vicino al centro (detto microtubulo A) è un microtubulo costituito da 13 protofilamenti, mentre gli altri due (detti B e C) sono costituiti da 10 protofilamenti che vanno a chiudersi sul microtubulo adiacente (il B sull’A e il C sul B). Nelle cellule animali si osservano due centrioli disposti perpendicolarmente l’uno all’altro. I centrioli sono gli unici organuli che vengono replicati in maniera coordinata al ciclo cellulare: in fase S (duplicazione del DNA) si verifica la duplicazione dei centrioli. I meccanismi molecolari alla base del processo di duplicazione dei centrioli non sono ancora noti in dettaglio. Al momento della mitosi, le due coppie di centrioli servono da centro di organizzazione dei microtubuli del fuso mitotico e, al termine della divisione cellulare, ciascuna coppia segrega in una delle due cellule figlie.
Ciglia e flagelli
Le ciglia sono estroflessioni di membrana con un diametro di circa 200 nm e lunghezza fino a 5-10 µm, deputate al movimento della cellula nel caso di organismi unicellulari; ad esempio, le cellule delle mucose respiratorie in cui il battito delle ciglia ha la funzione di spostare il muco e favorire l’eliminazione di particelle e sostanze in esso intrappolate. I flagelli sono strutture di maggiori dimensioni (con lunghezza fino a 100-150 µm) che si trovano in cellule dotate di motilità propria, come gli spermatozoi. All’interno di ciglia e flagelli si osserva una struttura principalmente costituita da microtubuli che prende il nome di assonema; la sua struttura portante è costituita da una disposizione di microtubuli detta 9+2, caratterizzata cioè da una coppia di microtubuli al centro (costituita da 13 protofilamenti), circondata da nove doppiette periferiche (un microtubulo A costituito da 13 protofilamenti e un microtubulo B costituito da 10 protofilamenti). All’interno del citoplasma, nella porzione basale del ciglio, si osserva il corpo basale; è costituito da nove triplette di microtubuli. I microtubuli dell’assonema non partono dal centrosoma, ma partono dal corpo basale, che non li fa andare incontro ad instabilità dinamica. Il battito ciliare consiste in un movimento a frusta caratterizzato da una fase di spinta seguita da una fase di ritorno; invece, il movimento del flagello ha tipicamente un andamento spiraliforme.
Filamenti intermedi
I filamenti intermedi sono polimeri proteici del diametro di 10 nm; formano nella cellula strutture molto stabili, atte a conferire resistenza meccanica a deformazioni e sollecitazioni esterne.
I filamenti intermedi si distinguono, in base alla localizzazione, in citoplasmatici e nucleari. I filamenti intermedi citoplasmatici si dividono in cheratine (tipiche degli epiteli), vimentine (tipiche del connettivo) e neurofilamenti (si trovano nei neuroni). I filamenti intermedi nucleari si trovano nella lamina nucleare dove costituiscono una rete di supporto meccanico alla struttura del nucleo e di ancoraggio per la cromatina. I filamenti citoplasmatici sono quindi specifici per il tessuto in cui si trovano.
Inoltre, i filamenti intermedi sono i costituenti degli apparati di adesione cellulare.
Microfilamenti: struttura
I microfilamenti sono polimeri di actina con un diametro di 6 nm e lunghezza variabile. Grazie alle loro caratteristiche, i microfilamenti possono svolgere funzioni molto diverse.
L’actina è una delle proteine più abbondanti nella cellula. L’actina monomerica (che ritroviamo libera nella cellula) è una proteina globulare detta G-actina; tipicamente si trovano le forme ATP o ADP legato, in quanto il monomero è caratterizzato da un sito di legame e idrolisi dell’ATP. I monomeri di actina possono associarsi a formare polimeri costituiti da due filamenti avvolti in un’elica destrorsa; la forma polimerica è detta F-actina e compone i microfilamenti.
Una caratteristica fondamentale dei microfilamenti di F-actina è la loro polarità intrinseca, con un’estremità che differisce sia chimicamente sia strutturalmente dall’altra, ovvero il fatto che il microfilamento ha una direzionalità. Le estremità della cellula si distinguono perché asimmetriche: abbiano un’estremità a punta che rappresenta l’estremità – e un’estremità con barbigli che invece rappresenta l’estremità +.
Funzioni microfilamenti
In alcuni tipi di cellule si trovano a formare strutture specializzate; nelle cellule del muscolo striato formano le strutture stabili dei miofilamenti sottili, responsabili, insieme alla proteina motrice miosina, della contrazione muscolare. Nella maggior parte delle cellule, inoltre, i microfilamenti formano, immediatamente al di sotto della membrana plasmatica, una fitta trama, detta cortex, che svolge molteplici funzioni; è una struttura capace di esibire notevoli variazioni strutturali che permettono il movimento del margine cellulare in processi di locomozione cellulare o fagocitosi.
Polimerizzazione microfilamenti
Oltre la polarità strutturale, un altro parametro di grande importanza è rappresentato dalle dinamiche di polimerizzazione e depolimerizzazione dei filamenti. La velocità di associazione di un monomero ad un polimero esistente è maggiore all’estremità +. I monomeri che si aggiungono al polimero in crescita sono per lo più ATP legati; questi, una volta incorporati, tendono a rilasciare fosfato (idrolisi) e a passare alla forma actina-ADP. A causa della diversa velocità di aggiunta di monomeri alle due estremità, tipicamente l’incorporazione di nuove molecole di actina-ATP all’estremità + è più rapida dell’idrolisi dell’ATP e del rilascio del fosfato, cosicché l’estremità + è sempre caratterizzata da actina-ATP; all’estremità –, invece, l’idrolisi dell’ATP e il rilascio di fosfato sono più rapidi dell’aggiunta di monomeri di actina-ATP, per cui questa estremità è caratterizzata da una prevalenza di actina-ADP. L’aggiunta di monomeri a un’estremità e la loro perdita dall’altra, con conseguente scorrimento dei monomeri dall’estremità + verso quella –, è nota come processi treadmilling.
Proteine e microfilamenti
Per svolgere la loro grande varietà di funzioni, i microfilamenti interagiscono con varie proteine. Tra queste ricordiamo la miosina; abbiamo: la miosina I, un singolo peptide costituito da una testa globulare ed una coda, la testa interagisce con il filamento di actina (scorrendo verso polo +) e idrolizza ATP mentre la coda può essere associaata alla membrana plasmatica consentendo lo spostamento dei filamenti del cortex; la miosina V, la cui coda può legare un’altra molecola, una vescicola o un organello (che così può essere trasportata verso il polo +); la miosina II, tipica della cellulla muscolare, è bipolare, anche in questo caso l’attività contrattile risiede nella capacità delle teste di idrolizzare ATP e scorrere verso il polo + del filamento di actina.
Movimento e microfilamenti (?)
Nel movimento, una cellula adesa a un substrato può spostarsi mediante una serie coordinata di eventi: il versante anteriore mostra dinamiche di estroflessione (lamellipodio) e avanzamento della membrana, mentre ul posteriore presenta dinamiche di retrazione.
