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DICIASSETTESIMA LEZIONE 22- 11
CITOSCHELETRO Il citoplasma delle cellule è quindi compartimentato per la presenza di un complesso di membrane detto SISTEMA MEMBRANOSO INTERNO. Questo sistema organizza il cictoplasma celulare in spazi circoscritti con precise caratteristiche. Non tutto il citioplasma risulta però compreso negli spazi definiti dal sistema membranoso interno. La maggior parte del citoplasma si trova compreso tra la superficie citoplasmatica delle membrane del sistema membranoso interno e la membrana plasmatica ed è detto CITOSOL. Inizialmente si pensava che questo fosse una semplice soluzione acuqosa di Sali minerali e molecole organiche e che non ci fosse una particolare organizzazione. In seguito pero dopo vari studi, viene scoperta un’impalcatura citoplasmatica composta da elementi fibrillari.
IL CITOSCHELETRO è un sistema di strutture collocate all'interno della cellula, che
nell'insieme ne costituiscono l'impalcatura. Tuttavia il citoscheletro è molto dinamico e permette alle cellule di cambiare la loro forma, di muoversi mediante strutture specializzate quali pseudopodi, ciglia o flagelli. FUNZIONI Strutturale
- Il citoscheletro rinforza la membrana plasmatica e quella nucleare;
- Sostiene i dendriti e gli assoni dei neuroni. Dinamica
- Trasporta le vescicole e gli organelli nel citoplasma;
- Costituisce i sarcomeri che permettono la contrazione muscolare;
- Importante per la divisione cellulare; Quindi il citoscheletro è come una RETE TRIDIMENSIONALE DI FILAMENTI che dal punto di vista strutturale e costitutivo possono essere raggruppati in tre sistemi distinti:
- MICROFILAMENTI (actina)
- MICROTUBULI (tubulina)
- FILAMENTI INTERMEDI (varie proteine)
numerose proteine legano tra loro i tre sistemi filamentosi principali.
Le proteine del citoscheletro sono proteine strutturali e ognuna ha diversa funzione.
COMPONENTE ACTINICA NEL CITOSCHELETRO
I microfilamenti rappresentano la forma polimerica (F-actina) dell’actina globulare (G-actina)
ACTINA MONOMERICA
L’actina è una proteina globulare. ci sono vari tipi di actina. le differenze strutturali tra le diverse
ISOFORME di actina sono minime e riconducibili alla sostituzione di qualche residuo aminoacidico
nella struttura primaria. queste non sono in grado di influenzare la funzione generale della
proteina. si indicano con ALFA le isoforme muscolari, e con BETA E GAMMA quelle
citoplasmatiche.
SITI DI INTERAZIONE
La G-actina presenta vari siti di interazione per composti differenti.
- Presenta un sito per l’ATP per cui ogni monomero è legato a una molecola di ATP. La G-actina è anche indicata con ATP-actina. Durante la polimerizzazione, l’ATP viene idrolizzato ad ADP che rimane legato alle subunità proteiche costituenti il polimero
- Ciascun monomero di actina presenta un SITO AD ALTA AFFINITà PER GLI IONI METALLICI BIVALENTI , lo ione fisiologico è il magnesio. Con l’occupazione di questo sito la molecola subisce un cambiamento di configurazione spaziale divenendo adatta alla polimerizzazione(Processo chimico mediante il quale si ottiene un polimero a partire da sostanze a basso peso molecolare ( monomeri ))
- Ogni molecola di actina presenta SITI PER GLI IONI METALLICI MONOVALENTI generalmente occupati da ioni potassio.
- Ogni molecola di actina sembra possedere 4 siti a bassa affinità per il calcio I MICROFILAMENTI I microfilamenti sono una classe di proteine del citoscheletro. I microfilamenti di actina sono i filamenti più sottili di tutto il citoscheletro (5-7 nm). Questi microfilamenti in realtà sono formati da più proteine globulari che si allineano a formare due filamenti, simili a collane di perle, che si avvolgono ad elica tra loro. questa proteina glibulare è la G- actina. Essa rappresenta l’unità fondamentale dei microfilamenti che prendono invece il nome di F-actina La loro funzione principale è la motilità (mitosi, locomozione, contrazione), ma hanno anche un ruolo strutturale (forma), di trasporto, e nell'interazione e stabilizzazione intercellulare (attraverso le giunzioni). Sono costituiti da actina, una delle proteine più abbondanti nelle cellule. I microfilamenti (filamenti di actina) sono polimeri che si formano a partire da monomeri di actina
La polimerizzazione dell’actina è suddivisibile in:
- ATTIVAZIONE DEL MONOMERO consiste nel cambiamento conformazionale della molecola proteica in seguito all’occupazione da parte del magnesio del sito ad alta affinità per gli ioni metallici bivalenti
- NUCLEAZIONE molecole di actina cominciano ad unirsi formando dei trimeri che costituiranno i nuclei per l’assemblaggio di strutture più complesse. Questo è il processo più lento in quanto energicamente sfavorito
- ALLUNGAMENTO prevede l’aggiunta di nuovi monomeri a entrambe le estrmità dei nuclei di polimerizzazione. È la fase più veloce
- ANNEALING (RICUCITURA) i filamenti corti si legano insieme a formare polimeri di lunghezza maggiore i microfilamenti vengono formati dalla polimerizzazione di monomeri di actina, l’actina è una proteina globulare e si trova nel citoplasma in forma monomerica. Quando legati con l’ATP e gli ioni magnesio i monomeri sono in grado di aggregarsi gli uni con gli altri con legami reversibili formando i microfilamenti che appaiono come una doppia elica. I filamenti si formano a partire da piccoli centri di nucleazioni instabili formati da 3 o 4 monomeri di actina legata ad ATP E IONI MAGNESIO) La polimerizzazione avviene per nucleazione cominciano da monomeri si formano dimeri e poi trimeri esistono delle molecole proteiche in grado di facilitare l’assmblaggio di questi filamenti. Le molecole a cui è stata assegnata questa FUNZIONE NUCLEANTE nei confronti dell’actina sono:
- Il COMPLESSO ARP2/3 (generatore di reti tridimensionali) è un complesso di più proteine in grado di ancorarsi con una porzione ad un filamento pre esistente e di sfruttare delle proteine actino-simili come centro di nucleazione per avviare la formazione di un nuovo filamento. I nuovi filamenti formati vengono disposti con un angolo di 70 gradi rispetto a quello originario.
- LE FORMINE ( generatirice di fasci di filamenti paralleli)
- LA PROTEINA SPIRE ( in grado di generare strutture actiniche simili a quelle introdotte dalle formine) AL TERMINE della polimerizzazione il sistema raggiunge uno stato stazionario (STREADY STATE) che nonostante le apparenze è una fase di marcato dinamismo. I protagonisti di questo stato stazionario sono: il POLIMERO FRAZIONATO IN UN CERTO NUMERO DI FILAMENTI e una CERTA QUANTITà DI MONOMERO CHE NON è ANDATA INCONTRO A POLIMERIZZAZIONE. La quantità di monomero che è in equilibrio dinamico con il polimero è detta CONCENTRAZIONE CRITICA ( rappresenta anche la minima concentrazione di proteina necessaria per la polimerizzazione) In questa fase una certa quantità di monomeri allo stato stazionario continua a essere incorporata nei filamenti a livello delle barbed end, mentre le pointed end degli stessi filamenti rilasciano una uguale quantità di subunità, in questo modo non si verificano variazioni nella concentrazione.
Il flusso è unidirezionale e procede dalla barbed end alla pointed end. Questo fenomeno legato al diverso comportamento chimico dei due terminali dei filamenti di actina è chimato TRADMILLING. Ogni movimento che si svolge su tracce (o rotaie) citoscheletriche avviene grazie all’intervento di una delle PROTEINE MOTORE che idrolizzando ATP fornisce energia necessaria all’evento motorio. Durante il treadmilling il flusso delle subunità actiniche avviene nel senso barbed pointed. Il TREADMILLING (MULINELLO) CRESCE ALL’ESTRMITà + E DECRESCE ALL’ESTREMITà - Al contrario il moto di organuli o molecole su tracce microfilamentose si sviluppa in senso pointed barbed a velocità superiori. Allo stato stazionario
- Filamento è asimmetrico e in equilibrio dinamico
- Le subunità G-actina-ATP si legano prevalentemente all’estrmità + mentre all’estrmità meno prevale la dissociazione
- La G-actina dopo essersi legata idrolizza l’ATP
E SE IO VOLESSI ALLUNGARE LA LUNGHEZZA DEL FILAMENTO DALLO STATO STAZIONARIO?
Aumento la concentrazione di actina G superando la conenctrazione critica e raggiungendono un’altra Se voglio accorciare tolgo l’actina al di sotto della concentrazione critica accorciando il filamento fino a raggiungere di nuovo la concentrazione critica e mi trovo di nuovo allo stato stazionario QUINDI COME SI FORMA NO I FILAMENTI? POLI MERIZZAZIONE I microfilamenti di actina sono strutture altamente instabili che si assemblano (polimerizzano) e disassemblano in continuazione. Questo fenomeno dipende dal fatto che la G-actina possiede una tasca in cui trattiene una molecola di ATP. La presenza dell’ATP stabilizza l’actina e ne permette la polimerizzazione in filamenti. Dopo circa 10 secondi un legame fosforico dell’ATP viene scisso diventando ADP+P, dopo circa 6 min il gruppo fosforico (P) viene espulso e
che regolate a loro volta dalla concentrazione di ioni calcio sono in grado di legarsi all’actina, sia in forma libera che sul filamento modificandone il comportamento. ) (la locomozione cellulare, i cambiamenti di forma e altre attività sono sostenuti dalla F-actina legata a PROTEINE ANCILLARI che prendono il nome di ABP e possono essere suddivise in molecole che interagiscono con la G- actina e con la F-actina) Le proteine ABP possono legarsi ai monomeri di actina impedendo l’aggregazione dei monomeri o bloccando la polimerizzazione di un microfilamento in allungamento, altre promuovono il rapido dissemblamento del polimero o il taglio del filamento in frammenti più corti. Esistono poi proteine in grado di creare legami trasversali tra piu microfilamenti creando fasci di filamenti e strutture tridimensionali che possono a loro volta legarsi ad altri elementi del citoscheletro e componenti cellulari come la membrana cellulare. PROTEINE ANCILLARI DELL’ACTINA MONOMERICA A questo gruppo di proteine appartengon le PROFILINE, LE BETA-TIMOSINE, la Dnasi, la Vitamin D-binding protein, la DEPACTINA, l’ACTOFORINA.
PROFILINE
Proteine che formano complessi con la G-actina impedendone la polimerizzazione. Le profiline agirebbero come preparatori alla polimerizzazione nei confronti dei monomeri actinici da inviare all’assemblaggio. L’attività facilitante delle profiline sulla conversione dell’ADP-actina in ATP-actina Sequestrano molecole di ATP-actina impedendone la nucleazione e l’aggiunta ad un nuovo filamento, l’actina legata a queste molecole (profilina e timosina ) non è quindi disponibile per la formazione di un filamento. La profilina a differenza della timosina può favorire indirettamente l’accrescimento del microfilamento di actina da qui il nome pro-filina. Questa ha infati più affinità per l’ADP-actina che per l’ATP-actina e quando la lega ne induce l’apertura favorendo lo scambio dell’ADP con l’ATP, la profilina quindi favorisce il riciclo di actina, ma non può polimerizzarsi spontaneamente. L’actina legata alla profilina può essere sfruttata in presenza della FORMINA (proteina di nucleazione e allungamento del filamento) questa proteina è in grado di catturare i complessi profilina-actina e utilizzarli per allungare il filamento. PROTEINE ANCILLARI DEI MICROFILAMENTI actine binding protein che interagiscono con l’F-actina vengono suddivise in base all’azione svolta. Ci son proteine in grado di bloccare i terminali del filamento fette END BLOCKING PROTEIN legandosi all’estrmità del filamento ne bloccano l’attività BARBED END CAPPING PROTEIN proteine che formano reti e fasci di filamento. Hanno il compito di bloccare l’aggiunta di nuovi monomeri all’estrmità del filamento che maggiormente ha la tendenza ad allungarsi. L’attività bloccante di queste proteine è accompagnata da un’attività di TAGLIO calcio-dipendente nei contronti del filamento interessato
CROSSING LINK PROTEIN hanno il compito di promuovere e stabilizzare legami trasversali tra i filamenti di actina, dando luogo a reti tridimensionali o a fasci di filamenti. MIOSINA è un esamero formato da due catene pesanti e da due coppie di catene leggere. Il suo legame con la F- actina forma gel contrattili, in realtà ci riferiamo all’MIOSINA II, proteina che caratterizza l’apparato contrattile delle cellule muscolari. Le miosine si associano in dimeri attorcigliando ad elica le loro code e lasciando sporgere le teste globulari. Queste teste presentano un sito per l’interazione ed il legame con l’actina. In corrispondenza della giunzione tra testa e coda sono presenti delle catene leggere che regolano la torsione della testa rispetto alle code. I dimeri di miosine infatti si uniscono in fasci da cui sporgono le teste, queste teste si ripiegano ed associano con l’actina e l’idrolisi dell’ATP ne determina il ripiegamento e il conseguente scorrimento dell’actina FILAMINA (esistono gruppi di proteine con funzione di cross-linking che determinano la disposizione di più filamenti e sono filamin, fimbrina,spectrina e alfa-actinina) la filamina forma dei dimeri che uniscono in modo crociato i filamenti di actina formando una sorta di rete SPECTRINA E TW240/260 la spectrina è un dimero, è un’altra proteine di cross-linking che forma delle reti al di sotto della membrana citoplasmatica ancorando tra loro corti segmenti di actina. l’altra è anche questa un dimero DISTROFINA Proteina flessibile e allungata, ancorata alla membrana plasmatica che lega actina; la sua assenza o difetto causa la distrofia muscolare. presenta due subunità, ognuna è caratterizzata da un sito di legame per la F-actina e un altro per la glicoproteina di membrana. Nelle cellule muscolari connettono l’apparato contrattile alla membrana plasmatica CALDESMONE dimero formato da due subunità, favorisce i legami trasversali tra filamenti di actina e la sua attività e inibita dalla calmodulina ALFA-ACTINA è un dimero presente nelle strie Z miofibrillari, nei corpi densi delle cellule muscolari liscie e in altre cellule. In presenza di calcio tende a riunire in reti o in fasci i filamenti di actina. La forma muscolare è calcio- indipendente Unisce i filamenti in fasci paralleli e forma fasci più lassi.
prodotte dallo smantellamento sono poste in superficie del cono di crescita per poter essere utilizzate per l’ulteriore allungamento in un leucocita invece, l’estroflessione non può produrre movimento della cellula intera se questa non si è ancorata a livello dell’emissione dello pseudopodio mediante una placca di adesione. A questo aggancio segue il movimento retrattile derivante dall’interazione actina- miosina. L’actina è principalmente disposta al disotto della membrana formando una fitta rete ma si trova anche all’interno del citoplasma. È un filamento citoscheletrico principalmente responsabile della forma che le diverse cellule acquisicono. Grazie alle numerose proteine di modulazione l’actina è in grado di formare strutture cellulari specializzate nello svolgere alcune funzioni:
- LAMELLIPODI si chiamano cosi perche sono delle ESTROFLESSIONI DELLA MEMBRANA molto sottili come lamelle che costituiscono i piedi con cui la cellula si muove. Le proteine di nucleazione ed accrescimento si attivano lungo un versante della cellula facendola allungare in quella direzione. Loscheletro actinico del lamellipodio si ancora all’ambiente extracellulare mediante proteine di adesione. Molecole di miosina invece contraendosi trascinano lo scheletro actinico presente all’interno della cellula lungo il piede che diventa una sorta di binario. Questo è il modo in cui la cellula si sposta.
- FILOPODI sono delle estroflessioni della membrana più piccole e sottili dei lemellipodi. Servono a sondare l’ambiente circostante e decidono la direzione del movimento della cellula che può cercare del cibo o scappare da sostanze tossiche.
- MICROVILLI sono delle sottili estroflessioni più stabili dei filopodi. Servono ad aumentaee la superficie delle cellule intestinali che devono avere a disposizione una superficie con più trasportatori per assorbire sostanze nutritive come gucosio e aminoacidi. L’assorbimento di sostanze nutritive è una funzione che queste cellule svolgono per tutta la loro vita, per questo sono più stabili. Sono fasci tenuti tra loro da proteine cross-linking come fimbrina e villina. Sull’apice presentano un cappuccio stabilizzante che previene la depolimerizzazione del filamento.
- STEREO CIGLIA sono delle estroflessioni più lunghe dei microvilli con funzione sensoriale. Possono essere sia recettori di ormoni che sensori fisici delle vibrazioni. Sono presenti infatti nell’orecchio e sono loro che piegandosi percepiscono le vibrazioni dell’aria trasmettendole al cervello come suoni
- ANELLO CONTRATTILE è un anello formato di actina e miosina che divide in due le cellule restringendosi durante la replicazione cellulare MOVIMENTI RETRATTIVI Il movimento ameboide quindi si può suddividere in due momenti: emissione dello pseudopodio, con trasformazione G/F-actina e aggancio mediante placca di adesione fase motoria attiva (mediante idrolisi si ATP) ad opera del complesso actina-miosina. Ovviamente prima di parlare del fenomeno contrattile actina-miosina parliamo del filamento di miosina
LA MIOSINA La classe più rappresentativa di queste macromolecole è quella delle MIOSINE II che svolgono un ruolo determinante nella contrazione muscolare. Quindi la miosina è una proteina in struttura quaternaria. È un esamero (costituita da 6 polipeptidi) le cui componenti peptidiche possono essere raggruppate:
- DUE CATENE PESANTI che per un tratto si avvolgono tra loro a formare un’elica lineare (CODA DELLA MIOSINA) e a un’estremità della molecola divergono per assumere una configurazione globulare (TESTE DELLA MIOSINA)
- 2 COPPIE DI CATENE LEGGERE addossate alle teste Ciascuna testa contiene due molecole di subunità leggere diverse tra loro. Il filamento è costituito da due metà speculari, in ognuna di queste le molecole si associano longitudinalmente, testa/coda, sfasandosi di un quarto della loro lunghezza e ruotando sul proprio asse, in questo modo le code delle molecole si uniscono a formare il corpo del filamento mentre le teste sporgono dall’asse principale in diverse direzioni. Al centro del filamento le molecole appartenenti a due diverse metà si affrontano coda a coda
La riduzione della lunghezza iniziale cui va incontro una cellula muscolare durante la contrazione non è dovuta ad un parallelo accorciamento degli elementi contrattili. Ne molecole ne filamenti contrattili vanno incontro ad una riduzione di lunghezza. Il fenomeno contrattile implica lo SCIVOLAMENTO (SLIDING) attivo di alcune strutture filamentose rispetto ad altre che rimangono immobili. In particolare i filamenti di actina scorrono sui filamenti di miosina grazie all’attività delle teste della miosina. La direzione del moto è unica ed è data dalla polarità del filamento di actina. Le teste di miosina infatti muovono il filamento di actina in maniera che la sua pointed end risulti sempre rivolta verso il senso di moto. I protagonisti della rappresentazione contrattile sono sempre l’actina e la miosina indipendentemente dal tipo di cellula magari cambia la modalità di controllo del fenomeno ma non i protagonisti. La formazione di legami trasversali transitori tra un filamento di actina e uno di miosina è un fnomeno ciclico, ATP- dipendente che si svolge attraverso una serie di reazioni. Queste reazione possono essere rappresentate in termini di cambiamenti morfologici molecolari. In condizioni di riposo la testa della miosina su cui staziona una molecola di ATP è staccata dall’actina e forma un angolo di 45° rispetto al filamento di actina. Quando arriva il segnale di contrazione (nelle cellule muscolari sono ioni calcio) la testa della miosina acquisisce la capacità di idrolizzare l’ATP (proprietà ATPasica). Avvenuta l’idrolisi i prodotti (ADP+P) rimangono attaccati alla testa, mentre l’energia liberata viene sfruttata dalla testa stessa per portarsi a 90° rispetto al filamento di actina. Quindi la testa della miosina usa l’energia che si è liberata dall’idrolisi dell’ATP per cambiare configurazione spaziale e assestarsi in una morfologia molecolare ad alto contenuto energetico e quindi instabile. A questo punto sono presenti le condizioni necessarie per l’aggancio della testa della miosina al filamento di actina. Al momento dell’aggancio i prodotti dell’idrolisi (ADP+P) che continuavano a stazionare sulla testa vengono rilasciati nel mezzo dell’ambiente. Il fatto comporta il ritorno della testa alla configurazione iniziale (45°) La testa di miosina però essendo agganciata all’actina nel suo movimento da 90° a 45° trascina il filamento di actina nella direzione che va dalle BARBED END ALLA POINTED END Completato il ciclo la testa della miosina in configurazione 45° rimane agganciata al filamento di actina in un complesso molecolare stabile a basso contenuto energetico il COMPLESSO DI RIGOR, per scindere il complesso e cominciare un altro ciclo è necessaria una nuova molecola di ATP
REGOLAZIONE FENOMENO CONTRATTILE I meccanismi attraverso i quali la contrazione viene regolata non sono tutti uguali. Nel tessuto muscolare a riposo le concentrazioni di actina, miosina,ATP e calcio sono sufficientemente elevate da oermettere un’efficiente interazione actomiosinica. Le cellule muscolari però non sono sempre contratte ms alternano moemnti di attività a momenti di riposo. Il SEGNALE DI CONTRAZIONE arriva dall’ambiente esterno alla cellula. Questo può essere di varia natura (impulso nervoso, rilascio di ligandi per specifici recettori di membrana ecc..) ma la cellula risponde sempre con il rilascio di un particolare secondo messaggero, il calcio. Lo ione calcio viene tenuto a concentrazioni bassissime nel citoplasma libero, in compartimenti citoplasmatici (reticolo endoplasmatico liscio/ calciosomi) per poi venire rilasciato nei momenti di necessità, ma la sua disponibilità dipende dall’arrivo di un segnale. Le cellule devono possedere un interruttore ON/OFF sensibile al calcio, capace di innescare gli eventi biochimici della contrazione. È questo il punto di divergenza tra cellule muscolari e non muscolari che distinguono per la natura dell’interruttore sensibile al calcio. MECCANISMI TIPICI DELLA CELLULA MUS COLARE In una cellula muscolare striata scheletrica a riposo, il calcio viene trattenuto all’interno del reticolo endoplasmatico liscio. Il suo rilascio dipende dall’arrivo dell’impulso nervoso a livello della placca motrice. L’interruttore sensibile all’innalzamento della concentrazione di ioni calcio nel citoplasma è rappresentato da un complesso proteico che è parte integrante dei filamenti di actina. Questo complesso è costituito da due proteine
- La TROPOMIOSINA è una proteine di forma allungata (filamentosa) che viene classificata come side-binding protein del filamento di actina. Le molecole di tropomiosina si autoassemblano mettendosi in fila con disposizione testa/coda per formare un filamento. Durante la costruzione del filamento sottile, due filamenti di tropomiosina vanno a disporsi in prossimità dei due solchi creati dall’avvolgimento a elica delle due file di subunità proteiche del filamento di actina. ogni molecola di tropomiosina sottende 7 subunità actiniche. A ogni molecola di tromomiosina è legata una molecola di troponina
- La TOPONINA (calcio-sensibile) È una molecola proteica in struttura quaternaria costituita da tre subunità globulari indicate come: A subunità che prende contatto con il filamento di actina C subunità calcio-sensibile T subunità che lega la tropomiosina
