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CITOSCHELETRO E MOTILITA’ CELLULARE
L’attuale definizione di citoscheletro come una rete di filamenti che possono essere raggruppati in tre distinte categorie (microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi), risulta abbastanza riduttiva; in essa infatti non si fa riferimento alla miriade di ponti proteici che connettono i tre sistemi filamentosi principali. Inoltre, tale definizione lascia pensare ad una struttura statica: le strutture del citoscheletro sono impiegate nel dare sostegno alla cellula, ma sono anche responsabili del manifestarsi di tutti quei fenomeni che vanno sotto il nome di motilità cellulare (locomozione, traffico vescicolare e cambiamenti della morfologia cellulare).
MICROFILAMENTI
I microfilamenti rappresentano una forma polimerizzata (F-actina) della proteina globulare G-actina.
La G-actina è una proteina globulare. L’actina presente nelle cellule muscolari e strutturalmente differente da quella che si può trovare a livello citosolico di altre cellule. Le differenze strutturali stanno nella sostituzione di qualche aminoacido nella struttura primaria della proteina. In maniera generale si indicano come α actine quelle ritrovabili a livello delle cellule muscolari striate, lisce e cardiache, mentre si indicano come β e γ actine quelle che si trovano in tutte le altre cellule.
La G-actina presenta vari siti di interazione per diverse molecole:
Sito per l’ATP, per cui ogni monomero lega una molecola di ATP, la quale vie ne idrolizzata in ADP al momento della polimerizzazione. Quando la subunità proteica viene rilasciata, l’ADP legato al polipeptide viene immediatamente sostituita dall’ATP. Sito ad alta affinità per gli ioni metallici bivalenti, il quale può essere occupato da vari ioni, ma quello fisiologico sembra essere il magnesio. Il legame con questo ione causa un cambiamento conformazionale, tale da indurre la proteina alla polimerizzazione. Sito di legame per gli ioni monovalenti, ha una bassa affinità e lega principalmente lo ione potassio Siti a bassa affinità per il calcio, in un numero di quattro
A pH moderatamente basico, a bassa concentrazione di calcio e ATP, la proteina mantiene la sua forma monomerica; con l’aumento della concentrazione degli ioni metallici, la G-actina tende a polimerizzare in lunghi filamenti di F-actina, formati da due file di monomeri, che si intrecciano ad elica. Dopo la polimerizzazione, il filamento di actina presenta una polarità marcata, in quanto le sue estremità presentano delle caratteristiche chimiche differenti.
Polimerizzazione dell’actina
Il processo di polimerizzazione può essere suddiviso in quattro fasi: attivazione del monomero, nucleazione, allungamento e annealing.
- Attivazione del monomero = l’attivazione del monomero consiste nel cambio conformazionale subito in seguito all’occupazione del sito ad alta affinità da parte dello ione metallico bivalente; 2. Nucleazione = con la nucleazione, alcuni monomeri di actina, si aggregano per formare dei nuclei di polimerizzazione (trimeri) che in seguito si allungano per apposizione di nuove subunità. Alla nucleazione intervengono diverse proteine, tra cui il complesso proteico Arp2/3 e delle formine. Il complesso Arp2/3, ancorandosi al lato di un preesistente filamento, nuclea la G-actina, formando un ramo laterale con la pointed end inserita nel punto di genesi e la barbed end libera, generando una rete tridimensionale di filamenti di actina. Le formine, invece, sono in grado di nucleare filamenti, formando dei fasci di filamenti paralleli tra di loro; 3. Allungamento = l’allungamento prevede l’aggiunta di nuovi monomeri ad entrambe le estremità dei nuclei di polimerizzazione. È la fase più veloce del processo di polimerizzazione, in cui si osserva una crescita esponenziale del filamento; 4. Annealing = durante l’annealing i filamenti corti si uniscono per formare filamenti di lunghezza maggiore.
I protagonisti dello stato stazionario sono il polimero e una certa quantità di monomeri che non sono andati incontro alla polimerizzazione. La quantità di monomero che è in equilibrio dinamico con il polimero e che rappresenta la concentrazione minima di proteina necessaria alla polimerizzazione, è definita concentrazione critica. Allo steady-state le concentrazione del monomero e del polimero non variano; ciò non deve essere interpretato come una fase di congelamento del sistema, ma è una fase in cui una certa
Osservando il decorso della polimerizzazione, si può notare un primo tratto di curva praticamente parallelo all’asse delle ascisse, dove la formazione del polimero è quasi nulla. Questa fase è definita di ritardo o latenza, in cui il sistema si trova a superare un’alta barriera energetica. Al termine di questi eventi, la curva si impenna, fase in cui avviene l’allungamento dei nuclei. Quando la fase di allungamento va scemando, comincia l’annealing, fase in cui non si hanno variazioni della quantità del polimero. Al termine della polimerizzazione, si raggiunge uno steady state o stato stazionario.
È possibile notare tale polarità, decorando i filamenti stessi con meromiosina pesante (HMM), un prodotto della digestione della miosina e più precisamente il frammento della testa di miosina che conserva la capacità di legare l’actina. Il legame di HMM con l’actina è stereospecifico: il filamento di actina si presenta con delle protuberanze disposte in maniera ordinata e con un angolo di 45˚ rispetto al filamento di actina. Questa tipica disposizione spaziale è definita a punta di freccia: l’estremità verso cui sono rivolte e punte delle frecce è detta pointed end, mentre l’estremità opposta è detta barbed end.
agirebbero come dei preparatori alla polimerizzazione, facilitando la conversione dell’ADP-actina in ATP-actina. β-timosine = legano la G-actina con una affinità molto elevata, impedendo la formazione dei filamenti. Il loro nome è dovuto al fatto che in passato si pensava fossero dei prodotti specificatamente timici. DNasi I = è un enzima ad attività litica nei confronti del DNA, particolarmente abbondante all’interno delle cellule del pancreas. La sua alta affinità per la G-actina è tale da essere capace di strappare dei monomeri al polimero, accelerandone la depolimerizzazione. Depactina e actoforina = presentano un medesimo peso molecolare; oltre a legare la G-actina, sono in grado di legarsi anche all’F-actina, frammentandola.
proteine in grado di legare il terminale del filamento, dette anche capping protein e le proteine che formano reti e fasci del filamento, dette anche bundling protein e side binding protein. End blocking protein = sono proteine che, legandosi alle estremità dei filamenti, ne bloccano le attività. A loro volta possono essere distinte in base all’estremità del filamento a cui sono legate: Barbed end capping protein (gelsolina, villina, severina e brevina): hanno il compito di bloccare l’aggiunta di nuovi monomeri all’estremità del filamento che mostra più tendenza all’allungamento. L’attività bloccante di queste proteine è spesso accompagnata da un taglio calcio- dipendente nei confronti del filamento interessato. Pointed end capping protein (acumentina nelle cellule non muscolari, β-actinina nelle cellule muscolari e tropomoduline in cellule muscolari e non): proteine regolatrici delle pointed-end dei filamenti di actina. Cross-linking protein = sono proteine che hanno il ruolo di formare e stabilizzare legami trasversali tra i filamenti, in modo da formare reti tridimensionali o fasci di filamenti. Sono delle proteine che possono svolgere entrambe le funzioni, stabilita dalla loro concentrazione rispetto ai filamenti di actina: ad una bassa concentrazione è favorita la formazione di reti, mentre ad alta concentrazione è favorita la formazione di fasci. Miosina = è un esamero formato da due catene pesanti e due coppie di catene leggere. Rappresenta la proteina motore del sistema actinomiosinico; il suo legame con la F-actina è temporaneo e dipende dall’idrolisi di ATP. Distrofina = presenta due subunità, una legante la F-actina, mentre l’altra lega una glicoproteina di membrana. Nelle cellule muscolari, svolge la funzione di connettere la contrazione con la membrana cellulare. La mancata informazione genetica per la sua costruzione causa una grave malattia, definita distrofia muscolare di tipo Duchenne. Caldesmone = isolata nelle cellule muscolari lisce, favorisce il legame trasversali tra i filamenti di actina e la sua attività è inibita dalla calmodulina. Fascina = tende a tenere unite, in maniera trasversale, i filamento di actina. α-actinina = è presente sulle linee Z delle
miofibrille, nei corpi densi delle cellule muscolari lisce e in molti altri tipi cellulari non muscolari. In presenza di calcio tende a riunire in reti o fasci i filamenti di actina. La forma muscolare è indipendente dalla presenza dello ione calcio. Side binding protein = si tratta di proteine che legano la superficie laterale del filamento, la cui funzione è quella di stabilizzare il filamento di actina, andandosi a legare in maniera parallela all’asse del filamento stesso, lungo i solchi che si formano dalla spiralizzazione dei due filamenti di actina. Tali proteine appartengono alla famiglia delle tropomiosine, proteine filamentose, la cui forma muscolare concorre alla formazione dell’apparato contrattile; nelle cellule non muscolari, le tropomiosine si legano all’actina impedendone la frammentazione. Motilità actino – mediata
Le manifestazioni dell’attività motoria mediata dall’actina, possono essere suddivise in due categorie: movimenti propulsivi, a cui appartengono tutti quei movimenti motori che possono verificarsi per una semplice polimerizzazione dell’actina e movimenti retrattivi, a cui appartengono tutti quei fenomeni motori a cui, oltre all’actina, partecipano altre proteine, rappresentata da un membro della famiglia delle miosine.
Movimenti propulsivi
Il formarsi e il dissolversi delle protrusioni cellulari, dipendono da informazioni ambientali ricevute dal plasmalemma ed elaborate dalla membrana stessa. Ligandi specifici per i recettori di membrana possono causare un riarrangiamento della cortex cellulare, ossia dello stato situato immediatamente sotto la membrana cellulare, privo di organuli, che si espande in maniera elastica, portando a estroflessioni di vario tipo; in altri casi, perdendo di viscosità, permette la fusione di vescicole e granuli di secrezione con il plasmalemma. Tali variazione della zona corticale del citoplasma vanno sotto il nome di trasformazioni sol/gel.
Il principale componente della cortex del citoplasma è l’actina, in cui può raggiungere la concentrazione di 1mM. I filamenti di actina in questa zona sono uniti l’uno con l’altro in caratteristiche formazioni ad X. I corti filamenti di actina risultano, inoltre, essere cappati in entrambe le estremità; per questo motivo, sono incapaci di allungarsi. Variazioni locali del microambiente citoplasmatico della corticale, portano al decappaggio dei filamenti di actina e lascia loro la possibilità di allungarsi. Il processo di polimerizzazione avviene in maniera esplosiva, grazie alla presenza di nuclei di polimerizzazione preformati. L’orientamento eterogeneo dei nuclei permette una crescita tridimensionale, accompagnata da un aumento del volume cellulare che genere l’estroflessione citoplasmatica. L’estroflessione deve restare stabile e i meccanismi che portano a tale scopo variano a seconda del tipo di cellula che si considera: nella cellula nervosa, ad esempio, il cono di crescita del neurite viene stabilizzato dall’intervento dei microtubuli, che ne impediscono la retrazione dopo la depolimerizzazione delle impalcature actiniche. Dopo lo smantellamento delle strutture actiniche, i nuclei di polimerizzazione e le molecole di G-actina, vengono riciclati all’apice del neoformato cono di crescita, in modo da permettere un ulteriore allungamento.
La contrazione
La contrazione implica lo scivolamento di strutture filamentose su altre che restano immobili. In particolare, i filamenti di actina scivolano su quelli di miosina, grazie all’attività delle teste di miosina. La direzione del moto è dettata dalla polarità dei filamenti di actina: le teste di miosina muovono il filamento di actina in modo che la sua pointed end risulti rivolta verso il senso del moto. Gli attori principali della contrazione sono sempre l’actina e la miosina.
In condizioni di riposo, la testa della miosina, su cui stazione una molecola di ATP, è staccata dall’actina e forma un angolo di 45˚ rispetto al filamenti actinico. Quando arriva il segnale di contrazione, la testa della miosina acquisisce la capacità di idrolizzare l’ATP. Avvenuta l’idrolisi, i prodotti ADP e P rimangono attaccati alla testa, mentre l’energia liberata viene sfruttata, dalla testa stessa, per portarsi sul filamento actinico con un angolo di 90˚. A questo punto si sono formate tutte le condizioni affinché avvenga ‘attacco della miosina sull’actina; nel momento dell’adesione, ADP e P vengono rilasciati nel mezzo ambiente e la testa di miosina ritorna nella sua conformazione primitiva, ad un angolo di 45˚ rispetto al filamento di actina. Essendo agganciata al filamento di actina, lo spostamento della testa di miosina dalla sua conformazione di 45˚ a quella di 90˚, comporta lo spostamento del filamento di actina. Terminato il ciclo, la testa di miosina resta ancorata al filamento di actina (complesso di rigor); affinché possa avvenire lo scioglimento del complesso e l’inizio di un nuovo ciclo, è necessario l’intervento di una nuova molecola di ATP.
In un omogenato di tessuto muscolare le concentrazioni di actina, miosina, ATP e calcio sono abbastanza sufficienti da consentire un’efficiente interazione actina/miosina. Le cellule muscolari, però, non sono sempre contratte, ma alternano dei periodi di rilassamento a periodi di contrazione. Il segnale di contrazione arriva dall’esterno della cellula, la quale risponde attraverso un secondo messaggero intracellulare, il calcio. Lo ione calcio viene tenuto a basse concentrazioni all’interno del citoplasma, stipato in compartimenti citoplasmatici per poi essere rilasciato solo nei momenti di necessità. L’informazione portata dal secondo messaggero viene percepita dalla cellula attraverso un interruttore on/of capace di innescare gli eventi biochimici della contrazione. Sotto questo punto di vista, le cellule muscolari e le cellule non muscolari hanno un meccanismo differente di percepire l’aumento del calcio atto ad innescare la contrazione.
Contrazione nella cellula muscolare Contrazione nella cellula non muscolare In una cellula striata scheletrica a riposo, il calcio viene stipato all’interno del REL. Il suo rilascio dipende dall’arrivo di un impulso nervoso a livello della placca motrice. L’interruttore sensibile è costituito da due proteine associate ai filamenti di actina: la tropomiosina e la troponina. La tropomiosina è una proteina dalla forma allungata, i cui filamenti si autoassemblano in maniera testa coda a formare un lungo filamento che si inserisce all’interno del solco creato dall’avvolgimento ad elica dei due filamenti di actina. Ad ogni molecola di tropomiosina si associa una molecola di troponina. La troponina è una proteina, la cui struttura è caratterizzata dalla presenza di tre domini globulari: A che prende contatto con il filamento di actina C la subunità calcio sensibile T che prende contatto con la tropomiosina
Actina, miosina e tropomiosina sono state rinvenute anche in cellule di natura non muscolare, dove, invece, non è stata trovata alcuna traccia della troponina. Analizzando le calcium-binding protein presenti nelle cellule eucariote, ne è stata ritrovata una dalla caratteristiche simili alla subunità C della troponina, la calmodulina. Il complesso calcio-calmodulina è in grado di attivare una chinasi delle catene leggere della miosina, in grado di fosforilare sulle catene leggere della miosina stessa. Solo la miosina fosforilata può interagire efficacemente con il filamento di actina. Dunque, il controllo della contrazione nelle cellule non muscolari sarebbe incentrato sulla miosina, in assenza del complesso troponina/tropomiosina presente nelle cellule muscolari. L’inattivazione della miosina avviene per semplice defosforilazione ad opera di una fosfatasi specifica.
Nella cellula muscolare a riposo, la troponina tiene la tropomiosina in una posizione tale da sovrapporlo ai siti di attacco per le teste di miosina sul filamento di actina. Con l’arrivo del segnale nervoso, il calcio diffonde in maniera passiva dal REL al citoplasma, raggiungendo la concentrazione necessaria per il loro attacco alla subunità C della troponina. Contemporaneamente, viene attivata la capacità ATPasica delle teste della miosina. Con l’arrivo del calcio, la troponina cambia conformazione, spingendo il filamento di tropomiosina nel solco creato dall’actina, in modo da scoprire il sito di attacco dell’actina per le teste della miosina, con conseguente formazione dei ponti trasversi.
MICROTUBULI
Sono gli elementi citoscheletrici più grandi, hanno un diametro esterno di 25μm e un diametro interno di 15μm. Sono costituiti da tubulina, una proteina globulare che tende a polimerizzare in strutture sovra molecolari dette protofilamenti. I protofilamenti, a loro volta, si presentano come i costituenti della parete di strutture cilindriche cave, i microtubuli. L’unità costitutiva dei protofilamenti è un eterodimero.
La tubulina è presente in tre famiglie molecolari, di cui solo due vanno a formare la parete dei microtubuli, mentre la γ-tubulina sembrerebbe favorire la formazione dei microtubuli a livello dei centri di organizzazioni microtubulare. Le α-tubuline sono rappresentate da sei isoforme, caratterizzate da un punto isoelettrico pari a 5.3 e una struttura primaria che conta 451aa; le β-tubuline invece, si presentano in 12 isoforme, hanno un punto isoelettrico più basso (5.1) e una struttura primaria che conta 445aa. Alle varie isoforme non corrispondondo altrettanti geni, ma derivano tutte da una stesso gene e da modifiche post- traduzionali.
Una molecola α si lega sempre ad una molecola β, costituendo l’entità di base per la formazione del protofilamento. La loro affinità è talmente elevata che nel citoplasma non si trovano mai in forma isolata, ma sempre sotto forma di eterodimero.
Taxolo è in grado di favorire la polimerizzazione dei microtubuli, abbassandone la concentrazione critica. I microtubuli assemblati per azione del taxolo, non sono più sensibili alla depolimerizzazione indotta dallo ione calcio.
I microtubuli presentano un’ampia varietà di proteine ancillari, dette MAP (proteine associate al microtubulo). Ne esistono di vario tipo, che si possono suddividere in:
MAP ad alto peso molecolare, a cui appartengono le MAP1 e le MAP2, comprendenti ciascuna tre isoforme; MAP a basso peso molecolare, che sono generalmente indicate come proteine tau MAP denominate come proteine di STOP. Una di queste, estratta dal cervello di ratto, sembra proteggere il microtubulo dalla depolimerizzazione da freddo e dalla colchicina
Le MAP sono in grado di interagire con i microtubuli, influenzandone la polimerizzazione, minimizzando la loro instabilità dinamica, abbassando la velocità di rilascio delle subunità dalle estremità del polimero e lasciando invariata la velocità con cui gli stessi si associano ai terminali.
Anche per la tubulina, al termine della polimerizzazione, si raggiunge uno steady state, in cui una piccola quantità di dimeri sono in equilibrio con il polimero formato. Le concentrazioni dei dimeri e del polimero restano invariate, pur mostrando una certa dinamicità. In vitro, una volta raggiunto lo steady state, i microtubuli assemblati vanno in contro ad un particolare fenomeno che è stato definito come instabilità dinamica. L’instabilità dinamica non altera le concentrazioni delle specie molecolari presenti; il polimero, pur rimanendo costante in termini di concentrazione, varia di lunghezza (alcuni microtubuli si accorciano fino a scomparire, mentre altri si allungano).
Il ruolo funzionale di un microtubulo è stabilito dalla costellazione di MAP presenti sulla sua superficie. Come viene raggiunta questa specializzazione durante la formazione del microtubulo? La risposta risiede in una serie di eventi legati tra loro che, in sequenza ordinata, porta alla formazione del microtubulo funzionalmente determinato. Nella maggior parte delle cellule eucariotiche, i microtubuli originano in speciali siti di inizio, confinate in poche zone del citoplasma. A questi siti sono stati attribuiti diversi nomi, ma vengono generalmente definiti come MTOC (centri di organizzazione microtubulare).
Gli MTOC appaiono al microscopio come aggregati di materiale elettrondenso, in cui non è presente alcuna struttura microtubulare preesistente. Gli MTOC sono in grado di controllare sia un controllo spaziale (numero, localizzazione, orientamento) sia un controllo del differenziamento microtubulare (composizione molecolare della parete del microtubulo). In ogni complesso microtubulare, il numero dei microtubuli presenti dipende dal numero degli elementi di nucleazione presenti nel relativo MTOC. Una ipotesi prevede la presenza di numerosi elementi di nucleazione all’interno del singolo MTOC. Ciascun elemento ordina la costruzione di un particolare microtubulo, definito da peculiari caratteristiche strutturali. Se un singolo elemento di nucleazione può determinare il numero e la composizione dei protofilamenti e la quantità di MAP caratterizzanti la funzione microtubulare. Ciò che lascia perplessi e la completa assenza di germi microtubulari in grado di innescare la crescita microtubulare. Recentemente è stata individuata la presenza di una terza categoria di tubuline, dette γ-tubuline, implicate nella porzione dell’assemblaggio delle altre isoforme a livello dei MTOC.
MOTILITÀ MICROTUBULO MEDIATA
Il processo evolutivo ha messo a punto una serie di sistemi motori efficaci: il flagello batterico, una motilità legata ai microfilamenti e una motilità legata ai microtubuli. Il quadro si restringe ancora di più se si considera il fatto che la motilità legata ai microfilamenti e quella legata ai microtubuli, sono legati da meccanismi di azioni simili: entrambi sono attribuiti all’interazione, ATP dipendente, di una struttura
polimerica con una proteina motore, capace di muoversi sulla superficie della struttura polimerica o capace di muovere la stessa. Le analogie tra i due sistemi sono evidenziate anche dal fatto che le proteine motore condividono una struttura simile:
Sono molecole proteiche ad alto peso molecolare, formate dall’unione di polipeptidi differenti Presentano, ad una delle due estremità, delle formazioni globulari dette teste. Queste, in presenza di ioni calcio, acquisiscono la capacità di idrolizzare ATP e sfruttare l’energia derivata dall’idrolisi per il cambiamento conformazionale che è alla base dell’evento motorio
Nella motilità microfilamento-mediata, la proteina motore è una sola ed è rappresentata dalla miosina e non esistono altre proteine motore. Quando, come nel caso dei microtubuli, si possono osservare due moti diversi sulla stessa direzione ma in versi opposti, è chiaro che in questo sistema sono presenti più di una proteina motore.
La motilità microtubulare raggiunge la sua massima espressione nell’ambito della macchina microtubulare che è alla basa del movimento di ciglia e flagelli. Le ciglia e i flagelli, per molti animali che vivono in acqua, rappresentano uno strumento di locomozione, specie in quei protozoi che vengono definiti flagellati e ciliati; diverso è il significato di queste strutture nei metazoi: presenti sulla porzione apicale di alcune cellule, le ciglia sono in grado di rimuovere, grazie al loro movimento, particelle e liquidi a contatto con la cellula; nell’epitelio tubarico, le ciglia hanno il ruolo di spingere le uova fecondate fino all’utero, mentre quello delle vie respiratorie ha la funzione di detergere in maniera continua e vie respiratorie.
CIGLIA VIBRATILI
Le ciglia sono strutture allineate in maniera parallela tra di loro. Esse presentano una porzione libera, in grado di muoversi e una porzione infissa.
Porzione libera Porzione infissa Viene anche definita tratto espanso ed è rivestito da una membrana plasmatica dallo spessore di 9μm che si presenta come la continuazione del tratto apicale della membrana cellulare. In sezione trasversale si può osservare che, all’interno del tratto espanso, sono presenti nove coppie di microtubuli che circondano una coppia centrale: tale struttura, che viene indicata come 9+2, viene definita assonema.
I due microtubuli centrali mostrano un profilo nettamente circolare e sono separati da un piccolo spazio; per tutta la lunghezza dell’assonema essi decorrono isolati e distinti. Sono circondati da una
La porzione infissa comprende la piastra basale, il corpuscolo basale e il sistema delle radichette cigliari. Piastra basale = è posta tra l’assonema e il corpuscolo basale. La coppia di microtubuli centrali si interrompe, mentre continuano le coppie di microtubuli periferici con le triplette di microtubuli del corpuscolo basale. Corpuscolo basale = presenta l’aspetto di un cilindro di lunghezza di 500nm. La cui parete è costituita da nove triplette di microtubuli, due dei quali provenienti direttamente dall’assonema. Le triplette dei microtubuli hanno un’organizzazione uguale a quella del centriolo. Il tubulo addizionale è definito tubulo C, situato a contatto con il tubulo B della stessa tripletta e legato mediante una fibra al tubulo A di una tripletta vicina. Radichette cigliari = sono sottili fibre che emergono dal corpuscolo basale, convergenti in una formazione conica che termina in prossimità del nucleo, lungo le quali si alternano dei tratti chiari a tratti scuri. Tali zone sono disposte in sincronia, tale da dare alle radichette cigliari un aspetto striato.
motore, in questo contesto, è la dineina, la quale, nella condizione di riposo, assume una posizione di 90˚ rispetto al tubulo B. la dineina sfrutta l’energia libera dell’idrolisi dell’ATP per cambiare conformazione, portandosi ad una posizione di 45˚, agganciandosi al tubulo B. il rilascio dei prodotti dell’idrolisi fa in modo che la dineina ritorni nella sua posizione iniziale. L’arrivo di una nuova molecola di ATP favorisce il distacco della dineina dal tubulo B e l’inizio di un nuovo ciclo. È utile ricordare che l’attività ATPasica della dineina è esaltata dal magnesio.
Per comprendere come lo scivolamento si traduce in un movimento cigliare, è utile ricordare che nella struttura dell’assonema vi sono numerose proteine (piastra basale, nexina, raggi proteici) che hanno sia la funzione di stabilizzare la struttura dell’assonema stesso, ma anche di spezzare la direttrice del moto, modificandola di continuo. Essendo le strutture dell’assonema ancorate alla piastra basale, non potendo scivolare reciprocamente tra di loro tendono sotto la spinta dei bracci di dineina, a inclinarsi, portando al ripiegamento del ciglio. Al tempo stesso, il parallelismo delle strutture microtubulari viene mantenuto anche durante la fase di ripiegamento grazie alla presenza della nexina e dei raggi proteici.
Il movimento flagellare
I flagelli sono simili alle ciglia, dalle quali si distinguono dal fatto che sono più lunghi e meno numerosi. A differenza del ciglio che vibra in un solo piano, il flagello può effettuare movimenti ondulatori, oscillatori ed elicoidali. La struttura dei flagelli è simile a quella delle ciglia, costituiti da un assonema della disposizione di 9+2; fanno eccezione alcuni spermatozoi descritti in alcuni tipi di insetti, la cui struttura dell’assonema del flagello può presentarsi sotto varie strutture come 9+0, 9+1, 9+7 etc…
I flagelli si trovano in alcuni protozoi e batteri. In questi ultimi presentano una struttura caratteristica diversa da quella 9+2. Infatti, nei batteri, ciascun flagello è costituito da due a cinque filamenti singoli, ognuno dei quali costituito da una particolare proteina, la flagellina, i cui monomeri globulari si dispongono a formare un lungo filamento. Il flagello non è avvolto da membrana e il suo spessore dipende dal numero di filamenti che lo compongono.
Nei mammiferi i flagelli costituiscono la coda degli spermatozoi. Nella specie umana risulta essere molto lunga e con un assonema che, al microscopio elettronico, appare identico a quello delle ciglia.
Origine = ciglia e flagelli hanno origine dai centrioli, di solito collocati nella periferia della cellula. Al momento della sintesi, il centriolo si porta a livello della membrana plasmatica e solo a questo punto, solo i tubuli A e B delle triplette dei centrioli iniziano ad allungarsi, andando a formare le nove coppie periferiche dell’assonema. La coppia centrale si forma ex novo, a partire da una zona di confine tra il corpuscolo basale e l’assonema; la membrana plasmatica asseconda la crescita microtubulare.
TRAFFICO VESCICOLARE
La regolazione del traffico vescicolare avviene su rotaie rappresentate dai microtubuli, disposti in modo da definire la direttrice del moto. I corpuscoli, rappresentati dalle vescicole, viaggiano verso le loro sedi di utilizzo utilizzando i microtubuli, grazie all’intervento delle proteine motore. Esiste la possibilità che alcuni movimenti sia direzionati dai microfilamenti; in linea generale, si attribuiscono i movimenti radiali ai microtubuli, mentre quelli di tipo circolare ai microfilamenti. Esempi di movimenti vescicolari si possono ritrovare a livello della connessione funzionale che c’è tra il RER e il Golgi oppure quello che avviene al livello dell’assone della cellula nervosa.
Trasporto assonico = i neurotrasmettitori sono sintetizzati a livello del corpo cellulare della cellula neuronale, mentre il loro utilizzo avviene in periferia, a livello della terminazione sinaptica. È possibile che
le vescicole diffondano passivamente, ma esse, di fatto, viaggiano sui microtubuli che si trovano all’interno dell’assone. I microtubuli sono orientati con la plus end verso la periferia della cellula nervosa.
Le vescicole di neurotrasmettitore raggiungono la loro sede grazie all’attività di una proteina motore, alloggiata in seno della membrana vescicolare, in grado di promuovere il movimento della vescicola in direzione della plus end del microtubulo. Queste proteina motore è la chinesina. Tutti i fenomeni in cui si ha la gemmazione di una vescicola prevedono la perdita di membrana dalla struttura gemmante e la fusione di questa con strutture, in cui si ha un aumento della membrana. Se così fosse, si avrebbe l’esaurimento della superficie della struttura gemmante. Si assiste, perciò, ad un movimento vescicolare in entrambi i sensi di moto. Ciò è possibile in quanto le vescicole presentano, sulla loro superficie, delle proteine motore differenti: quelle cariche sono caratterizzate dalla presenza di chinesina, mentre quelle scariche, che si muovono in maniera opposta a quelle cariche, sono caratterizzate dalla presenza di una forma citoplasmatica di dineina.
Movimento dei cromosomi durante la mitosi
Nelle cellule eucariotiche, i cromatidi fratelli, prodotti durante la replicazione del DN nella fase S del ciclo cellulare, vengono separati e raggruppati ai due poli opposti della cellula grazie all’attività del fuso mitotico, una struttura cellulare ad architettura microtubulare. La formazione del fuso è preceduto dalla duplicazione di un MTOC, costituito da centrioli da ciascuno dei quali hanno origine i microtubuli che si portano a livello dell’equatore della cellula. A questo livello alcuni microtubuli si sormontano, mentre altri vanno ad aderire ai cinetocori, strutture lamellari poste a livello dei centromeri dei cromosomi. L’interazione o meno con i cromosomi permette la suddivisione dei microtubuli del fuso in:
KMT o microtubuli cinetocorici IMT o microtubuli interpolari
All’inizio della mitosi i KMT risultano essere i più stabili. Solo con l’inizio dell’anafase gli IMT raggiungono un’apprezzabile stabilità. Con la fine dell’anafase tutti i microtubuli, sia i KMT che gli IMT, entrano in una fase di instabilità dinamica, tendendo al disassemblaggio. Solo alcuni IMT restano all’equatore per partecipare attivamente al processo di citodieresi. Il movimento a cui sono sottoposti i cromatidi fratelli durante l’anafase è scomponibile in due eventi:
- Anafase A, si assiste alla riduzione della distanza tra i cinetocori e i poli del fuso. Con l’anafase i KMT si accorciano, dovuto alla perdita di subunità a livello della plus end (in corrispondenza del cinetocore). Tuttavia, il movimento dei cromatidi on sembra essere dovuto all’accorciamento dei microtubuli, ma bensì a sistemi motore presenti a livello del cinetocore.
- Anafase B, si nota un aumento della distanza interpolare (le due zone in cui sono collocati i centrioli si allontanano). In questa fase gli IMT scivolano tra di loro, diminuendo il loro grado di sovrapposizione equatoriale (movimento probabilmente mediato da un sistema chinesino-simile)
Assemblaggio dei filamenti intermedi
Ciascuna proteina costituente i filamenti intermedi viene codificata da un gene diverso, ma analizzando i tradotti, si possono trovare delle caratteristiche che li accomuna tra loro. Tutte presentano una forma bastoncellare e un dominio centrale, caratterizzato da tre sottodomini ad elica intervallati da zone di sequenza amminoacidica lineare. Ai capi del dominio centrale si trovano i domini terminali.
Durante l’assemblaggio del polimero, due molecole proteiche si incontrano lateralmente mediante i loro domini centrali e formano un struttura che viene definita elica intrecciata. Le successive fasi dell’assemblaggio consistono nella formazione di un tetramero. Le unità tetrameriche si incontrano a formare protofilamenti e che questi ultimi diano vita alle protofibrille. Le protofibrille potrebbero incontrarsi per dare vita al filamento intermedio maturo.
Nel citoplasma, tutte le proteine che vanno a formare i filamenti intermedi maturi si trovano nella loro forma polimerizzata: ci si trova quindi di fronte ad un equilibrio nettamente spostato verso la forma polimerica. La loro stabilità e delle impalcature che derivano dalla loro interazione, non è paragonabile a quella dei microfilamenti o dei microtubuli. Tuttavia, in alcuni casi, come quello delle cellule in mitosi, è possibile assistere ad un cambiamento dell’assetto spaziale di questi. Nelle cellule in procinto di duplicarsi, sembra che i filamenti intermedi vanno a formare delle strutture sferoidali che si ripartiscono in maniera equa nelle due cellule figlie; al termine della citodieresi viene ricreato il gomitolo.
È stato dimostrato che tutti i polipeptidi che entrano a far parte della struttura dei filamenti intermedi, vengono fosforilati da parte di specifiche chinasi. La fosforilazione sembra essere quindi un meccanismo di regolazione dell’assemblaggio di queste forme filamentose. La distruzione degli stessi sembra essere affidata a fenomeni proteolitici, intesi come fenomeni di digestione e non di depolimerizzazione.
Proteine ancillari dei filamenti intermedi
Anche i filamenti intermedi, nello svolgimento della loro funzione, vengono aiutati da proteine ancillari, che vengono definite IFAP (proteine associate ai filamenti intermedi)
I filamenti intermedi, infine, presentano un alto grado di tessuto-specificità:
Epiteli = cheratine Connettivi = vimentina
Muscoli = desmina Neuroni = neurofilamenti Glia = proteina acida gliale
L’espressione delle diverse proteine dipende dal grado di differenziamento della cellula: la cellula uovo e i blastomeri contengono cheratine, ma dal momento della formazione del mesenchima, termina la sintesi delle cheratine e inizia quella di vimentina
