Appunti - matrice extracellulare e adesione cellulare - a.a. 2015/2016 PDF

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Riassunti fatti tramite slide, appunti e libri comprendenti gli argomenti d'esame....

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MATRICE EXTRACELLULARE E ADESIONE CELLULARE Uno degli eventi più importante per la Terra fu la comparsa di organismi pluricellulari. Per formare questi le cellule devono essere capaci di aderire l’una sull’altra; nelle cellule animali questa adesione può avvenire in tre modi. Il primo è l’adesione diretta mediante giunzioni cellula-cellula , il secondo è un interazioni tra cellule mediata da proteine, il terzo è indiretto e lo si deve all’unione delle cellule con la matrice extracellulare. Le giunzioni tra cellule sono complessi specializzati di proteine che permettono alle cellule vicine di aderire tra loro e comunicare. Le proteine delle giunzioni comunicanti permettono la comunicazione diretta tra cellule adiacenti poiche formano canali attraverso i quali può avvenire il passagio di molecole citoplasmatiche. Le proteine che formano le giunzioni strette svolgono la funzione di barriera protettiva mentre quelle delle giunzioni aderenti e dei desmosomi conferiscono solidità meccanica. Ci sono poi altre proteine che mediano un’adesione diversa e sono le integrine, le selectine, le caderine, e molecole correlate alle immunoglobuline. Lo spazio tra le cellule è riempito di un denso insieme di proteine e carboidrati chiamato matrice extracellulare che in alcuni tessuti forma un foglietto complesso chiamato lamina basale. Le proteine che compongono la matrice extracellulare sono di due tipi; le glicoproteine strutturali (collagene, elastina) e i proteoglicani che conferiscono resistenza e flessibilità. Le giunzioni tra cellule e matrice sono formate da recettori per le proteine. Queste controllano anche la disposizione tridimensionale delle cellule nei tessuti, oltre alla loro crescita, alla forma e al mantenimento. COLLAGENE La funzione principale del collagene è quella di offrire sostegno strutturale ai tessuti. I collageni comprendono una famiglia di oltre 20 tipi di proteine della matrice extracellulare e , nell’insieme, sono le proteine più abbondanti del regno animale. Tutti i collageni contengono: tre subunità polipeptidiche elicoidali avvolte una intorno all’altra e tenute insieme da legami covalenti e non. Le eliche superavvolte formano tre tipi di collagene; collagene fibrillare( le eliche sono organizzate in fibrille che unendosi in fasci conferiscono grande resistenza), collagene a foglietto (le eliche si organizzano in reticolati che sopportano lo stiramento) collagene associato alle fibrille (forma superavvolgimenti che uniscono il fibrillare).Il collagene forma la principale intelaiatura della matrice extracellulare. Le subunità di collagene sono sintetizzate sotto forma di polipeptidi detti procollageni che contengono code ricche di amminoacidi. I propeptidi impediscono che le eliche superavvolte interagiscano tra loro e inibiscono quindi la polimerizzazione del collagene all’interno della cellula. Una volta che le triple eliche sono stata secrete i propeptidi vengono eliminati dall’enzima procollagene proteasi. La proteina che ne deriva, nota come tropocollagene è la componente fondamentale del collagene fibrillare. Alle mutazioni di geni del collagene può conseguire un’ampia gamma di malattie che vanno dalla comparsa di una leggera rugosità della pelle alla malattia delle ossa fragili o a dermopatie letali. LE FIBRONECTINE Le fibronectine sono espresse in quasi tutti i tessuti connetivi degli animali e sono sintetizzate da molti tipi di cellule come i fibroblasti e gli epatociti. Sono state identificate almeno 20 forme di fibronectina, tutte derivanti da splicing alternativo del trascritto in un unico gene della fibronectina. Le fibronectine si classificano in due gruppi: solubili che si trovano nei liquido tissutale e insolubili che formano fibre nella matrice extracellulare. Le fibronectine fissano le cellule alla matrice del tessuto regolandone la forma e l’organizzazione del citoscheletro, partecipando alla formazione dei coaguli di sangue e concorrendo alla riparazione delle ferite. Le cellule si legano alla fibronectina attraverso recettori integrinici che sono responsabili dell’attivazione delle vie della segnalazione intracellulare. La fibronectina matura è un dimero solubile le cui subunità sono tenute assieme da ponti disolfuro; la dimerizzazione della fibronectina è essenziale per la corretta formazione delle fibre. È indispensabile che i dimeri si leghino tramite i recettori alla superficie delle cellule per poter modificare la forma delle cellule, stirando le

molecole di fibronectina che assumono una forma più esposta alla quale si addossano altri dimeri andando a formare una fitta reta che si presenta come un insieme di fibre. Per adempiere alle loro diverse funzioni le fibronectine si legano a molte altre proteine della matrice. La fibronectina contiene una serie di brevi sequenze ripetute disposte secondo un odine funzionale; l’ordine esatto di tali sequenze è denominata dallo splicing alternativo. Le molecole di fibronectina contengono sei regioni strutturali, ciascuna delle quali comprende una serie di unità che si ripetono. La fibrina, il proteoglicano di eparan solfato e il collagene si legano a regioni distinte della fibronectina, trattenendone le fibre nella matrice extracellulare. Alcune cellule esprimono integrine che si legano alla sequenza Arg-Gly-Asp della fibronectina. LE FIBRE ELASTICHE L’elastina è la proteina della matrice extracellulare maggiormente responsabile dell’elasticità dei tessuti. Permette ai tessuti di stirarsi e di ritornare alle dimensioni originarie senza che sia spesa energia. È particolarmente abbondante nei vasi sanguigni dove mantiene la pressione costante, nei polmoni dove permette il perfetto riempimento e svuotamento di questi. L’elastina è sintetizzata dai fibroblasti che secernono anche il collagene che si oppone allo stiramento. L’elastina si organizza in fibre elastiche consistenti in un fusto centrale di elastina circondato da una guaina di microfibrille proteiche. Il componente principale della guaina è la glicoproteina associata alle microfibrille che si lega ai monomeri di elastina e ne coadiuva l’incorporazione nelle fibre di elastina. Il gene dell’elastina contiene 36 esoni che codificano due tipi di sequenze diverse; alcune idrofiliche ed altre idrofobiche che si inseriscono tra le prime generando una proteina con grandi dimensioni. La robustezza delle fibre deriva dai legami covalenti che collegano residui di lisina di catene di elastina adiacenti ; al contrario nelle regioni idrofobiche si impartisce alle fibre l’elasticità perché si avvolgano in spire. La produzione di elastina consiste in tre tappe:   

Poco dopo la sintesi i monomeri di elastina si legano a una proteina chaperon che ne impedisce l’aggregazione entro le cellule.. Nella secrezione, il complesso è trattenuto dalla chaperon fino a quando viene in contatto con la guaina della fibra elastica. La tropoelastina appena secreta viene allineata alla fibra elastica. Nel monomero di tropoelastina si formano residui di allilisina che si uniscono ad altri residui non modificati di altre molecole di elastina. Si ha la formazione dell’elastina matura. Le mutazioni nell’elastina danno origine a varie malattie da un lieve corrugamento della pelle alla morte nella prima infanzia.

LE LAMININE Sono una famiglia diversificata di grosse proteine che si trovano soprattutto nella lamina basale e sono presenti nei tessuti di tutti gli animali. Le laminine sono eterodimeri comprendenti tre diverse dubunità avvolte l’una attorno all’altra in una configurazione a elica superavvolta nei quali le subunità sono legate da legami disolfuro. Le funzioni principali delle laminine sono di offrire alle cellule un substrato adesivo e di resistere alle forze di trazione che si esercitano nei tessuti. Le laminine non formano fibre; legandosi a proteine di collegamento che permettono loro di formare trame complesse nella matrice extracellulare. Alle laminine si possono legare un gran numero di proteine, tra cui più di 20 tipi di recettori della superficie cellulare. LA VITRONECTINA La vitronectina è una glicoproteina della matrice extracellulare di piccole dimensioni che circola nel plasma sanguigno in forma solubile ed è secreta dal fegato. La vitronectina può legarsi a vari tipi di proteine, quali collagene, integrine, fattori di coagulazione, fattori di lisi cellulare e proteasi extracellulare. La vitronectina favorisce la formazione di coaguli di sangue nei tessuti lesionati. La vitronectina deve convertirsi nella sua forma insolubile per poter attirare i fattori della coagulazione in siti specifici.

I PROTEOGLICANI I proteoglicani garantiscono che la matrice extracellulare sia un gel idratato. Sono composti da un unico nucleo polipeptidico centrale al quale sono unite catene lineari di unità disaccaridiche chiamate glicosamminoglicani. Le catene di GAG dei proteoglicani hanno cariche negative; ciò conferisce loro la forma di bastoncini setolosi, dovuta alla repulsione tra le cariche elettriche. Grazie a questa struttura i proteoglicani fungono da impalcatura per i tessuti, funzionano come filtri soprattutto grazie alla presenza delle setole che ostacolano la diffusione dei virus e dei batteri nei tessuti, attirano molecole di acqua grazie alla presenza delle cariche negative che attirano catione che rendono l’ambiente idratato. Inoltre si legano a numerose proteine come a quelle dei fattori di crescita, proteine strutturali e recettori della superficie cellulare, e controllano così la crescita cellulare dei tessuti. L’ACIDO IALURONICO Lo ialuronico è un glicosamminoglicano che forma enormi complessi con proteoglicani della matrice extracellulare. Tali complessi sono particolarmente abbondanti nella cartilagine, dove lo ialuronico è associato all’aggrecano tramite una proteina di collegamento. Hanno il compito di aumentare la rigidità della matrice e di lubrificare le articolazioni. Inoltre lo ialuronico ha una notevole carica negativa e trattiene quindi cationi e acqua nello spazio extracellulare; ciò aumenta la rigidità della matrice e forma, tra una cellula e un’altra, un cuscinetto acquoso che assorbe le forza di compressione. A differenza di altri glicosamminoglicani, le catene di ialuronico sono sintetizzate sulla faccia citosolica e poi traslocata all’esterno della cellula. Oltre al ruolo dell’idratazione dei tessutil’HA si lega a specifici recettori della superficie cellulare, provocando una stimolazione delle vie di segnalazione che controllano la migrazione cellulare e l’assemblaggio del citoscheletro grazie al recettore CD44 della famiglia delle iladerine. PROTEOGLICANI DI EPARAN SOLFATO Sono un sottogruppo di proteoglicani contenenti chiamate del glicosamminoglicano di eparan solfato. La maggior parte dell’eparan solfato si trova in due famiglie di proteoglicani legati alla membrana, i sindecani e i glipicani. Le possibili subunità carboidratiche degli eparan solfati sono più di trenta ; ciò fa si che le strutture e le strutture di questi siano molto varie. I proteoglicani di eparan solfato della superficie cellulare sono espressi in molti tipi di cellule e si legano a oltre settanta proteine diverse. I proteoglicani di eparan solfato della superficie cellulare hanno la funzione di corecettori di proteine solubili,per esempio fattori di crescita , e di proteine insolubili , come le proteine della matrice extracellulare. Essi intervengono nella internalizzazione di alcune proteine ma anche nella trasduzione del segnale di fattori di crescita e nello sviluppo. LA LAMINA BASALE La lamina basale indica un sottile foglietto di matrice extracellulare che giace a stretto contatto con molti tipi di cellule. La lamina basale è un tipo particolare di matrice extracellulare poiché è contraddistinta da una particolare organizzazione a foglietto. La regione più prossima alla membrana plasmatica delle cellule epiteliali appare quasi vuota ed è denominata lamina lucida, quella più distante si chiama lamina densa. Esiste poi la lamina ramificata composta da fibre di collagene. La lamina basale serve da base degli strati di cellule epiteliali; le cellule si attaccano alle fibre di laminina e di collagene della lamina basale tramite gli emidesmosomi. In tal modo la lamina basale collega tra loro le reti di filamenti intermedi di più cellule, rinforzando il tessuto. La lamina basale funge come barriera permeabile, è anche un sito di raccolta di proteine solubili , per esempio i fattori di crescita, e fornisce anche il segnale per la migrazione dei neuroni. I componenti della lamina basale variano nei diversi tipi di tessuto, ma la maggior parte delle lamine basali contengono quattro componenti principali della matrice extracellulare: foglietti di collagene di tipo IV e le laminine sono tenute insieme da proteoglicani di eparan solfato e dal nidogeno, una proteina di collegamento.

Le proteine della matrice extracellulare sono degradate da specifiche proteasi che le cellule secernono in forma inattiva sono degradate da specifiche proteasi che le cellule secernono in forma inattiva. Queste proteasi si attivano soltanto nei tessuti che lo richiedono; di solito in seguito all’eliminazione per taglio proteolitico di un suo propeptide. Una delle classi di proteasi più abbondanti è la famiglia delle metalloproteasi della matrice (MMP) che possono degradare tutte le classi principali di proteine della matrice extracellulare. Possono attivarsi l’un l’altra per eliminazione dei propeptidi. Ne deriva un’attivazione a cascata delle proteasi che può portare rapidamente alla degradazione di proteine della matrice extracellulare. Un’altra classe di proteasi sono le ADAM, che sono 30 proteine diverse che contengono un propetide che ha la funzione di inibire il sito catalitico. Esse si legano a recettori della famiglia delle integrine, contribuendo in tal modo a regolare sia l’assemblaggio sia la degradazione della matrice. Sia le MMP che le ADAM possono essere inibite da una classe di proteine solubili note come inibitori tissutali delle metalloproteasi. LE INTEGRINE Praticamente tutte le cellule animali esprimono integrine , la classe più abbonadante di recettori di proteine della matrice extracellulare. Le integrine collegano quest’ultima a proteine della segnalazione cellulare e al citoscheletro e sono responsabili dell’associazione delle cellule nei tessuti. Le interine sono composte da due subunità, una catena di tipo alfa e una di tipo beta. La porzione extracellulare di entrambe si collega a proteine della matrice extracellulare mentre la porzione citoplasmatica si lega a proteine del citoscheletro e delle vie di segnalazione. Nei vertebrati ci sono molte subunità integriniche che si combinano formando almeno 24 recettori eterodimerici. La maggior parte delle cellule esprime più di un tipo di integrina e tipi espressi possono cambiare nel tempo o in risposta a diverse condizioni ambientali. I recettori integrinici si legano a specifiche sequenze di amminoacidi di innumerevoli proteine della matrice extracellulare; tutte le sequenze note contengono almeno un amminoacido acido. Le integrine sono recettori che controllano sia l’unione delle cellule a proteine della matrice extracellulare sia risposte intracellulari che conseguono all’adesione. Le intengrine non hanno in se attività enzimatica ma piuttosto interagiscono con proteine adattatrici che le collegano a proteine di segnalazione. La forza di questo legame è regolata da due processi; la modulazione dell’affinità(la variazione della forza di legame dei singoli recettori) e la modulazione dell’avidità ( la variazione della formazione di aggregati di recettori). In entrambi i tipi di modulazione fondamentali i cambiamenti della conformazione delle integrine che derivano da modificazioni nelle code citoplasmatiche delle loro subunità o dalla concentrazione di cationi extracellulari. Nella segnalazione esterno-interna, i segnali generati nel recettore si propagano ad altre parti della cellula. Un integrina si attiva nel momento in cui la porzione extracellulare del recettore sia estesa verso l’esterno; più il recettore è esteso e maggiore è l’affinità con il ligando. Questo cambiamento transmembrana nella forma è una parte importante della trasduzione del segnale. Un modello suggerisce che l’attivazione dell’integrina faccia allontanare le code citoplasmatiche e ciò permetterebbe il legame con LE GIUNZIONI STRETTE Le giunzioni sono necessarie per l’instaurazione e per il mantenimento della pluricellularità e si formano tra cellule epiteliali o endoteliali adiacenti. Vi sono diversi tipi di giunzioni; strette, aderenti e i desmosomi. Tutte hanno il compito di definire regioni separate e specializzate dell’organismo e regolano il trasporto di molecole tra tali regioni. Le giunzioni strette regolano il trasporto di particelle tre queste cellule e contribuiscono a proteggere la cellula da danni fisici e chimici. Le giunzioni strette hanno la forma di un reticolo di proteine; tra queste vi sono le occludine le claudine e la molecola di adesione delle giunzioni. Le claudine affiancate dalle occludine formano dei domini compattati e ripiegati che formano le fibrille dei pori responsabili della selettività di queste giunzioni. Queste proteine transmembrana si legano a nove proteine strutturali tra cui l’actina ma anche a proteine di segnalazione; ciò suggerisce l’importanza di queste giunzioni nella trasduzione del segnale. Altre proteine di queste giunzioni sono associate alla membrana e contengono dei domini che gli permettono di legarsi con molte

proteine bersaglio. Le giunzioni strette hanno il compito di regolare il trasporto paracellulare attraverso gli strati di cellule epiteliali e endoteliali; mentre gli ioni attraversano istantaneamente gli altri soluti richiedono più tempo. Questa barriera secondo un modello sembra composta da file di canali selettivi i quali formerebbero esili sponde; mentre gli ioni sono trasportati lungo il canale altri soluto hanno bisogno di un interruzione per attraversare; si spostano così a tappe ogni qual volta nel filamento vi è un’apertura. Il secondo ruolo delle giunzioni strette è di separare la membrana plasmatica delle cellule polarizzate in due domini. La superficie apicale è la porzione della membrana plasmatica orientata verso una cavità o uno spazio a un lato del foglietto apicale. La superficie basale è la regione opposta, mentre quella laterale si interpone tra queste. Le giunzioni strette servono anche a conservare la polarità delle cellule epiteliali, fungendo da sbarramenti che impediscono la diffusione di proteine della membrana plasmatica tra la regione apicale e quella basale. LE GIUNZIONI SETTATE Simili alle giunzioni strette queste giunzioni si trovano solo negli animali invertebrati ed hanno l’aspetto di una serie di pareti dritte o ripiegate situate tra le membrane plasmatiche di cellule adiacenti. Hanno principalmente la funzione di barriera selettiva ma controllano anche la crescita cellulare e la forma delle cellule durante lo sviluppo; tali funzioni si devono ad una serie di proteine presenti solo in queste giunzioni. LE GIUNZIONI ADERENTI Anch’esse tengono unite le cellule epiteliali e sono una famiglia di domini della superficie cellulare tra loro correlati, che collegano cellule confinanti. La giunzione aderente meglio conosciuta è la zonula adherens situata entro il complesso di giunzione che si forma tra le cellule vicine di alcuni tessuti epiteliali. Queste giunzioni hanno due proprietà; la prima è che contengono dei recettori proteici transmembrana noti come cadeine che si legano a molecole di caderine omologhe in un legame omofilo; inoltre alcune proteine adattatrici chiamate catenine collegano le caderine ai filamenti di actina. La seconda proprietà invece è la forza di adesione sufficiente a permettere ai tessuti di cambiare forma e a resistere agli sforzi di taglio. DESMOSOMI È un componente del complesso di giunzione delle cellule epiteliali ma compare anche in alcune cellule non epiteliali. È un ammasso di fibrille che decorrono in uno spazio compreso tra le membrane plasmatiche delle due cellule adiacenti; le fibrille possono arrestarsi in delle chiazze elettrodense che sono collegate al citosol. La funzione principale dei desmosomi è quella di resistenza alla trazione imposta dall’epitelio; per questo i filamenti intermedi presenti in queste strutture prendono il nome di tonofilamenti. Oltre...