Citoscheletro: Microtubuli e Microfilamenti - Appunti di lezione con immagini e descrizione dettagliata PDF

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Appunti di lezione sul Citoscheletro e sulle sue componenti con immagini e con la descrizione di queste stesse: cosa comprendono, cosa formano, etc...

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Citoscheletro: Microtubuli e Microfilamenti Citologia Universita degli Studi Roma Tre 8 pag.

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IL CITOSCHELETRO Il citoscheletro ha tre componenti, che vengono suddivise in base alle loro dimensioni: FILAMENTI INTERMEDI (diametro 10nm), MICROTUBULI (diametro 25nm), MICROFILAMENTI (diametro 7nm). I primi sono un po' distribuiti all’interno della cellula, ma prevalentemente si trovano in corrispondenza delle membrane cellulari e delle giunzioni tra una cellula e l’altra. I microtubuli hanno una disposizione un po' a raggera, cioè formati da un punto centrale, centro della cellula, e si diramano in tutte le direzioni verso la periferia della cellula. I microfilamenti generalmente costituiscono una specie di cortex, una corteccia interna alla cellula, a ridosso della membrana. Ognuna di queste classi di molecole del citoscheletro ha delle funzioni specifiche che sono in parte legate alla struttura.

FILAMENTI INTERMEDI Sono delle vere e proprie fibre. La loro presenza implica una funzione meccanica  resistenza meccanica, stress: se prendiamo per esempio una cellula o un tessuto e lo sottoponiamo a stress meccanico, quindi lo tiriamo, se non si rompe, in parte ciò è dovuto alla presenza di questi filamenti intermedi. Per poter svolgere questa funzione, hanno una struttura che rende questi elementi resistenti alla trazione. Si parte da un monomero che ha una regione centrale a α-elica e due regioni terminali, Nterminale e C-terminale, che hanno una struttura più globulare, meno organizzata da un punto di vista di struttura secondaria. Questa è la struttura del monomero, ma all’interno della cellula non la troviamo mai, perché il monomero in questa conformazione non è stabile. Quello che troviamo in realtà come struttura minima stabile è il DIMERO  prendo i due monomeri e li avvolgo; questa è la struttura base da cui si parte per costruire il filamento intermedio. Al dimero se ne affianca un altro in antiparallelo (N-terminale con Cterminale) e con una parziale sovrapposizione, che dà delle interazioni che rafforzano il legame che c’è tra i dimeri. Essi costituiscono il TETRAMERO del filamento. Un secondo tetramero andrà ad affiancarlo, mantenendo però le caratteristiche di stabilità, perché si vengono a formare delle interazioni tra i due tetrameri. E così via fino ad arrivare a otto tetrameri affiancati fino a formare una corda  FILAMENTO di estrema resistenza

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Una struttura così compatta però diventa allo stesso tempo una struttura poco dinamica. Non si disaggrega facilmente. Tra tutti i filamenti del citoscheletro, i filamenti intermedi sono quelli più stabili. -

I filamenti intermedi sono una classe di proteine e differiscono tra loro in base al tipo cellulare, cioè ogni tipo cellulare ha dei filamenti intermedi caratteristici

ES. CELLULE EPITELIALI che costituiscono i rivestimenti dell’organismo, la proteina che ci va nei filamenti intermedi è la cheratina; nelle CELLULE MUSCOLARI, invece, le proteine dei filamenti intermedi sono, per esempio, la vimentina; nelle CELLULE NERVOSE i neurofilamenti. Sono tutti localizzati a livello del citoplasma, ma c’è un caso in cui i filamenti intermedi, LAMINA NUCLEARE fatta di proteine che sono le LAMINE, si trovano all’interno del nucleo e si trovano a ridosso dell’involucro nucleare. Questa struttura dà una certa stabilità all’involucro nucleare, così come a livello citoplasmatico. -

Queste proteine sono anche il punto di ancoraggio di tutto il DNA, della cromatina Tutte le cellule animali presentano i filamenti intermedi all’interno del nucleo

MICROTUBULI Sono quelli che caratterizzano in qualche modo la struttura fondamentale della divisione, che è quella del fuso mitotico. Esso è una struttura dinamica che facilita l’impalcatura all’interno della cellula di divisione per far sì che i cromosomi dalla piastra equatoriale, dove si posizionano, vengano poi trascinati ai due poli della cellula prima della scissione delle due cellule figlie. Questa struttura è fatta di microtubuli, che non erano tutti uguali tra di loro (aster, inter-polari e quelli specifici). I microtubuli cominciano a polimerizzare in un punto particolare della cellula. Questo formano dei tubi cavi, non sono dei filamenti pieni come i filamenti intermedi. La loro parte interna è vuota. Le componenti del singolo microtubulo sono fatte di tanti dimeri di TUBULINA, proteina che costituisce i microtubuli. Essa è composta da due sub unità: tubulina-α e tubulina-β che si associano a formare la spirale cava che è il microtubulo. -

Ciglia e flagelli, sono fatti da microtubuli (epitelio e spermatozoi) È una struttura stabile, ma dinamica. Per tutta la parte periferica del microtubulo ci sono 13 protofilamenti La tubulina è formata da due sub unità simili, che hanno un sito di legame per una molecola di GTP, però il dimero ha questo GTP che grosso modo è bloccato all’interno e quindi diciamo stabile che non viene in genere idrolizzato. -

β-tubulina (sopra)  estremità + α-tubulina (sotto)  estremità –

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+ e – fanno riferimento alla velocità con cui si assembla un microtubulo, cioè aggiungere un dimero all’estremità + è molto più rapido che non aggiungere un dimero all’estremità -. -

Se metto il microtubulo in un pool di dimeri di tubulina e vado a vedere come si allunga, noterò come l’estremità + si allunga molto più velocemente che l’estremità –  Quando la concentrazione di tubulina è alta, che supera la concentrazione critica, entrambe le estremità si allungano, con velocità diverse certo, ma entrambe  Se la concentrazione della tubulina è bassa, al di sotto della concentrazione critica, allora si accorciano tutte e due le estremità QUANDO SI ALLUNGA L’ESTREMITA’ POSITIVA E CONTEMPORANEAMENTE SI ACCORCIA QUELLA NEGATIVA? Alla concentrazione critica. La polimerizzazione dei microtubuli ha inizio nel centro di organizzazione dei microtubuli (MTOC), meglio conosciuto come CENTROSOMA. Esso è il centro dell’organizzazione dei microtubuli. Il centrosoma, prima della divisione cellulare, si separa in due, uno va in un polo e uno va nell’altro, i poli del fuso. I due centrosomi sono quelli che iniziano a formare il fuso mitotico. Il centrosoma è fatto prevalentemente da una matrice amorfa, all’interno della quale ci sono due frammenti di microtubuli che sono chiamati CENTRIOLI, disposti perpendicolarmente tra di loro. I microtubuli dipartono dalla superficie della matrice e non dai centrioli. Tubulina γ  anelli che permettono l’aggiunta di tubulina all’interno del centrosoma (?); centri di aggregazione, ma sono fatti di sub unità diverse rispetto a quelle dei dimeri. Da questi anelli cominciano ad aggiungersi i dimeri di tubulina α e β che fanno allungare il microtubulo. -

I dimeri di tubulina, per far accrescere il microtubulo, si aggiungono all’estremità +; quando, invece, il microtubulo si accorcia, i dimeri vengono eliminati, ma sempre dall’estremità + 1. Trainano i cromosomi verso il polo 2. Maggiore probabilità di ancorarsi ad un bersaglio  cinetocore del cromosoma; quando trova il bersaglio si stabilizza (diminuisce la capacità di allungarsi e di accorciarsi) 3. Funziona come binario, per il trasporto di materiale  molte delle vescicole che abbiamo visto nel trasporto vescicolare, viaggiano nella cellula perché veicolate attraverso questi binari, che comunque hanno tante destinazioni, non ne hanno una sola; ogni binario è ancorato ad un target, ad un bersaglio - Vescicole rilasciate dal Golgi, vescicole di secrezione e che si fondono per esocitosi a livello della membrana sinaptica, all’interno di esse ci sono dei neurotrasmettitori e quindi delle componenti anche proteiche che sono state inserite all’interno del reticolo endoplasmatico, perché avevano dei segnali di entrata per esso, hanno seguito la via di vescicolazione dal reticolo al Golgi e poi da esso vengono vescicolate, per poi essere trasportate

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lungo i binari  questo trasporto è permesso grazie alle PROTEINE MOTRICI (legato al tessuto nervoso – chinesine e dineine). COME FA UNA VESCICOLA A CAMBIARE DIREZIONE? Può succedere che la vescicola si sia legata sia ad una chinesina che ad una dineina. Le vescicole possono legare, in modo casuale, sia dineine che chinesine.

Le ciglia servono per determinare il movimento, così come il flagello. Esso però fa parte di una cellula dotata di movimento, come lo spermatozoo, le ciglia, invece, che hanno la struttura simile a quella del flagello, in un tessuto epiteliale sono ferme e hanno la funzione di spostare le particelle che si incastrano dentro la mucosa. -

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Nella trachea  movimento verso l’esterno di particelle estranee, per particelle più grosse, invece, arriva il colpo di tosse Nelle tube urine  trasportare le cellule uovo dall’interno della tuba fino alle zone dove avviene la fecondazione

I microtubuli che compongono i flagelli e le ciglia sono connessi tra loro mediante proteine chiamate NEXINE, e poi ci sono delle proteine che li ancorano ai due microtubuli centrali. -

Questo è l’unico caso in cui i microtubuli rimangono stabili, ovvero non si accorciano e non si allungano.

Esiste una proteina motrice che permette alle ciglia di svolgere un movimento a “frusta” e ai flagelli di svolgere un movimento ondulatorio; sono ancorate ai microtubuli e sono delle dineine che camminano verso l’estremità -. -

I microtubuli scorrono l’uno sull’altro e quindi si piegano (?)

MICROFILAMENTI Sono responsabili della forma delle cellule, come per esempio una forma stellata o una forma cilindrica. -

Importanti per quanto riguarda la morfologia cellulare, togliendo i microfilamenti, in genere, le cellule non riescono a mantenere la forma originaria di quel tipo

Sono anche responsabili del movimento delle cellule, cioè una cellula è in grado di spostarsi su una superficie, ha un suo movimento che spesso si chiama MOVIMENTO AMEBOIDE, perché ricorda molto le amebe, parassiti unicellulari, che sono in grado di muoversi con un movimento lento, ma su una superficie su cui loro riescono ad ancorarsi. La stessa cosa fanno alcune cellule, si ancorano ad una superficie ed hanno un movimento che ricorda quello delle amebe.

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Al momento della divisione cellulare, i microfilamenti sono importanti per la formazione di quello che viene chiamato ANELLO CONTRATTILE, che è in grado di sottostare a processi di contrazione. La contrazione di questo anello fa una strozzatura a livello equatoriale della cellula e questa facilita la divisione delle due cellule figlie alla fine del processo mitotico. Quando si parla di contrazioni, si pensa subito alle cellule muscolari che sono in grado di contrarsi (scheletrica e cardiaca). In realtà le contrazioni possono avvenire anche in cellule che non sono muscolari. Il fatto stesso che una cellula possa muoversi, questo movimento è legato al fatto che quella cellula è in grado di contrarsi. Uno dei processi del movimento è legato anche al fatto di potersi contrarre. Quindi in gran parte delle cellule, non solo in quelle muscolari, i microfilamenti sono responsabili, non solo della forma della cellula, ma anche di varie forme di contrazione. Nei microfilamenti la componente proteica unitaria è l’ ACTINA, il monomero di questa proteina è di forma globulare, non è una lineare Actina G, non è una struttura simmetrica. Si sovrappongono tutte con la stessa direzione. Actina F  filamenti di Actina che si avvolgono ad elica; doppio filamento di Actina avvolto ad elica (Actina filamenttosa). Il monomero di Actina, così come la Tubulina, hanno legato nucleoside trifosfato, nel caso della Tubulina c’era il GTP, nel caso dell’Actina, invece, c’è l’ATP. Una differenza è che l’unità minimale della Tubulina è il dimero, quindi c’è la Tubulina-α e la Tubulina-β e il GTP di una delle due Tubuline è incastrato nel dimero, mentre l’altro è esposto. Nel caso dell’Actina, invece, non esiste il dimero come unità minimale, perché essa nel caso dell’Actina è l’Actina G, il monomero, quindi tutti gli ATP sono esposti, possono essere tutti quanti idrolizzati.

POLIMERIZZAZIONE: processo che avviene prevalentemente in vitro, in provetta solitamente. Parte dall’aggiunta di Actina G ai monomeri, c’è un monomero con un altro monomero forma un dimero, con l’aggiunta di un altro monomero forma un trimero, l’aggiunta di un altro monomero forma un tetramero e così via allungando il filamento di Actina. Questa è la prima fase del processo di polimerizzazione e viene chiamata NUCLEAZIONE, che ha dei tempi un po' lunghi. Dopo di questa fase, iniziano delle fasi di crescita del filamento che sono abbastanza lineari e abbastanza rapida nel tempo, fino a che raggiunge un livello stazionario, cioè che il filamento ha raggiunto una certa lunghezza ed essa non varia. Anche in questo caso siamo in una situazione dinamica: anche se il filamento ha raggiunto una certa lunghezza ed essa non tende a variare, non significa che il filamento abbia smesso di polimerizzare. Il filamento sta continuando a polimerizzare su un’estremità, cioè un’estremità si accresce e l’altra si accorcia  la lunghezza rimane la stessa, ma è una lunghezza dinamica   si crea una sorta di mulinello, TREADMILLING: all’estremità – perde l’Actina G e, contemporaneamente, per una che ne perde, una viene aggiunta all’estremità +.

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Aumentando la concentrazione di Actina, alzo la concentrazione critica e quindi il filamento continua ad allungarsi ad entrambe le estremità fino ad arrivare nuovamente ad una condizione stazionaria, ma con una lunghezza maggiore

Lo stato stazionario non è fisso, dipende dalla concentrazione dell’Actina libera (Actina G). La concentrazione di Actina è talmente elevata in una cellula che supera di gran lunga la concentrazione critica. L’Actina in una cellula è la proteina presente in maggiore quantità, dovrei quindi aspettarmi dei filamenti molto lunghi, però non è così perché essi subiscono le giuste regolazioni. -

Ci sono degli enzimi che fanno dei tagli, ma questi svolgono delle riduzioni drastiche, cioè il taglio può dimezzare il filamento, non ho una regolazione della lunghezza

Un sistema potrebbe essere quello di regolare la quantità di Actina G. Solo alla concentrazione critica di Actina G si arriva allo stato stazionario. L’affinità del legame dell’Actina G rispetto alle due estremità dipende dall’ATP, che si idrolizza e diventa ADP. -

L’Actina G in presenza di ATP ha un’alta affinità per l’estremità +

L’affinità di legame con l’ADP diminuisce e il monomero si stacca. A questo punto c’è un sistema che sostituisce l’ADP con il nuovo ATP  TREADMILLING, avviene solo a concentrazione critica di Actina G libera, cioè disponibile, non totale

Abbiamo visto che l’Actina può legarsi con altre proteine, come per esempio le proteine cappuccio, e la proteina libera con proteine che la sequestrano. Per funzionare, il filamento di Actina ha bisogno di altre componenti, da sola non può funzionare. Le proteine che legano l’Actina le troviamo sia che la legano sotto forma di filamento, sia sotto forma di monomeri: -

TIMOSINA, proteina che sequestra l’Actina G; ci sono dei meccanismi che fanno dissociare la Timosina dall’Actina, aumentando la concentrazione del monomero libero

Se voglio, quindi, aumentare o diminuire la concentrazione di Actina disponibile, libera, invece di agire sulla quantità totale di Actina, agisco sulla capacità totale della Timosina di sequestrarla, cioè aumento o diminuisco la Timosina. -

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PROTEINE CAPPING, possono legarsi ad entrambe le estremità, sia all’estremità + che all’estremità -, bloccandole, cioè facendole perdere la possibilità di polimerizzare e depolimerizzare (aggiungere o togliere monomeri); proteina CapZ GELSOLINA, proteina che è in grado di rompere e tagliare i filamenti di Actina, facendone filamenti più piccoli SPETTRINA, proteina che lega l’Actina da una parte e dall’altra alla membrana, fanno da ponte FILAMINA, può collegare due filamenti tra di loro, in modo casuale, a formare una vera e propria rete

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MICROVILLI intestinali: composti da filamenti paralleli; sono importanti, perché noi nell’intestino assorbiamo molti materiali e questi microvilli servono per aumentare la superficie di assorbimento. La loro struttura è garantita dalla presenza dei microfilamenti, fasci di microfilamenti associati in modo parallelo grazie a delle proteine (Fimbrina).

MIOSINA  proteina motrice dei microfilamenti, in grado di spostarsi lungo il microfilamento; non si stacca mai dal microfilamento (cammina). -

VANTAGGIO, va piano, non si stacca mai dal microfilamento SVANTAGGIO, si può perdere l’ancoraggio col microfilamento La Miosina è costituita da una regione globulare e con un dominio grosso modo ad elica (Miosina I, che è un monomero della Miosina).

La Miosina II è un dimero, stabile, la regione che viene chiamata TESTA è globulare, mentre la CODA si avvolge ad elica.

MIOSINA I è monomerica può essere utilizzata a pari delle chinesine e dineine per il trasporto di vescicole e di altro materiale. Quindi anche i microfilamenti possono funzionare per il trasporto di materiale. Essendo dei monomeri se ne necessitano più di una; è una proteina che si attacca e si stacca e quando sono più di una, fa dei salti. Corrono molto velocemente, ma non hanno la stessa stabilità che hanno le chinesine e le dineine nei microtubuli. L’altra possibilità è che non trasportino materiale, ma che facciano solamente scorrere il filamento stando semplicemente ancorare alla membrana. La testa della Miosina tende a scorrere verso l’estremità -, ciò serve a spingere in su il microfilamento, quindi a tenerlo dritto, altrimenti sarebbe un microvillo moscio. Sperimentalmente è stata presa la Miosina I, è stata ancorata su un vetrino dalla parte della coda, lasciando la testa libera. Dopodichè sono stati messi sopra dei filamenti di Actina marcati con una sostanza fluorescente, quindi io posso seguire se questi filamenti si muovono o no.

MIOSINA II è diversa strutturalmente dalla I, ha due teste globulari e una coda che si avvolge a doppia elica. Le due teste, contrapposte, sono dotate di movimento. Se lego due dimeri di Miosina testa – coda, quindi direzionate in modo opposto, se le metto tra due filamenti, essi scorreranno in direzioni opposte. Questo tipo di struttura la possiamo trovare nell’anello contrattile: questi microfilamenti tendono a scorrere tra di loro e quindi si contraggono e l’anello si accorcia e questo è il modo per strozzare la cellula in divisione. -

Essa è anche responsabile della contrazione muscolare

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MIGRAZIONE CELLULARE: garantito dalla presenza dei microfilamenti; quando una cellula si sta muovendo in realtà si muove perché segue uno stimolo, viene attratta da uno stimolo chimico, da una sostanza chimica che la attrae, CHEMOATTRAENTE, quando la molecola entra in contatto con dei recettori presenti sulla membrana, fa avanzare la cellula. -

Ovunque ci sia l’attrazione, la cellula la segue

Ci sono delle strutture che si chiamano FILOPODI, che sono come delle pretuberanze della membrana che vanno ad esplorare l’am...