Tema 16 biologia cel·lular PDF

Preview

Summary

Apunts de biologia cel·lular de primer any de biologia...

Description

Tema 16: microtúbuls Estructura, composició i funcions dels microtúbuls 2. Classificació dels microtúbuls 3. Polimerització de la tubulina 3.1. Polimerització de la tubulina in vitro 3.2. Polimerització de la tubulina in vivo: MTOCs i proteïnes associades als microtúbuls 3.3. Toxines inhibidores de la polimerització i despolimerització de la tubulina 4. Proteïnes motores de la tubulina i moviments cel·lulars 4.1. Transport intracel·lular de vesícules i posicionament d’orgànuls 4.2. Moviment de cilis i flagels 4.2.1. Característiques dels cilis i flagels d’eucariotes 4.2.2. Estructura dels cilis i flagels 4.2.3. Bases moleculars del moviment de cilis i flagels 4.2.4. Biogènesi dels cilis i flagels 1.

1. Estructura, composició, funcions dels microtúbuls S’organitza dins de la cèl·lula de forma radial. Tenen un pol – ancorat en la part central de la cèl·lula (al centrosoma ) i el pol + a l’alta extrem. Aquesta estructura no és permanent ja que quan la cèl·lula s’ha de dividir s ’ha de tornar a redistribuir. Quan es fa la meiosi i la mitosi es crea un fus mitòtic on intervenen els microtúbuls que provoca la segregació dels cromosomes. També podem trobar microtúbuls formant els centríols, que son a dins del centrosoma (estructura central que organitza els microtúbuls de la xarxa o el fus). Hi ha dos centríols formats per diferents microtúbuls . Si la cèl·lula te cilis o flagels també tindran microtúbuls en aquestes prolongacions, en forma de axonema (part interna dels cilis i flagels) i de corpuscle basal (estructura que organitza l’axonema). En les cèl·lules nervioses (ex. neurones) que presenten axons i dendrites trobarem microtúbuls dins d’aquestes estructures.

Els microtúbuls permeten formar prolongacions llargues ja que son mes resistents. Funcions principals: -

Proporcionen polaritat estructural (radial): es el que fa que la cel pugui saber dins del seu radi què es perifèric i què perinuclear per així poder posicionar orgànuls com el RE. Contribueixen a la forma de la cèl·lula (cèl·lules vegetals): la cel·lulosa sintetasa es mou a traves de microtúbuls. Posicionament i organització orgànuls Participen en transport intracel. de vesícules i orgànuls: anterograda (pol - → pol +), retrograda (pol+ → pol-) Participen en motilitat (cilis i flagels): prolongacions que tenen les cels per avançar/moure’s. Determinen formació i creixement d’axons i dendrites neuronals Participen en segregació cromosòmica (mitosi/meiosi) Regulen pla de divisió cel·lular (citocinesi): els microtúbuls defineixen on es dona la divisió però son els filaments d’actina els que fan el treball de fragmentació.

1

Tubulina Proteïna petita 4nm (igual que l’actina) però la diferencia es que forma dímers, no va lliure. Te dos subunitats : α i β (es un heterodímer). En els dos casos la tubulina uneix GTP, per tat podem dir que es una GTPasa. Nomes la tubulina β es capaç d’hidrolitzar el GTP, la α mai l’hidrolitzarà. El dímer de tubulina per polimeritzar-lo l’hem de fer de forma lineal, es crea un protofilament de dímers consecutius. En un extrem queda la tubulina beta (pol +) i en l’altre la tubulina alfa (pol -), per tant presenta polaritat. Si volem passar d’un protofilament a un microtúbul hem d’unir 13 protofilament de tubulina. Els 13 es disposaran en forma de cilindre amb un diàmetre de 25-28 nm amb una estructura buida per dins. El microtúbul tindrà també polaritat. Es mes fàcil trencar un microfilament d’actina que un microtúbul ja que hi ha mes unions entre protofilament hi s’han de trencar mes enllaços, es necessita mes energia.

2. Classificació dels microtúbuls Tenim dos grups de microtúbuls: estables i no estables. ▪

▪

Els microtúbuls làbils o citoplasmàtics son els no estables. Son els que formen la xarxa citoplasmàtica (centrosoma → MP). No son estables perquè tant el nombre, la longitud i la distribució son variables tota l’estona, és a dir, son dinàmics. Han de canviar contínuament. A més, pateixen una reestructuració durant la mitosi/meiosi per formar el fus. S’estan contínuament remodelant. Microtúbuls estables: presents en els centríols (al centrosoma), al corpuscle basal i axonema (als cilis i flagels), i als axons i dendrites (neurones). Aquestes estructures son permanents i no canvien per tenir estabilitat. Els centríols també son estables ja que no pateixen polimeritzacions ni modificacions ja que la seva funció es organitzar els microtúbuls citoplasmàtics i per tant es constant.

3. Polimerització de la tubulina 3.1. Polimerització de la tubulina in vitro Tenim un recipient ple de dímers de tubulina soluble amb GTP i Mg2+ (sals). La velocitat en la que polimeritza la tubulina depèn dels dímers de tubulina solubles lliures. La despolimerització, per altre banda, és constant i no depèn de la concentració. 1.

Fase de nucleació (lenta)

Es una fase lenta ja que depèn de que els dímers interaccionin entre ells i formin estructures estables (centres de nucleació), a partir de la unió de 3 dímers la estructura comença a ser estable. En resum, es formen oligòmers.

2

2.

Fase de creixement (ràpida)

La tubulina-GTP s’addiciona a l’oligòmer pels dos extrems . Sempre hi ha despolimerització ja que es constant, però si la concentració de tubulina lliure es massa alta, predominarà la polimerització a la despolimerització. A més, els protofilament s’associen lateralment formant els microtúbuls (lamina → tub). 3.

Fase d’equilibri dinàmic (fase de plateau)

A mesura que avança el procés la concentració de tubulina-GTP lliure baixa i per tant la velocitat de polarització disminueix també fins que s’arriba a un punt on la vel de polim i la vel de despoli son iguals, s’arriba a la Hem de tenir present que hi ha dos pols on no hi ha la mateixa afinitat per unir tubulina lliure, el pol + te mes afinitat que el pol – per tant el pol + creix mes ràpid. Com és més ràpid, la velocitat en que s’adhereix la tubulina és major a la velocitat d’hidròlisi del GTP, això provoca que al pol + també si forma un casquet de GTP. Si en el pol+ hi ha 2 vegades mes afinitat, la concentració critica en el pol+ < que en el pol -. Això provoca la inestabilitat dinàmica.

Per poder despolaritzar necessitem que la tubulina beta hidròlisi el GTP per tenir-la en forma de GDP, això provoca una mena de curvatura en el protofilament i es això el que provoca la despolimerització. Es imprescindible que tingui GDP per despolimeritzar però no sempre passa. En els microtúbuls hi ha un fenomen que es diu inestabilitat dinàmica, això ocorre quan s’assoleix el equilibri dinàmic. El pol + tindrà tendència a créixer però com hi ha molts protofilament no van en ordre, la polimerització es dona de forma irregular, els protofilament no creixen tots alhora i això provoca que es formi una estructura en forma desigual. Aquest creixement desigual pot provocar que s’afegeixin algunes tubulines unides a GDP en comptes de GTP i a poc a poc es desiguala el pol (el despolaritza) i els extrems endarrerits comencen a doblegarse, es fa mes inestable i això provoca que el microfilament retrocedí, que s’escorci. Aquest fenomen de retrocés de la polimerització s’anomena catàstrofe i quan s’ha produir una, a concentració de tubulina lliure creix molt en aquell lloc, cosa que provoca que s’afegeixi amb molta velocitat i tornarà a polimeritzar el túbul de forma desigual (rescat). La tubulina creix fins que un filament pateix una catàstrofe i el tub retrocedeix i ocorre un rescat.

3

3.2. Polimerització de la tubulina in vivo: MTOCs i proteïnes associades als microtúbuls En el cas de les cels vives la concentració de tubulina lliure es molt alta, es mes alta que la concentració que en teoria necessitaria la tubulina per polimeritzar. Per a que els microtúbuls no polimeritzin indefinidament, hi ha diferents mecanismes per regular el creixement. Aquesta regulació es dona per protes reguladores.

Prot. reguladores: • • • •

Polimerització (segrestadores...) Longitud MT (estabilitzadores, fragmentadores...) Unió a altres components cel. (membranes...) Formació feixos: els microtúbuls mai s’organitzen formant xarxes, nomes formant feixos.

MTOC (Centre Organitzador de Microtúbuls) → Ancora Pol • •

Centrosoma: nucleació i assemblatge MT citoplasmàtics (xarxa citoplasmàtica, fus mitòtic/meiòtic) Corpuscle basal: nucleació i assemblatge MT cilis i flagels Conformació astral

També hi ha un altre element que es diferencia en les cels in vivo, el pol – mai esta lliure, sempre esta ancorat a una estructura que s’anomena MTOC (centre organitzador de microtúbuls). En funció si estem parlant dels MT citoplasmàtics o dels MT que formen cilis i flagels tindrem diferents MTOC (centrosomes o corpuscles basals). En el cas de que els MT estiguin ancorats a un MTOC no hi haurà inestabilitat dinàmica, nomes passa en pol + in vivo. Centrosoma (1/cel. Interfàsica) El centrosoma sol esta en una posició cèntrica i totes les cels solen tenir un, pot estar a prop del nucli. El centrosoma es d’on surten tots els pol – dels MT que es projecten de forma radial i s’organitzen cap a la perifèria. Dins del centrosoma trobem dos grans estructures proteiques, a la part més interna hi ha dos centríols (microtúbuls) i per fora de la part interna hi ha una estructura amorfa (irregular) que es diu matriu pericentriolar. La matriu pericentriolar esta formada majoritàriament per dos protes: pericentrina i γ-tubulina. La γ-tubulina s’acostuma a agrupar γ-TuRC (γ-Tubulin Ring Complex) que son anells de 13 γ-tubulines. Aquests anells de 13 γ-tubulines són el primer anell del MT que surt del centrosoma, es on s’ancora el microtúbul. Es la base des d’on es projectem cap a la perifèria els MT (podrien ser semblants a les ARP de les actines).

Centríols: Estructures proteiques mes cèntriques. En algunes cèl·lules no hi ha centríols com en les cèl·lules animals, fongs, o en els oòcits de les cels animals i les cels epitelials. El centríols es necessiten per organitzar la matriu pericentriolar. També ajuden en la organització del centrosoma (a la mitosi i meiosi). La gestió de la duplicació del centrosoma recau en el centríol (els dos centríols tenen una duplicació semiconservativa, recorda a la duplicació del DNA) En aquest centríol hi trobarem molts MT ja que esta format per aquests i protes accessòries. Els MT estan associats de tres en tres, formen 9 triplets disposats en forma circular. Cada triplet te tres microtúbuls: A, B, C. El microtúbul A també

4

esta format per 13 MT, el MT B i C son MT incomplets que estan associats als MT adjacents, tenen per tant 10-11 MT. Les protes accessòries uneixen els triplets adjacents. L’estructura de cada centríol te un nom que es diu estructura 9+0. Si agafem el centríol i el tallem transversalment podem distingir dos zones: zona distal i zona proximal. Els centríols estan disposats en forma de L dins del centrosoma. La zona proximal es la zona on els dos centríols es toquen, la mes pròxima al doblec de la L, les regions que no es toquen son la regió distal. En la regió distal els 9 triplets no estan alineats, estan una mica inclinats respecte l’eix. En la regió proximal, a mes dels 9 triplets tenim una estructura central que s’anomena lamina radial (estructura de roda de carro) que son fibres proteiques que connecten els triplets del centríol en un eix central. No es sap si aquesta estructura es un artefacte, provocat del tracte que pateix la mostra al observar-la.

La cèl·lula necessita modular la polimerització i la despolimerització dels MT i les protes que actuen estan separades en dos grups: desestabilitzadora, estabilitzadora.

3.2.1. Proteïnes desestabilitzadores dels microtúbuls Estatmina = Op18 Segresta dímers de tubulina. El seu anàleg en l’actina es la timosina. Segresta els dímers de dos en dos. L’activació esta regulada per quinases i fosfatases. Les quinases fosforilen les estatmines per inactivar-les.

5

Katanina Talla 13 enllaços longitudinals (un per cada protofilament) i consumeix ATP , és a dir, talla el MT. Prote anàloga: gelsolina. Catastrofina = Quinesina 13 Promou les catàstrofes, es una proteïna motora. Indueix la curvatura del casquet adherint-se al casquet estable.

3.2.2. Protes estabilitzadores (MAPs = Microtubule Associated Proteins) a)

Uneixen lateralment diversos monòmers de tubulina (alfa-beta):

Uneixen els monòmers i ja no es poden desenganxar, els fixa per estabilitzar-los. Ex: XMAP 215, nomes uneix monòmers de tubulina al casquet i per tant necessita que la tubulina porti GTP (estabilitza el pol +). La XMAP 215 també rep el nom de +TIP. Aquest prote es regulada per quinases.

b) Intervenen en la formació de feixos Utilitzem protes MAP per estabilitzar i crear feixos com les protes: MAP2 i tau. La tau es mes petita que la MAP2. Els MT units per la tau son mes compactes que els MAP2 que presenta mes distancia entre túbuls. En neurones trobem molt aquestes proteïnes . A mes, la tau sempre empaqueta en la mateixa polaritat, i els MAP2 intercala els pols de forma antiparal·lela. Organitzen les prolongacions de les neurones i per tant aquestes han de ser resistents. Els axons han de ser molt resistents, han d’estar molt empaquetades. Les protes motores es mouen a traves d’aquestes prolongacions

6

c)

Ancoren el pol + a altres estructures (membranes, cromosomes...)

Aquestes protes son les CLIP i les EB1 (+TIP =plus-ends tracking protein). Aquestes protes s’ancoren als pol + creixents i al mateix temps a les membranes fent que s’estabilitzin.

3.3. Toxines inhibidores de la polimerització i despolimerització de la tubulina (=antimitòtics) Una de les principals funcions dels MT es la segregació dels cromosomes i la organització cel·lular. Si s’alteren la polim i la despol es pot provocar la mort cel·lular a causa de l’aturada de la proliferació cel·lular. Colchicum sp. -

Colchicina = Colcemid (sintètic) → uneix tubulina lliure (impedeix la polim). A altes concentracions també allibera MTOC, que fa que s’afavoreixi la despolim. En cultius cel·lulars a baixes concentracions, permeten sincronitzar cèl·lules en anafase B, així podem veure els cromosomes a la metafase.

Vinca sp. -

Vincristina → forma agregats de tubulina i impedeix la polimerització i afavoreix la despolimerització. Te funció de segrest Vinblastina → forma agregats de tubulina i impedeix la polimerització i afavoreix la despolimerització. Te funció de segrest

Taxus brevifolia -

Taxol → estabilitza MT i impedeix la polimerització i despolimerització

Les tres darreres toxines s’utilitzen per a la quimioteràpia. Provoquen efectes secundaris com l’afectació d’altres cèl·lules amb alta proliferació com: les cèl·lules del moll d’os (immunodepressió), de l’intestí (nàusees i vòmits), fol·licles (pèrdua de cabell), pilosos...

4. Proteïnes motores de la tubulina i moviments cel·lulars Els MT constitueixen unes vies per on les protes motores es poden moure, aquestes protes tenen dos noms en funció de la direcció de desplaçament: dineines si es mouen cap al pol – i quinesines si es mouen cap al pol +. I aquestes les podem classificar en tres grans grups: motores citosòliques (transporten/posicionen vesícules i orgànuls dins del citosol), motores mitòtiques (participen en el moviment dels cromosomes i la formació del fus, fan la segregació dels cromosomes) i motores axonemals (provoquen el moviment dels cilis i les flagels, estan al axonema, nomes hi ha dineines) La seva estructura es comuna: -

2-3 cadenes pesades amb un cap amb unió al microtúbul i amb funció ATPasa (motor) i una cua que carrega la carrega Cadenes lleugeres que regulen l’activitat.

7

Quinesines (Pol +) La majoria estan formades per dues cadenes lleugeres i dues pesades, son tetràmers. Poden participar en dos tipus de processos: motors citosòlics i mitòtics. Les quinesines mitòtiques a la cua poden unir els cinetocors, els cromosomes pels telòmers, altres MT del fus... i les protes que ho fan son les CENP-E, Ncd i cromoquinesines. En el cas dels motos citosòlics, poden unir proteïnes especifiques de membrana però no poden reconèixer membranes (la bicapa lipídica) i aquestes protes haurien de poder diferenciar membranes per saber quina membrana han d’unir per poder moure-la. Per això necessitem unes protes especifiques que facin de receptor per identificar membranes. Per ex: quinectina, prote transmembranal del reticle que fa possible el moviment del reticle a traves dels microtúbuls. Cada membrana presentarà un receptor específic per la quinesina. La quinesina te les dues cadenes pesades que presenten les unions motores amb ATP. Les regions globulars (que son les que presenten ADP) nomes reconeixen les tubulines beta, és a dir, cada cadena pesada reconeix una tubulina beta (distància DE 8NM) i s’enganxen a elles. Les cadenes pesants estan inactivades perquè estan unides a ADP però si hi ha ATP a la cèl·lula, aquest s’incorporarà a la cadena pesada que esta mes avançada cap al pol+. Nomes podrà enganxar ATP la primera cadena pròxima al pol+, per qüestions de configuració molecular. Quan aquesta incorpora ATP, es provoca un canvi conformacional que provoca com un cop o llançament que impulsa la cadena pesada que estava enrederida cap endavant mes o menys 8nm. Aquesta es posiciona en una tubulina beta mes avançada i la que estava endavant esta darrera i en aquesta conformació l’ATP s’hidrolitza. Ara estem igual que al principi i es comença fer el cicle per intercalant cadenes pesades. Cada cop el MT anirà avançant de tubulina beta a tubulina beta en direcció al pol +.

8

Dineines (Pol -) Les dineines es mouen cap a pol – i aquestes dineines poden participar a mes a mes de motors citosòlics i motors mitòtics, com a motors axonemals . En aquest cas les dineines (la cua) uneixen MT adjacents. Les dineines tenen cadenes lleugeres i poden tenir múltiples cadenes, estan formades per molt mes pèptids i poden tenir dos o tres cadenes pesades. Una altre aspecte distintiu es que el reconeixement dels receptors especifica de les membranes, aquestes no son capaces de reconèixer els receptors i necessiten que es formi un complex que es diu dinactina i esta format per pèptids (Arp 1, dinamitina, Glued) que s’encarreguen de posar en relació la dineina amb la carrega que han de portar. Es com un complex link que s’afegeix a l’estructura per a que les dineines puguin fer el seu treball

4.1. Transport intracel·lular de vesícules i posicionament d’orgànuls El pol – esta ancorat sempre al centrosoma i aquest esta a la part central de la cèl·lula, al costat del nucli. Les quinesines estan posicionant els orgànuls de forma anterograda (cap a fora) i les dineines posicionen els orgànuls i les vesícules de forma retrograda (cap a dins). Els processos de exocitosi hi participaran quinesines i en la endocitosi el generen les dineines. En la zona del còrtex els elements del citoesq mes abundants son les microfilaments d’actina i les vesícules que fan exocitosi quan arribant al final d’un microtúbul i encara no han arribat a al membrana poden canviar a un microfilament (canviar d’element del citoesquelet) per tant una vesícula pot portar diferents tipus de protes receptores que siguin reconegudes per protes motores del mateix element o d’elements diferents del citoesquelet.

4.2. Moviment de cilis i flagels 4.2.1. Característiques de cilis i flagels ▪

Cilis: son molt mes curts (5-10 micres) i poden ser molt nombroses en una cèl·lula. El moviment que fan es un moviment de batuda que es sincrònic (que tots els cilis fan de forma simultània) i es fa en la mateixa direcció. Permet que l’estructura es mogui de forma paral·lela a la superfície i el que aconsegueix la cèl·lula es remoure tot el medi extern i aconseguir remenar els nutrients o fins i tot desplaçar altres estructures com cels. Aquesta estructura la poden tenir diverses cels animals (epiteli respiratori, oviducte...), ...