Citoscheletro: filamenti intermedi, microtubuli e filamenti di actina

Il citoscheletro

Il citoscheletro è una rete complessa di filamenti e tubuli interconnessi che si estende dal nucleo alla faccia interna della membrana plasmatica. E' una struttura plastica e dinamica che va incontro a riorganizzazioni ed è coinvolta in numerosi processi.Filamenti di actina

1 (1) (1) Filamenti intermedi (2) 1 Microtubulo to: (4) Proteina motrice

Funzioni del citoscheletro

1. Struttura e supporto
2. Trasporto intracellulare
3. Mobilità e contrattilità
4. Organizzazione spaziale

Movimento cellulare, contrazione, divisione cellulare, strutture specializzate.

Proteina motrice Filamenti di actina myosin II (4) contraction ATTACHMENT AND TRACTION C (2) Microtubulo (3) Cellula in divisione25 um 25 um 25 um

Componenti del citoscheletro

FILAMENTI INTERMEDI MICROTUBULI FILAMENTI DI ACTINA 25 nm 25 nm 25 nm

https://app.jove.com/science-education/v/11788/introduction to-the-cytoskeleton... ciglia -ciglio flagello corpuscolo basale spermatozoo aploide (D) CELLULA CILIATA

Microtubuli

I microtubuli hanno un ruolo organizzativo e strutturale:

• Danno sostegno e forma alle cellule.
• Ancorano gli organelli o li trasportano.
• Sono implicati nella segregazione del materiale genetico durante la divisione cellulare (formazione fuso mitotico).
• Sono una struttura fondamentale di ciglia e flagelli.ß-tubulin GTP o GDP 0 tubulin heterodimer (= microtubule subunit) (E) 10 nm protofilament lumen ß-Tubulina plus end GTP 4 nm 50 nm a-Tubulina minus end a-tubulin microtubule 50 nm

I microtubuli sono composti da molecole di tubulina a e ß saldamente unite da legami non covalenti. I dimeri si impilano a formare dei protofilamenti paralleli che a loro volta si uniscono a formare dei cilindri cavi.

https://app.jove.com/science-education/v/11908/microtubule-formationOrigine dei microtubuli nella cellula: il centrosoma + + + + + + + + + matrice del centrosoma + + C + + + + coppia di centrioli + + + + + microtubuli che crescono dai complessi ad anello di tubulina y del centrosoma (A) Centrosoma (+) R Centro di organizzazione dei microtubuli (MTOC). Tutti i microtubuli originano dai centrosomi, dove si trovano strutture circolari di tubulina y (anelli rossi- y TURC). All'interno del centrosoma si trova una coppia di centrioli (piccoli cilindri cavi) perpendicolari uno all'altro e circondati da materiale pericentriolare. I microtubuli sono strutture polarizzate: estremità +, dove avviene crescita e accorciamento (è quella che si allontana dal centrosoma.) L'estremità- è invece l'origine del microtubulo legata al centrosoma.

https://app.jove.com/it/science-education/v/11908/microtubule-formation?language=it + + (B) + siti di nucleazione (anelli di tubulina y)Il centrosoma si localizza vicino al nucleo. nucleo centrosoma microtubulo in crescita proteine cappuccio dei microtubuli microtubuli instabili microtubuli stabilizzati C (A) (B) (C) (D) I microtubuli sono strutture dinamiche che si allungano e che si accorciano. La subunità ß contiene un sito di legame per il GTP che favorisce l'allungamento, se viene idrolizzato a GDP il tubulo si accorcia.I microtubuli sono implicati nel segregazione del materiale genetico durante l divisione cellulare. Centrosoma + + + + - + + + + + + + + ++ + + + + + + + Cromosomi + + Interfase Fase precoce + + Centrosomi (MTOC) + + + + + + Metafase Il centrosoma della cellula in interfase si duplica per formare i due poli del fuso mitotico. In principio i due centrosomi restano vicini ma col proseguire della mitosi si separano generando ciascuno una struttura (aster). I due aster si spostano ai lati opposti del nucleo formando i due poli del fuso mitotico.

Proteine associate ai microtubuli (MAP)

Appartengono a due classi di proteine: le MAP motrici, e le MAP non motrici. Le MAP non motrici sono in grado di coordinare l'organizzazione dei microtubuli nel citoplasma. Per esempio alcune stabilizzano i microtubuli legandosi alle loro terminazioni mentre altre ne favoriscono la depolimerizzo Le MAP motrici sono proteine-motrici che insieme all'interazione con i microtubuli sono responsabili del trasporto di materiale (vescicole, organelli) all'interno della cellula. Consentono un trasporto veloce e polarizzato. mitocondrio

https://app.jove.com/it/science-education/v/11909/concepts/microtubule-associated-protein's"maps https://app.jove.com/it/science-education/v/11913/concepts/assembly-of-complex-microtubule-structuresLe proteine motrici legate ai microtubuli: chinesine e dineine Le chinesine e le dineine possiedono due teste globulari che legano ATP e i microtubuli ed una coda che lega il carico. Il movimento è consentito dall'idrolisi dell'ATP e dal cambiamento conformazionale della proteina che ne consegue. La chinesina si muove verso l'estremità + mentre la dineina verso l'estremità -. coda 2 dineina testa globulare chinesina microtubulo estremità meno estremità più 10 nm (A)

https://app.jove.com/it/science-education/v/11911/concepts/microtubule-associated-motor-proteinsStruttura della chinesina e della dineina Catena pesante Catena leggera Cerniera flessibile Teste Collo (sito catalitico) Stelo Coda 80 nm Catena pesante Carico (-) (+) Stelo Peduncolo Catene leggere e intermedie Testa A O D 16 nmChinesine > movimento passo dopo passo I due domini motori lavorano in maniera coordinata -> movimento passo dopo passo La testa posteriore si stacca dal suo sito di legame sulla tubulina, oltrepassa il dominio motore patner, e quindi si lega nuovamente al successivo sito di legame disponibile sulla tubulina. Sono coinvolte nel trasporto anterogrado (trasporto assonale veloce) dal corpo cellulare verso la terminazione dell'assone.Dineine -> colpo di potenza Nello stato con ATP legato lo stelo è staccato. L'idrolisi di ATP ne causa l'attacco al microtubulo e porta ad un grande colpo di potenza conformazionale che implica la rotazione della testa e dello stelo relativamente alla coda. Sono coinvolte nel trasporto retrogrado di molecole dalla terminazione verso il corpo cellulare del neurone. (B) power stroke, 8 nm microtubule attached to stalk / + + stalk ADP + P AAA domains in motorhead major ATPase tail C-terminal domain attachment to cargo or another microtubule+ MP + Lisosoma Mitocondrio Vescicola Chinesina - Complesso- di Golgi € 1 VTC Dineina + + corpo cellulare del neurone terminazione assonica microtubulo assone + H trasporto centripeto (verso il corpo cellulare) trasporto centrifugo (verso la terminazione assonica) RE

https://app.jove.com/it/science-education/v/11912/the-movement-of-organelles-and-vesiclesFilamenti di actina Possono formare fasci paralleli o disporsi in reticolati a seconda del tipo cellulare. Servono al mantenimento della forma cellulare (elementi resistenti alla tensione) e al movimento (associati con la miosina). (A) (B) (C) (D) 25 um FILAMENTI DI ACTINA 25 nmSono formati da subunità compatte e globulari di actina globulare (G) che presentano un sito di legame per ATP o ADP. actin molecule plus end plus end NH2 T COOH 37 nm - ATP (ADP when in filament) minus end minus end (B) (C) 50 nm I monomeri di actina si assemblano testa- coda formando filamenti con una polarità strutturale distinta (actina F). (A)Filamento decorato dalla miosina Barbiglio Punta (-) (+) https://app.jove.com/it/science-education/v/11797/concepts/introduction-to-actinOsemblaggio del trimero di actina Trimero Monomeri Dimero B Assemblaggio del filamento di actina Estremità a barbiglio Estremità a punta C Polimerizzazione spontanea D Allungamento 12+ 20- [Polimero] (uM) 6- Velocità (s-1) 2 10+ k. Estremità a punta 0- Concentrazione critica k_ 0- -10 0 200 400 600 0 2 4 6 Tempo (s) [Actina] (uM) https://app.jove.com/it/science- education/v/11798/concepts/actin- polymerization k, Estremità a barbigliomonomeri di actina proteina che sequestra i monomeri proteina di nucleazione I filamenti di actina interagiscono con proteine dette "proteine leganti l'actina" che regolano la struttura del citoscheletro. proteina che frammenta i filamenti filamenti di actina proteina organizzatrice dei fasci (nei filopodi) 8 3 proteina motrice della miosina proteina di collegamento (nel cortex cellulare) proteina di collegamento laterale proteina cappuccio (blocco dell'estremità più)Funzioni delle principali proteine accessorie dell'actina (+) (-) (-) (+) - (-)8(-) (+) (-) (+) (-) (-) (+) (+) (+) Formina Complesso Arp Funge da centro di nucleazione e rimane legata all'estremità (+) durante l'allungamento Funge da centro di nucleazione creando una rete e rimane legato all'estremità (-) Timosina Profilina Si lega alle subunità, impedendo l'assemblaggio Si lega alle subunità, accelerando l'allungamento Subunità di actina (G-actina) (+) Filamento di actina (F-actina) (-) (+) (+) (-) Cofilina/ADF (-) Tropomiosina Stabilizza il filamento Si lega ai filamenti di ADP-actina accelerandone il disassemblaggio (-) (+) Gelsolina Taglia i filamenti e si lega all'estremità (+) Capping protein Impedisce la polimerizzazione e la depolimerizzazione all'estremità (+) Formazione di fasci, di legami crociati e attacco alle membrane Lato citosolico della membrana plasmatica Fimbrina Filamina Spettrina Proteine ERM a-Actinina https://app.jove.com/it/science- education/v/11793/concepts/cytoskeletal-accessory- proteins https://app.jove.com/it/science- education/v/11800/concepts/actin-filament- depolymerization (-) (+) (+)Nel cortex cellulare i filamenti di actina sono uniti da proteine di un reticolo che sostiene la superficie della cellula e le conferisce resistenza meccanica. ₡-actinina Filamento di actina Vinculina Talina Membrana plasmatica Integrina - 0 Matrice extracellulareLe cellule possono assemblare l'actina in una grande varietà di strutture dinamiche. Tali strutture sono responsabili dei movimenti cellulari. stress fiber filopodium cell cortex contractile bundle gel-like network tight parallel bundle 100 nmLa segnalazione cellulare regola dove e come assemblino i filamenti di actina. Molti segnali portano a cambiamenti del citoscheletro attraverso il coinvolgimento della famiglia della Rho GTP-asi. Segnali: · Fattori di crescita · Contatti con cellule vicine e la matrice extracellulare · Segnali intracellulari (stato di nutrizione, dimensioni, ciclo cellulare) actin staining actin staining (A) QUIESCENT CELLS (B) Rho ACTIVATION (C) Rac ACTIVATION (D) Cdc42 ACTIVATION Figure 16-97 Molecular Biology of the Cell (@ Garland Science 2008) 20 um