Citoscheletro e nucleo cellulare: composizione e funzioni in biologia

Istologia 15-01-2024

Citoscheletro

Il citoscheletro è una struttura filamentosa proteica, composta da:

• microtubuli;
• microfilamenti;
• filamenti intermedi.

Ha molteplici funzioni:

• di sostegno della cellula e di un tessuto (i microfilamenti e filamenti intermedi sono coinvolti nella formazione delle giunzioni cellulari);
• di trasporto (di organelli e vescicole all'interno della cellula) e movimento (della cellula stessa con i microfilamenti);
• coinvolto nel processo di divisione cellulare;
• di struttura e supporto del nucleo con la formazione della lamina nucleare (compito dei filamenti intermedi);
• coinvolto nella formazione di strutture specializzate (nel caso dei microtubuli avremo la formazione di cilia e flagelli; nel caso dei microfilamenti avremo la formazione delle stereocilia e dei microvilli, lamellopodi, filopodi e pseudopodi-> tutte strutture in cui abbiamo il coinvolgimento dei filamenti di actina)

ACTIN FILAMENTS VIMENTIN (intermediate filaments)

> Immunofluorescenza: tecnica che ci permette di evidenziare diverse strutture proteiche. In questa immagine vediamo come a seconda del tipo di citoscheletro presente, avremo una diversa distribuzione e localizzazione dei filamenti, sia di actina che di vimentina (filamenti intermedi) all'interno della cellula.

Il citoscheletro si studia attraverso l'immunofluorescenza, ma anche attraverso la microscopia elettronica.

MICROFILAMENTS INTERMIDIATE FILAMENTS MICROTUBULES 5um

Differenze tra le proteine che compongono il citoscheletro

Microfilamenti-> sono i più piccoli (6-7nm) formati dall'unione di proteine globulari di actina, che andranno a formare poi la F-actina. Microtubuli-> sono i più lunghi (25 nm circa), composti dall'unione di a e ß tubulina, proteina globulare. Filamenti intermedi-> le proteine coinvolte nella formazione del protofilamento e successivamente del filamento intermedio sono proteine filamentose.

I microfilamenti e i microtubuli sono strutture polarizzate, con la polimerizzazione dei polimeri di actina e tubulina, possono allungarsi (da un lato o dall'altro, oppure da un solo lato) e depolimerizzarsi/accorciarsi dal lato opposto, grazie all'uso di ATP o GTP> possono essere coinvolti nel movimento di molecole, di vescicole, di organelli o della cellula stessa. I filamenti intermedi non prevedono questo, in quanto sono molto più strutturali e non polarizzate. Altra differenza è che i microfilamenti e microtubuli sono uguali in tutte le cellule, mentre i filamenti intermedi sono tessuto specifici (ciò significa che se ci troviamo nel tessuto epiteliale, le cellule epiteliali esprimeranno il filamento intermedio che è la citocheratina, se ci troviamo nel tessuto connettivo, i fibroblasti esprimeranno il filamento intermedio che è la vimentina ecc ... ).L'unico filamento intermedio che è presente in tutte le cellule sono le lamine, in quanto formano la lamina nucleare, e il nucleo è presente in quasi tutte le cellule.

I microtubuli

I microtubuli hanno una struttura circolare-cava ad elica, e prevede l'unione di 2 molecole globulare a e ß tubulina-> formati dall'unione di dimeri di tubulina-> sono eterodimeri in quanto formati da 2 tipi di tubulina diverse. Il diametro di tutto il protofilamento del microtubulo è di 25 nm.

Microtubule Helical Structure Alpha-Tubulin T -Heterodimers 25 nm 1 Protofilament Beta-Tubulin Figure 1

Il protofilamento è l'allineamento orizzontale di tutti quanti i dimeri di a e ß tubulina (può avere qualunque tipo di lunghezza che cambia a seconda del tipo cellulare). Tutta la struttura circolare-cava del microtubulo è composta da 13 protofilamenti. L'unione dei diversi dimeri di tubulina, che permettono l'allungamento del microtubulo avviene grazie all'utilizzo di energia GTP. Esiste anche un altro tipo di tubulina, ovvero la y tubulina che si trova soltanto all'inizio della struttura del microtubulo, quella che viene chiamata estremità negativa (estremità più stabile che andiamo a trovare nel MTOC "microtubule organizing center", da dove avviene la nucleazione/polimerizzazione/crescita del microtubulo). Quindi abbiamo un complesso proteico che forma un CAP, chiamato y-TuRC-> la y tubulina che forma un paio di giri insieme ad altre proteine, da qui la y tubulina si lega in ordine la a tubulina e poi la ß-> da qui avviene la nucleazione. Cinetica dell'assemblaggio dei microtubuli in vitro: maggiore presenza ci sarà di dimeri liberi all'interno del citoplasma, più facilmente avremo l'allungamento del microtubulo utilizzando molecole di GTP. Dopodiché si ha una fase di platou, in cui se il microtubulo deve rimanere stabile in lunghezza avremo tanti dimeri che vengono aggiunti all'estremità positiva, quanti ne vengono tolti all'estremità negativa.

Instabilità dinamica del treadmilling

L'instabilità dinamica, vuol dire che i microtubuli si assemblano e disassemblano soltanto ad una estremità:

• all'estremità positiva si polimerizza solo (riguarda l'allungamento del microtubulo);
• all'estremità negativa si depolimerizza.

> non può avvenire il contrario. Nel caso del treadmilling avverrà tutto in contemporanea, uno polimerizza e l'altro disassembla; mentre nel caso dell'instabilità dinamica avremo la polimerizzazione perché magari il microtubulo si deve allungare per raggiungere una determinata parte della cellula per prendere una vescicola, quando non serve più si disassembla dall'altro. Instabilità dinamica e treadmilling cooperano nel movimento dei microtubuli. Differenza tra un microtubulo stabile e instabile: l'instabilità è il microtubulo che deve polimerizzare e depolimerizzare perché la cellula ha bisogno del movimento dei cromosomi e delle vescicole. Un microtubulo stabile, invece, rimarrà sempre fisso, lo possiamo trovare nelle cilia e nei flagelli, quindi in nelle strutture di specializzazione cellulare. La nucleazione del microtubulo avviene nel MTOC, nel caso del microtubulo stabile, composto da 2 centrioli posti a una distanza di 90° l'uno dall'altro-> da qui parte la formazione del microtubulo con il y-TuRC e la y- a- ß tubulina.

y-TuRC

Il y-TuRC è un core di sub-unità di y-tubulina al quale sono associate altre proteine (y-TuSC, proteine appartenenti alla famiglia grips) da cui inizia l'allungamento del microtubulo.

Centrioli

I centrioli si trovano nel MTOC. Abbiamo solo 2 centrioli, che compongono il centrosoma, in ciascun tipo cellulare e vengono duplicati nella fase S della mitosi. Sono disposti a 90° l'uno dall'altro e sono formati da 9 triplette di microtubuli (A,B,C) stabili collegati da ponti proteici e disposti a cilindro.

• Microtubulo A-> composto da 13 protofilamenti, è un microtubulo completo;
• Microtubulo B e C-> composti da 10-11 protofilamenti, sono incompleti.

B tubule A tubule /C tubule 90° Pericentriolar material (PCM)

Nel caso in cui parliamo di microtubuli stabili, e quindi di cilia e flagelli, non parliamo di centrioli ma di corpo basale-> struttura identica al centriolo, ed è qui che parte l'allungamento del microtubulo per formare cilia e flagelli.

Copyright & The McGraw-Hil Companies, Inc. Permission required for reproduction or display Doppietta centrale Microtubules Membrana plasmatica Doppietta periferica Plasma membrane Disposizione 9 + 2 Doppiee Doppiette periferiche (a) Sezione trasversale dell'assonema Flagellum Plastra basale Basal body (c) Sezione trasversale dela zona di transizione Triplete (d) Sezione trasversale del corpo basale (a) (a) Ciglio 0.1 pm

La struttura del cilio, partendo dal centriolo è uguale (9 triplette di microtubuli), mano mano che abbiamo la nucleazione dei microtubuli, la struttura delle cilia e dei flagelli alla fine sarà di 9 doppiette di microtubuli (il microtubulo C viene perso), c'è l'aggiunta di una coppia centrale di microtubuli fondamentale per il movimento delle cilia e dei flagelli; inoltre c'è l'aggiunta di una numerosa quantità di proteine che servono per permettere non soltanto la stabilità del cilio, ma anche il movimento del cilio e del flagello.

I vari doppietti sono collegati tra loro da 2 diversi tipi di proteine:

• dineina assonemale> forma un ponte stabile tra il microtubulo B di un doppietto e il microtubulo A del doppietto successivo, ma la dineina serve per il movimento delle cilia, utilizzerà l'idrolisi di ATP, nel momento in cui si verifica ciò, le teste di dineina iniziano a scorrere sopra il doppietto successivo e i microtubuli scivolano Plasma Inner dynein arm membrane l'uno sull'altro permettendo il piegamento lento del cilio, Oute dynein arm seguito da un movimento di ritorno del cilio molto veloce. (> Central 9 sheath la dineina è l'unica proteina che si muove permettendo il 3 movimento del cilio, tant'è che le cilia immobili mancano della A tubule dineina).
• nexina-> forma un ponte stabile tra il microtubulo B di un doppietto e il microtubulo A del doppietto successivo.

Outer O doublet Interdoublet (nexin) bridge B tubule 5 Central microtubule Radial spoke Microtubules

Funzioni dei microtubuli

• Mantengono la forma della cellula;
• La struttura di centrioli e formano l'assonema (struttura del cilio);
• Posizione e movimento degli organelli nella cellula;
• Movimento di cilia e flagelli, vescicole, molecole e cromosomi.

Tre diverse proteine sono associate al movimento dei microtubuli:

• La dineina assonemale, che si trova nella struttura del cilio.

A livello del citoplasma abbiamo:

• La dineina citoplasmatica-> proteina che cammina sui microtubuli, si muove verso l'estremità negativa, sposta gli organelli e le vescicole dalla membrana cellulare verso il centro della cellula-> per fare ciò utilizzerà l'ATP idrolizzata dall'ADP + gruppo fosfato.
• La kinesina > esattamente il contrario!

Dineina citoplasmatica

Molto simile alla dineina assonemale-> abbiamo sempre i bracci di dineina (hanno un corpo composto da catene leggere proteiche che andranno a legare quello che deve trasportare il microtubulo) e delle teste globulari (attaccate al microtubulo).

head tail -Heavy chain Light chains Dineina Vescicola Direzione di movimento ADP-

La dineina citoplasmatica fa il movimento dall'estremità positiva, periferia cellulare, all'estremità negativa, centro della cellula.

Kinesina

Ha una struttura completamente diversa-> composta da una testa (che si va a legare ai microtubuli), un corpo e una coda (lega vescicole o organelli). La kinesina fa un movimento rotazionale quasi di 180º. Il trasporto viene detto anterogrado: verso l'estremità positiva, la periferia della cellula.

Trasporto assonale

I microtubuli che si trovano lungo l'assone del neurone per passare dal corpo cellulare alle sinapsi (fine del neurone) hanno bisogno sia di dineina e sia di kinesina-> quindi di trasporto anterogrado e retrogrado.

Abbiamo 2 movimenti del cilio:

• Movimento effettivo (effective stroke)-> più lento, in cui quando viene idrolizzato l'ATP, la testa della dineina si muove e scivola sul microtubulo del dimero successivo-> e quindi durante lo scivolamento il ciglio tende a piegarsi lentamente.
• Movimento di ritorno (recovery stroke)-> molto più rapido. Si ha un ripiegamento, una sorta di battito.

Il movimento del flagello è rotazionale -> sempre uguale.

Microtubuli e fuso mitotico

Abbiamo un centrosoma, composto da 2 centrioli, durante la fase S i centrioli vengono duplicati. Dopodiché si ha la formazione del fuso mitotico e quindi l'allungamento dei microtubuli a partire dalle 2 coppie di centrioli neoformate. Nel frattempo si ha la disgregazione della membrana nucleare, la formazione dei cromosomi > a questo punto i microtubuli possono attaccarsi al centro dei cromosomi. Abbiamo diversi tipi di microtubuli chiamati aster, polari e quelli attaccati alla cinetocore (microtubuli che si attaccano ai cromosomi). Anche in questo caso è fondamentale l'utilizzo di dineina e kitosina per lo spostamento dei cromosomi durante la divisione cellulare.