Citoscheletro

Citoscheletro

Una cellula in vita tende a mantenere ordinati i propri organuli e le proprie strutture per coedere i processi che competono al suo metabolismo:

• le manifestazioni motorie sono eventi specifici e programmati attuati da una struttura filamentosa eterogenea di natura proteica che viene definita citoscheletro

Il citoscheletro non è una struttura puramente di sostegno, ma permette anche i movimenti che sono definiti motilità cellulare:

• è una struttura in continuo movimento, di assemblaggio e disassemblaggio
• alcune parti, tuttavia, svolgono anche le pure funzioni meccaniche.

Il citoscheletro è costituito da tre elementi principali:

• microfilamenti
• microtubuli
• filamenti intermedi

Ognuna di queste tre tipologie di filamento possiede una precisa localizzazione all’interno della cellula.

I microfilamenti sono costituiti da actina e sono concentrati:

• al di sotto della membrana plasmatica (cortex)
• formano fasci che si collegano alla superficie della cellula (stress fiber)

I microtubuli si irradiano a partire da un sito sul nucleo (il centrosoma) e raggiungono la periferia della cellula innestandosi sulla cortex (struttura planare formata da microfilamenti).

Il filamenti intermedi formano delle reti tridimensionali che si dispongono in zone differenti:

• intorno al nucleo (vimentina)
• a livello dell’involucro nucleare (lamine nucleari)
• fasci che si connettono a complessi di giunzione (cheratina)
• lungo i prolungamenti citoplasmatici come villi, ciglia, assoni, ecc… (neurofilamenti).

Tutte  queste strutture sono strettamente interconnesse mediante complessi di giunzione, legandosi alla membrana nucleare e a quella plasmatica, nonché ai vari organuli.

Il citoscheletro è una peculiarità delle cellule eucariotiche:

• i procarioti non hanno compartimentazione interna, e tra attività incompatibili non v’è separazione fisica, bensì temporale

Il sistema membranoso interno di una cellula suddivide il citoplasma in due compartimenti distinti:

• spazi chiusi: sistema rappresentato dagli organuli nel loro interno
• citoplasma libero: porzione citoplasmatica non racchiusa

Il citoplasma libero è attraversato da una fitta rete di filamenti proteici, che costituisce il citoscheletro.

Mentre dal punto di vista fisico il citoplasma libero si suddivide in spazi (aperti o chiusi), dal punto di vista chimico il citoplasma si distingue in due fasi:

• una solida rappresentata dalle membrane e dal citoscheletro
• una più fluida, rappresentata dalla sostanza fondamentale (o ialoplasma, o citosol).

Nella fase fluida avviene la fase elettiva del metabolismo intermedio cellulare:

• se non  vi fosse il citoscheletro le molecole dovrebbero reagire in maniera del tutto casuale
• il citoscheletro invece fornisce supporto alle reazioni chimiche che vengono svolte nel citoplasma, legando ribosomi e enzimi glicolitici.

Il citoscheletro è anche coinvolto in numerosi eventi della motilità cellulare, e ne è il principale responsabile:

• spostamento selettivo dei recettori di membrana (clustering)
• locomozione cellulare (movimento della cellula rispetto ad un substrato fisso)
• traffico citoplasmatico delle vescicole
• emissione di pseudopodi
• ecc..

ACTINA E MICROFILAMENTI.

L’actina è una proteina globulare del peso di 42,3 kD:

• presente in tutte le cellule eucariotiche
• rappresenta la maggior parte delle proteine (15-20% delle proteine totali)

L’actina delle cellule muscolari è un’isoforma rispetto all’actina citoplasmatica, che presenta delle minime differenze (qualche amminoacido nella struttura primaria):

• a-actina: presente nelle cellule muscolari (striate, lisce, cardiache)
• b o g-actina: presente nel citoplasma

La forma dell’actina varia con il pH e la concentrazione di ioni:

• con bassa concentrazione ioni Ca2+ e ATP e un pH basico l’actina si presenta in forma monometrica (G-actina)
• con l’abbassamento del pH e degli ioni metallici (Mg2+, K+) la G-actina si polimerizza dando origine ad un fascio doppio di filamenti avvolti a doppia elica del diametro di 5-7 nm (F-actina).

Ogni monomero di G-actina è legato ad una molecole di ATP:

• nella polimerizzazione ad F-actina l’ATP viene idrolizzata a ADP, che rimane legato alle subunità proteiche
• l’energia liberata dall’idrolisi sembra non essere necessaria al processo di assemblaggio

Una polarità dell’actina è già presente nella forma monometrica (G-actina), ma diventa ancor più marcata nei filamenti F-actinici:

• i due estremi del filamento mostrano una configurazione spaziale differente, quindi un differente comportamento chimico

La polarità dell’actina è evidenziabile marcandola con meromiosina (HMM):

• dopo l’attacco di HMM alla actina si verifica che la stereospecificità del legame porta l’HMM ad un attacco inclinato a 45° sempre nella medesima direzione
• le HMM si dispongono a punta di freccia (harrowhed complexes)

La disposizione della meromiosina permette chiaramente di definire le estremità della F-actina:

• pointed-end: estremità in cui sono rivolte le punte delle frecce
• barbed-end: lato opposto.

Al termine della polimerizzazione si raggiunge lo steady state, che non è un momento stazionario, ma un momento estremamente dinamico:

• il polimero di F-actina si trova frazionato in un certo numero di filamenti
• i monomeri di G-actina che non sono stati polimerizzati sono in continua interazione con il polimero

La minima quantità di monomeri affinché si stabilisca l’equilibrio dinamico tra polimerizzazione e depolimerizzazione è definita concentrazione critica:

• un certo numero di monomeri si lega al polimero a livello del barbed end
• un ugual numero di monomeri si distaccano dal polimero a livello del pointed end.
• La quantità di G-actina che si lega è uguale a quella che si scioglie

Si assiste dunque ad un flusso unidirezionale dal barbed end al pointed end dei monomeri actinici:

• questo fenomeno è chiamato treademilling (mulinello)

Tuttavia il fenomeno del treademilling non è assolutamente legato al movimento di organuli e macromolecole:

• il trasporto di organuli e macromolecole è attuato da specifiche proteine motore, che spendono energia mediante idrolisi di ATP
• la velocità del trasporto su via actinica è tra l’altro maggiore nel senso contrario al treademilling

Nonostante le possibili apparenze, la forma F e la forma G dell’actina sono in ugual numero presenti:

• le molecole di G-actina sono spesso complessate alle ß-timosine
• rimane tuttavia una parte di G-actina libera per rendere possibile la concentrazione critica;
• la cellula si assicura in questo modo un numero adeguato di monomeri actinici per poter mantenere il dinamismo della F-actina

Tutti i movimenti della cellula actino-mediati sono coadiuvati da F-actina:

• vi sono specifiche proteine coadiuvanti che aiutano la F-actina ad assumere conformazioni tridimensionali utili

Queste proteine che aiutano l’F-actina ad assumere le adeguate conformazioni tridimensionali sono chiamate actin-binding protein, e si possono dividere in:

• interagenti con G-actina
• interagenti con F-actina

Alcune delle proteine actin-binding che interagiscono con G-actina sono:

• profiline
• ß-timosine
• vitamin D-binding protein
• DNasi
• Depactina
• Actoforina

Le action-binding protein che interagiscono con F-actina si distinguono per il ruolo svolto sulla F-actina e sono moltissime, tra cui:

• gelsolina (in grado di tagliare i filamenti)
• miosina (proteina motore del sistema acto-miosinico)
• filamina
• spectrina
• a-actinina (organizza in fasci o reti i filamenti actinici)
• tropomiosine (nelle cellule non muscolari stabilizzano il filamento di actina)
• distrofina

MOTILITÀ CELLULARE ACTINO-MEDIATA

Le manifestazioni di motilità cellulare mediate da actina possono essere distinte in due tipologie:

• movomenti retroattivi: sono movimenti che prevedono l’inervento di una proteina motore, che nel caso dei movimenti actino-mediati è la miosina.
• movimenti propulsivi: sono quei movimenti che possono essere sostenuti solamente mediante la polimerizzazione dell’actina (es. emissione di pseudopodi)

Il movimerto propulsivo con l’emissione di una estroflessione della membrana plasmatica (es. villi, pseudopodi, microvilli, ecc…) dipende da specifici segnali provenienti dala membrana plasmatica e rielaborate nella stessa:

• sono presenti degli specifici recettori di membrana che producono il riarrangiamento del cortex.
• In alune zone  si ha l’espansione de citoplasma mediante l’allungamento dei filamenti del cortex
• In altri casi si ha l’introflessione del plasmalemma per permettere la fusione e la formazione delle vescicole e dei granuli secretori (avviene poiché lo strato corticale si ammollisce).

Una volta prodotta l’estroflessione della membrana, questa deve essere resa stabile, con un procedimento che varia a seconda delle specie cellulari:

• in una cellula nervosa, un cono di crescita del neurite viene stabilizzato mediante la formazione di microtubuli, e i filamenti di actina vengono smantellati. Le molecole di G-actina prodotte dallo smantellamento sono poste in superficie del cono di crescita per poter essere utilizzate per l’ulteriore allungamento
• in un leucocita invece, l’estroflessione non può produrre movimento della cellula intera se questa non si è ancorata a livello dell’emissione dello pseudopodio mediante una placca di adesione. A questo aggancio segue il movimento retrattile derivante dall’interazione actina-miosina.

Il movimento ameboide quindi si può suddividere in due momenti:

• emissione dello pseudopodio, con trasformazione G/F-actina e aggancio mediante placca di adesione
• fase motoria attiva (mediante idrolisi si ATP) ad opera del complesso actina-miosina.