Citoscheletro e movimento cellulare

Citoscheletro

Importante componente della struttura cellulare, esso è caratteristico delle sole cellule eucariote. Ha 3 diverse funzioni:

• Da una forma alla cellula
• Crea compartimenti utili alla cellula
• Fornire una resistenza meccanica

Tutti e tre i sistemi di filamenti del citoscheletro devono normalmente funzionare di concerto per dare alla cellula la sua forza, la sua forma e la sua capacità di movimento. I suoi componenti sono filamenti proteici: microtubuli, actina e filamenti intermedi. Esso assume un ruolo fondamentale anche nella divisione cellulare, soprattutto nel passaggio della chitocinesi, nella contrazione muscolare e nella dinamicità della cellula. Il citoscheletro è anche strettamente associato con i processi di segnalazione e di adesione cellulare.

Oltre ai 3 filamenti elencati in precedenza vi sono anche delle proteine accessorie, essenziali per l’assemblaggio delle strutture citoscheletriche e della loro funzionalità. Dal punto di vista chimico-biologico i 3 filamenti hanno diverse composizioni chimico fisiche.

Dinamicità del citoscheletro

Il citoscheletro, come affermato in precedenza, svolge un ruolo fondamentale per la dinamicità della cellula, la sua locomozione. Un primo esempio della riorganizzazione rapida del citoscheletro in risposta a determinati stimoli è dato dalla divisione cellulare di un fibroblasto. Come primo passaggio la cellula assembla lamellipodi e filopodi per spingere il suo fronte di avanzamento verso destra, quando la cellula si divide, la schiera polarizzata di microtubuli si riorganizza formando un fuso mitotico bipolare; successivamente i filamenti di actina formano un anello contrattile al centro della cellula, che divide la cellula in due dopo che i cromosomi si sono separati. Infine, una volta che la divisione cellulare è stata completata, le due cellule figlie riorganizzano sia il citoscheletro di actina sia quello di microtubuli.

Un secondo esempio è dato dall’inseguimento da parte di un neutrofilo di un batterio. Il rapido disassemblaggio, seguito dal riassemblaggio, del citoscheletro di actina di queste cellule permette loro di cambiare l’orientamento e la direzione del movimento in pochi minuti (la zona rossa rappresenta il fronte di avanzamento).

Actina o microfilamenti

I filamenti di actina determinano la forma cellulare e regolano la locomozione delle cellule stesse. Diverse proteine, definite accessorie, si legano all’actina per formare strutture differenti con funzioni altrettanto differenti. Il singolo monomero di actina chiamato actina globulare o actina G presenta al suo interno un nucleotido (ATP o ADP) attaccato in una profonda fessura nel centro della molecola. Le subunità di actina si assemblano testa-coda per generare una stretta elica destrorsa chiamata actina filamentosa o actina F.

Vi sono diverse fasi per il passaggio da actina globulare a actina filamentosa:

• Nucleazione: brevi oligomeri di subunità di actina possono assemblarsi spontaneamente, ma sono instabili. Affinché si formi un nuovo filamento di actina, le subunità devono assemblarsi in un aggregato iniziale, o nucleo, o oligomero, che è stabilizzato da molti contatti subunità-subunità e che può allora allungarsi rapidamente per aggiunta di altre subunità. Questo processo è chiamato nucleazione del filamento.
• Allungamento: fase di rapido allungamento del filamento, durante la quale le subunità si aggiungono velocemente alle estremità dei filamenti nucleati.
• Stato stazionario: al diminuire della concentrazione dei monomeri di actina, il sistema si avvicina a uno stato stazionario in cui la velocità di aggiunta di nuove subunità alle estremità dei filamenti è bilanciata esattamente dalla velocità di dissociazione delle subunità. Si raggiunge perciò quella che viene definita concentrazione critica, ossia la concentrazione delle subunità libere in questo ultimo stadio.

I filamenti di actina hanno estremi differenti che crescono in maniera differente. L’estremità positiva (+) infatti cresce più velocemente della parte negativa (–), la quale cresce con più lentezza. Ciò rende i filamenti di actina polari. L’actina può catalizzare l’idrolisi di un nucleoside trifosfato ATP. Per le subunità libere di actina questa idrolisi procede molto lentamente, ma è accelerata quando le subunità sono incorporate in filamenti. I monomeri di actina G liberi sono fortemente legati ad ATP che viene idrolizzato a ADP quando il monomero viene incorporato nel filamento. Il ciclo infatti inizia con la forma globulare dell’actina legata all’ATP, chiamata per questo anche ACTINA T. Essa si lega a un’estremità del filamento facendo in modo che esso si allunghi, facendo ciò libera un gruppo fosfato, facendo in modo che l’actina globulare contenga ADP; viene chiamata, infatti, in questo stadio, ACTINA D. Essa si stacca dal filamento, rilascia ADP e riprende ATP, affinché il ciclo ricominci. Il fatto che la subunità all’estremità di un filamento si trovi nella forma T o nella forma D dipenderà dalla velocità di questa idrolisi rispetto alla velocità di aggiunta di subunità.

I composti chimici che stabilizzano o destabilizzano i filamenti di actina sono strumenti importanti per lo studio del comportamento della dinamica dei filamenti e della loro funzione nelle cellule. All’interno di una cellula il comportamento dell’actina, ma così sarà per tutte le componenti del citoscheletro, è regolato anche da numerose proteine accessorie che legano i monomeri o i filamenti stessi di actina. La prima tipologia di proteine accessorie è composta dalla timosina e dalla profilina: esse svolgono un ruolo fondamentale per la regolazione della disponibilità di subunità di actina per la polimerizzazione. In particolare i monomeri di actina attaccati a timosina sono in uno stato bloccato, in cui non possono associarsi alle estremità + e – dei filamenti di actina e non possono idrolizzare né scambiare il nucleotide legato. La profilina, invece, si lega alla faccia del monomero di actina opposta alla fessura di legame per l’ATP, bloccando il lato del monomero che normalmente si assocerebbe con l’estremità meno del filamento. Quando il complesso profilina-actina si lega a un’estremità più libera, un cambiamento conformazionale nell’actina riduce la sua affinità per la profilina, così che la profilina si stacca, lasciando il filamento di actina più lungo di una subunità.

La seconda classe di proteine accessorie sono quelle che regolano la nucleazione del filamento di actina: esse sono il complesso Arp2/3 (ARP: Actin-Related Proteins) e le formine. Il complesso Arp 2/3 nuclea la crescita di filamenti di actina dall’estremità meno, aggirando il passaggio limitante della nucleazione del filamento. Il complesso può anche attaccarsi al lato di un altro filamento di actina, rimanendo attaccato all’estremità meno del filamento che ha nucleato, costruendo così con singoli filamenti una rete a forma di albero. La formina invece facilita l’allungamento dei filamenti di actina: i dimeri di formina si attaccano all’estremità + in allungamento dei filamenti di actina e promuovono l’aggiunta di nuovi monomeri, favorendo anche la formazione di filamenti lineari NON ramificati. La proteina formina mantiene il suo legame a una delle due subunità di actina esposte all’estremità più, permettendo a ogni nuova subunità di assemblarsi. Questo meccanismo di assemblaggio del filamento è chiaramente diverso da quello del complesso Arp 2/3, che rimane stabilmente attaccato all’estremità meno del filamento, impedendo sia l’aggiunta che la perdita di subunità a questa estremità. Molte formine sono indirettamente collegate alla membrana plasmatica e aiutano la polimerizzazione e l’inserzione del filamento di actina direttamente sotto la superficie della membrana. Lo strato sottostante la membrana plasmatica è chiamato corteccia cellulare.

Le proteine che legano il filamento di actina alterano le dinamiche del filamento. Sono due le più importanti:

• Legame a lato del filamento: tropomiosina — una proteina allungata che si lega simultaneamente a sei o sette subunità adiacenti di actina. Essa ha azione stabilizzante per il filamento di actina.
• Legame all’estremità: proteina cappuccio CapZ — blocca sia la depolimerizzazione che la polimerizzazione del filamento di actina.

Vi sono poi anche delle proteine che tagliano i filamenti regolando la depolimerizzazione dei filamenti di actina. Proteine che rompono un filamento di actina in molti filamenti più piccoli, generando quindi un gran numero di nuove estremità (superfamiglia della gelsolina; cofilina -> depolimerizzante dell’actina, si lega lungo il filamento di actina, costringendo il filamento ad avvolgersi un po’ più strettamente).

La disposizione dell’actina in un fibroblasto può permettere all’organismo stesso di assumere conformazioni diverse: reti dendritiche, fasci e strutture a rete (simili a gel). Vi sono poi proteine che mantengono assemblate i filamenti di actina:

• Proteine che formano fasci: creano legami crociati fra filamenti di actina disponendoli parallelamente gli uni agli altri.
• Proteine che formano gel: tengono insieme 2 filamenti di actina formando un ampio angolo fra loro, creando così una rete più rada.