Modulo di citologia (3)

Le giunzioni

Le cellule non utilizzano un unico tipo di giunzioni, ma utilizzano un complesso di giunzioni. Una giunzione, in generale, è una struttura che deve garantire un’associazione cellulare stabile nel tempo. La stabilità è indispensabile affinché cellule della medesima tipologia possano organizzarsi tra di loro a formare tessuti e tessuti ben precisi possano interagire tra di loro a formare organi, poi, organi diversi, a costituire sistemi o apparati, per andare a formare un organismo vero e proprio.

Queste associazioni cellulari richiedono strutture molto specializzate, che garantiscano una particolare funzionalità, quindi richiedono specializzazioni strutturali sia a livello della membrana plasmatica (specifiche proteine transmembrana), sia a livello di una componente proteica (quella dei connessori o dei connettori, che creano dei ponti tra la specializzazione della membrana plasmatica, il citoplasma e la componente proteica della matrice extracellulare), sia a livello della matrice extracellulare.

I primi studi che sono stati condotti sulle adesioni cellulari, sono stati fatti in vitro, e sono stati in grado di dimostrare sperimentalmente come una cellula (fibroblasto) con il passare del tempo aderisca e si espanda su un vetrino.

Una disposizione di complesso giunzionale, diverse giunzioni all’interno di un’area ben precisa viene detta le giunzioni si specializzano per unire una cellula con la cellula adiacente e per unire la cellula con le componenti del tessuto sottostante. La componente proteica a livello di una cellula e della cellula adiacente si estende per garantire una stabilità del complesso giunzionale.

Queste giunzioni che si succedono sono, dalla regione apicale alla regione basale, giunzioni strette, impegnate nell’impedire qualsiasi passaggio paracellulare, giunzioni aderenti, desmosomi, che sono il tipo di giunzione più resistente e al connettore si associano i filamenti intermedi, giunzione comunicante, che creano dei veri e propri canali in modo da mettere in comunicazione il citoplasma di una cellula con il citoplasma di un’altra cellula. Il complesso giunzionale garantisce quindi non solo un’adesione cellula-cellula, ma anche una comunicazione citoplasmatica.

Un complesso giunzionale, che contenga tutti questi tipi di giunzioni, è presente nella maggior parte degli epiteli, perché esse devono garantire una specifica adesione e comunicazione cellula-cellula, ma in ogni tessuto le proteine che intervengono cambiano.

Classi di giunzioni

Si distinguono, in particolare, 3 classi di giunzioni:

• Giunzioni occludenti Impediscono il passaggio di materiale negli spazi intercellulari. Si dividono in: giunzioni strette o tight junction, tipiche di tutti gli organismi vertebrati, e giunzioni settate o septate junction (perché sembrano i pioli di una scala), identificate a livello degli invertebrati.
• Giunzioni di ancoraggio o di adesione cellula-cellula Assicurano un’aderenza cellula-cellula, cellula-substrato o cellula-lamina basale. Ne esistono 2 tipologie a seconda della componente citoscheletrica che entra in gioco: giunzioni aderenti (adesione cellula-cellula) e contatti focali (adesione cellula-matrice extracellulare o lamina basale), se sono siti di attacco di microfilamenti, desmosomi (adesione cellula-cellula) ed emidesmosomi (adesione cellula-matrice), se sono siti di attacco di filamenti intermedi.
• Giunzioni comunicanti o giunzioni gap A livello di un complesso giunzionale hanno l’unica funzione di garantire una comunicazione fisica fra le cellule, in quanto si scambiano molecole.

Le giunzioni occludenti

Sono tipiche giunzioni con la finalità di impedire un passaggio paracellulare; in tutte le situazioni in cui un organismo deve costruire un epitelio, e il concetto di epitelio si basa su cellule a mutuo contatto dove la matrice extracellulare è scarsamente presente, una cellula deve essere adesa alla successiva evitando qualsiasi passaggio paracellulare, e per far sì che questo possa avvenire queste giunzioni si costituiscono tra una cellula e quella adiacente in modo tale da creare delle regioni talmente vicine tra di loro che le membrane delle loro cellule adiacenti appaiano come fuse (in realtà non si parla di fusione tra membrane, le 2 membrane sono ben distinte tra di loro, ma ciò che viene ad anastomizzarsi è la componente proteica).

L’unione di queste proteine si ripete in modo costante su tutto il perimetro della cellula (e ovviamente anche su tutto il perimetro della cellula adiacente), ma solo nella regione apicale. Questa tipologia di giunzioni è tipica di tutte le cellule che costituiscono un epitelio.

Se un inquinante ambientale, un farmaco, o qualsiasi molecola esogena all’organismo va ad alterare questo tipo di giunzione, le cellule perdono la loro funzionalità di epitelio, il materiale potrebbe passare seguendo una via paracellulare, e di conseguenza, raggiungere distretti dell’organismo che altrimenti non potrebbe raggiungere (perché non dovrebbe andarci). Quindi è estremamente importante che le giunzioni (tutti i tipi di giunzioni) mantengano la loro integrità.

Si pensa che possano essere alterate soprattutto da nanoparticelle e nanoparticelle, che può raggiungere un bersaglio cellulare molto più velocemente, ma, purtroppo, raggiunge anche altre porzioni che non sono bersagli: diversi materiali nanostrutturati, come nanoparticelle di zinco o di rame, vengono sintetizzate e inserite in moltissimi prodotti come imballaggi degli alimenti, cerotti, creme solari, dentifrici, bagnoschiuma e detergenti, ma essi possono essere molto reattivi non solo nei confronti dei batteri, ma anche dell’organismo stesso; il canale digerente e l’epitelio dell’intestino, ad esempio, sono altamente esposti a questi materiali, e le giunzioni possono risentirne molto, quindi gli epiteli possono perdere la loro integrità.

Le proteine che intervengono in questo tipo di giunzioni sono state scoperte abbastanza recentemente e si è visto che sono localizzate solo al polo apicale della cellula, lungo tutto il perimetro; queste proteine sono l’occludina e la claudina, e hanno come unica funzione quella di creare una barriera per impedire il passaggio paracellulare, non creano un’adesione tra le cellule (perché non c’è nessuna componente citoscheletrica in prossimità di queste proteine).

Occludine e claudine hanno un diametro di circa 3-4 nm, sono proteine transmembrana (quindi bisogna ricordare quale processo di sintesi possa aver fatto in modo che venissero inserite in un punto preciso della membrana); le 2 proteine messe perfettamente in registro sono perfettamente in grado di riconoscersi e di mediare la loro stretta unione.

Queste proteine hanno specifici domini: un dominio intracellulare, quello volto verso il lato citosolico, un dominio che attraversa la membrana plasmatica, e un dominio che si unisce alla proteina corrispondente sulla cellula adiacente. Le particelle che possono arrivare in prossimità delle giunzioni occludenti, incontrando questo blocco, non riescono quindi a passare, eventualmente possono sfruttare specifici trasportatori.

Nella regione sottostante alle giunzioni occludenti, con l’obiettivo di cominciare a garantire un’adesione, sono localizzate le giunzioni di adesione, che vanno a creare la fascia di adesione.

Le giunzioni di ancoraggio

Perché possano svolgere la funzione di ancoraggio di cellule tra di loro, bisogna aspettarsi che ci siano delle robuste unità strutturali su cellule adiacenti; robuste per garantire una tensegrità, strutturali perché devono garantire una struttura corretta a livello di queste giunzioni. Dovendo essere soprattutto robuste, bisogna ricorrere ad elementi citoscheletrici affinché possa esserci un’adeguata connessione, o adesione, cellula-cellula.

A livello degli epiteli, però, non è sufficiente che le cellule aderiscano tra di loro, ma devono anche poggiare su di una lamina basale, quindi esistono giunzioni di ancoraggio cellula-cellula e giunzioni di ancoraggio cellula-lamina basale. Perciò deve essere garantita una connessione tra cellule supportate da elementi citoscheletrici o tra cellula e matrice extracellulare, perché la cellula poggia su di una sottile lamina basale che coincide con una componente extracellulare.

Le giunzioni di ancoraggio cellula-cellula sono fasci di adesione (microfilamenti) o desmosomi (filamenti intermedi), mentre le giunzioni di ancoraggio cellula-lamina sono contatti focali (microfilamenti) o emidesmosomi (filamenti intermedi).

L’esigenza che si viene a creare è quella di unire una cellula con un’altra, tra le cellule c’è uno spazio (minimo), ma che deve essere comunque mantenuto. I componenti che intervengono nella composizione di questo tipo di giunzioni sono: una componente citoscheletrica, un connettore proteico, e una proteina transmembrana.

La proteina transmembrana, su entrambe le cellule, presenta almeno 3 domini: il dominio citoplasmatico, che è in grado di riconoscere e legare il connettore, il dominio che attraversa la membrana plasmatica, e il dominio extracellulare che riconosce il dominio extracellulare della proteina transmembrana della cellula adiacente.

Le giunzioni di ancoraggio quindi oppongono specifiche classi di proteine per potersi costituire, presentano un connettore proteico intracellulare che ancora le proteine transmembrana al citoscheletro e delle proteine linker transmembrana che legano uno o più connettori (dipende dal tipo di giunzione che viene a crearsi, se ci sono più di una proteina connettrice significa che la cellula richiede maggiore specializzazione).

Fasci di adesione o giunzioni aderenti

Si ritrovano a livello degli epiteli e sono localizzati al di sotto delle giunzioni strette. Creano una sorta di fascia che media in molto punti l’adesione tra una cellula e quella adiacente.

C’è una doppia componente proteica: la β-catenina riconosce e lega il dominio citoplasmatico della proteina transmembrana, mentre l’α-catenina riconosce e lega i filamenti di actina. α-catenina e β-catenina si riconoscono tra di loro, si uniscono e creano quindi una struttura di connessione tra proteina transmembrana e filamenti di actina.

Dove c’è la componente citoscheletrica queste proteine transmembrana vengono mantenute in quella regione precisa della membrana plasmatica. Ci sono anche delle molecole di α-actinina che legano filamenti intermedi tra di loro, mantenendo questi fasci ben organizzati, come se creassero ulteriori punti per organizzare anche la componente citoscheletrica.

Così facendo sulla membrana plasmatica della cellula si crea un complesso proteico che va ad unirsi ad un altro complesso proteico situato sulla membrana plasmatica della cellula adiacente. Lo spazio garantito da questa giunzione è di 20-25 nm, e viene mantenuto costante tra la membrana di una cellula e la membrana della cellula adiacente.

Le proteine caderine non esistono in un’unica tipologia, ma si tratta di una famiglia di proteine che appartengono alla classe delle proteine CAM, o proteine di adesione cellulare; le caderine sono estremamente importanti non solo nella formazione dei tessuti epiteliali in un organismo adulto, ma anche perché in un organismo in via di sviluppo ci sono situazioni che cambiano in un intervallo molto breve di tempo e queste proteine intervengono nel mediare questi processi.

Abbastanza recentemente si è scoperto che oltre all’α-catenina e alla β-catenina può essere presente anche la catenina P120, che sembra appoggiata tra la regione citoplasmatica della proteina linker e la β-catenina, la sua funzione è quella di regolare il compito di una giunzione; tutte le volte un epitelio viene sottoposto a trazione, la cellula percepisce quest’azione meccanica, e si pensa che la catenina P120 sia quella che trasduce (recepisce un’informazione e la trasferisce a ciò che sta più in basso) il segnale alla componente citoscheletrica e ai filamenti di actina.

Desmosomi

Anche in questo caso sono presenti delle proteine di adesione, che non vengono però chiamate generalmente caderine, ma desmocollina e desmoglenina (“desmo” sta a significare che sono proteine dei desmosomi). Per ogni proteina transmembrana si individua una componente citosolica alla quale si agganciano 2 connettori proteici.

Ognuna di queste proteine ha un’affinità particolare: la placoglobina si lega alla proteina transmembrana, mentre la desmoplachina si lega ai filamenti intermedi. I filamenti intermedi si legano in modo ben preciso alla proteina desmoplachina, sulla quale si inseriscono, arrivano e tornano indietro, quindi non si tratta di un filamento la cui estremità si inserisce nella proteina connettrice, ma è un filamento intermedio che si ripiega e questo conferisce una maggiore resistenza rispetto a quella data dai filamenti di actina.

Anche in questo caso c’è uno spazio tra le 2 membrane, che viene definito core del desmosoma, è di circa 25-35 nm, e non è uno spazio vuoto, ma è riempito dalle proteine transmembrana (cambiano i nomi, ma fanno sempre parte delle caderine, quindi sono proteine di adesione cellulare).

I connettori sono di 2 tipi: desmoplachina, con la funzione di ancorare i filamenti intermedi, e placoglobina, con la funzione di ancorare la proteina linker. Un esempio di filamenti intermedi che vengono ancorati sono quelli di cheratina, a livello della nostra epidermide. I desmosomi sono indispensabili, oltre che per far aderire una cellula alla cellula adiacente, anche per garantire la resistenza a stiramento e quindi una tensegrità cellulare.

Gli altri 2 tipi di giunzioni non sono giunzioni cellula-cellula, ma sono giunzioni cellula-lamina basale o matrice extracellulare. Si prende in considerazione solo metà complesso giunzionale perché c’è solo metà di una giunzione, perché si considera solo una cellula e non due.

Contatti focali

Sono adesioni che la cellula mette in atto per aderire al substrato utilizzando come componente citoscheletrica i filamenti di actina. C’è bisogno però, dall’altra parte (nella regione extracellulare), di componenti che si agganciano alla proteina transmembrana.

La proteina transmembrana che interviene a creare questa giunzione è un’integrina, una proteina dimerica (occorrono 2 subunità per poter creare la giunzione), che si lega a ligandi extracellulari e a ligandi citoplasmatici, e questi ligandi extracellulari inducono modificazioni conformazionali nella proteina in modo che, modificandosi, sia in grado di legarsi ai filamenti di actina (non direttamente, intervengono infatti diverse proteine che mediano i legami con i filamenti di actina).

L’integrina è una proteina dimerica, a livello della membrana plasmatica le singole subunità sono posizionate vicino, ma non troppo; la cellula in vitro trova le condizioni ideali per la costituzione di contatti focali: le integrine, vicine a livello di una membrana cellulare, si avvicinano e dimerizzano (cioè creano una struttura formata da 2 unità); in un sistema in vivo, invece, nella matrice ci sono fibre collagene, le quali mediano l’unione delle integrine e ne facilitano la dimerizzazione, oppure può intervenire un’altra proteina che è la fibronectina.

Sul lato citoplasmatico, invece, devono intervenire delle proteine accessorie, perché la dimerizzazione non è altrettanto efficiente, ma si deve comunque fare in modo che le integrine si ancorino ai filamenti di actina, per questo intervengono le proteine accessorie.

Perciò i contatti focali si creano grazie a proteine transmembrana, che sono le integrine e necessitano di componente citoscheletrica, che sono i filamenti di actina, il tutto mediato da molecole di fibronectina e fibre collagene, sul lato extracellulare, e da proteine che mediano il legame proteina linker-filamenti di actina, sul lato citoplasmatico.

Sono delle strutture altamente dinamiche perché nel momento in cui una cellula sta per completare la mitosi, e deve quindi generare 2 cellule figlie, si disassemblano, ma si ricostituiscono poi nel momento in cui la cellula si è completamente divisa e si sono formate le 2 cellule figlie.

Emidesmosomi

Si possono definire come “metà di un desmosoma”, ma bisogna tenere presente che questo vale per tutto ciò che comporta la componente cellulare, mentre nell’ambiente extracellulare le proteine che intervengono possono essere diverse.

Si possono considerare come componenti di un emidesmosoma i filamenti intermedi, le 2 placche proteiche, che contengono anche un’altra proteina chiamata plectina, e le proteine transmembrana, che sono anche qui le integrine (stessa proteina linker dei contatti focali): le integrine sono le uniche proteine transmembrana presenti, sul lato citoplasmatico prendono contatto con placche proteiche contenenti plectina a cui si ancorano i filamenti intermedi, mentre con la porzione extracellulare prendono contatto con componenti della matrice (es. laminina).

Nell’ambiente extracellulare si trova anche in questo caso la componente delle fibre di collagene, oltre alle fibre elastiche e alle fibre reticolari (ma queste 2 componenti non sono molto abbondanti). Integrine e fibre collagene si uniscono tra di loro grazie alla mediazione delle molecole di laminina (altra componente proteica), che fanno da ponte tra queste 2 componenti.

Gli emidesmosomi sono dei veri e propri punti, distribuiti in modo costante a livello della regione basale di una cellula verso la sua lamina basale, sono quindi dei siti altamente specializzati che garantiscono un’adesione efficiente, visto che entrano in gioco i filamenti intermedi e mantengono quindi la cellula adesa alla sua stessa lamina.

Le giunzioni comunicanti o giunzioni gap

Hanno una funzione completamente diversa rispetto alle precedenti, svolgono un ruolo molto importante, quello di mettere in contatto il citoplasma delle cellule. Nel momento in cui queste giunzioni si aprono, ciò che sta nel citoplasma di una cellula (per esempio ioni) può passare nel citoplasma del