Citologia i microtubuli

I MICROTUBULI

Il microtubulo è una struttura cava; se noi guardiamo la sezione trasversale si vede che la parete del

microtubulo è composta da 13 sferette che in realtà sono 13 filamenti che costituiscono la parete del

microtubulo e si chiamano protofilamenti. Quindi ogni microtubulo, salvo eccezioni, ha una parete formata

da 13 protofilamenti. Il protofilamento è a sua volta formato dall’unione di più molecole (dipende da

quanto è lungo il protofilamento e quindi il microtubulo), l’unità costitutiva è la molecola di tubulina, una

proteina eterodimerica, cioè dal punto di vista della costituzione aminoacidica ci sono molte similitudini ma

le due catene polipeptidiche non sono esattamente uguali, hanno delle differenze per cui ci troviamo

davanti a proteine simili ma non uguali, una si chiama α-tubulina e l’altra β-tubulina. Quindi l’unità

costitutiva è l’eterodimero, questo vuol dir che se noi in concreto andiamo a ricercare α e β-tubulina

separate tra loro non le troviamo, quindi quando un microtubulo si disassembla si ricavano eterodimeri di

tubulina, non singole molecole. C’è una successione ordinata di eterodimeri di tubulina e troveremo che i

microtubuli sono strutture polarizzate che non vuol dire che ci sia una carica elettrica ma diversità

chimiche; per differenziare le due estremità si usa dire che una è un’estremità positiva e l’altra negativa ma

non in senso elettrostatico. La polarizzazione esprime una diversità, non una carica elettrica.

Come viene costruito un microtubulo? Passa attraverso delle fasi.

1. Per costruire un microtubulo la cellula ha bisogno di mattoni che sono gli eterodimeri di tubulina,

quindi dovrà mettere in atto delle sintesi proteiche della tubulina. La cellula prende più eterodimeri

e li unisce tra di loro formando oligomeri.

2. Questi vengono uniti fra di loro e si formano i protofilamenti, che sono 13

3. La prima cosa che fa la cellula è disporre i 13 protofilamenti su un piano come un foglio di carta

4. Dopodichè il foglio si richiude su se stesso a formare un tubulo

5. Cominciano ad attaccarsi o staccarsi eterodimeri (perché sono instabili). Entrambe le estremità

possono essere allungate o accorciate con l’aggiunta o sottrazione di eterodimeri. Questo avverrà

con velocità diverse a seconda dell’estremità.

POLIMERIZZAZIONE E DEPOLIMERIZZAZIONE DELLA TUBULINA

Se io ho un microtubulo bello assemblato e nel citosol, dove il calcio è a bassissima concentrazione, io ho

2+ 2+

un aumento di Ca , i microtubuli in quella sede cominciano a depolimerizzare. L’incremento di Ca

2+

governa la depolimerizzazione. Se io abbasso la quantità di Ca , lo riporto nel REL dove sta solitamente, è

chiaro che la razione si inverte. Ci sono anche dei fattori, come la temperatura in abbassamento (non negli

omeotermi) che può portare alla depolimerizzazione dei microtubuli. Lo ione magnesio e la presenza di

GTP, guanosintrifosfato, che ha un significato energetico nella reazione, lo porta verso destra, polimerizza,

o vero sinistra, depolimerizza. La reazione procede verso destra se c’è un’adeguata quantità di tubulina

libera nel citosol, se non c’è la relazione non viene mai innescata e anzi tende a innescare la

depolimerizzazione di altri microtubuli. Questo vuol dire che il citosol deve avere livelli adeguati di tubulina

libera senza i quali la reazione non può avvenire. Questo valore limite si chiama concentrazione critica di

tubulina libera. Al di sopra del valore si possono formare, al di sotto depolimerizzano i microtubuli

preesistenti.

Il citoscheletro è più simile ad un apparato locomotore, costituito da scheletro, muscoli, che si collegano

allo scheletro tramite i tendini così da dargli la possibilità di muoversi. La parola citoscheletro può dare

l’impressione che si abbia solo un’impalcatura per la cellula ma in realtà contribuisce anche al movimento.

Il citoscheletro è un sistema integrato, non bisogna considerare i componenti come a se stanti. I

microtubuli, che possiamo paragonare allo scheletro portante, sono caratterizzati da un grande dinamismo

rappresentato dalla reazione, condizionata da vari fattori sopracitati. Il primo fattore, critico, è che ci sia

una concentrazione di tubulina libera nel citosol adeguata a far partire la reazione.

È stato dimostrato in vitro che il GTP ha una grossa affinità per l’eterodimero di tubulina. Si dimostra che ha

grande affinità per entrambe le componenti, l’α e la β-tubulina però è stato evidenziato che mentre il GTP

che si lega all’α non viene mai idrolizzato, quello che si lega alla subunità β può essere idrolizzato e quindi

divenire GDP. Questo, ma non solo, contribuisce a determinare la polarità dei microtubuli, che conferisce

diversità chimica alle due estremità.

Come influisce il GTP in questo equilibrio? Quando osserviamo un microtubulo ci troviamo di fronte a due

tipi di reazioni, ognuna delle quali va per conto suo anche se sono parallele. Da un lato abbiamo la

polimerizzazione in senso stretto cioè la possibilità che degli eterodimeri di tubulina si aggiungano al

microtubulo per farlo allungare. Un’altra reazione è che il GTP possa essere idrolizzato e quindi convertirsi

in GDP e fosfato inorganico. Idrolisi significa rompere i legami ad alta energia che come nell’ATP sono

presenti nel GTP. Tutte le reazioni chimiche possono avere una velocità diversa che può essere influenzata

in vari modi. Qua, quando la velocità di polimerizzazione è maggiore di quella con cui si manifesta l’idrolisi

del GTP allora il microtubulo tende a essere stabilizzato quindi nell’unità di tempo è probabile trovare

molecole di tubulina con GTP legato e non ancora idrolizzato. Questo stabilizza il microtubulo, ne permette

la polimerizzazione in quanto c’è un’aggiunta molto forte di eterodimeri e quindi si forma il “cappuccio” di

GTP che non solo è stabilizzato ma si può allungare. Viceversa quando succede che l‘idrolisi del GTP

procede più velocemente di quella che è la possibilità di aggiunta di eterodimeri alle estremità del

microtubulo succede che il microtubulo tende a depolimerizzare perché prende il sopravvento la velocità di

idrolisi del GTP però di fatto, nell’unità di tempo che vado a valutare, gli eteodimeri di tubulina non sono

legati a GTP ma a GDP e questo rende il microtubulo instabile e tende a depolimerizzare per accorciarsi fino

addirittura a scomparire.

Qual è il fattore che può condizionare la velocità? La concentrazione di tubulina libera; quindi di fatto

l’instabilità dinamica è data dalla concentrazione di tubulina libera. Quando c’è una quantità elevata, molto

al di sopra del valore soglia di tubulina libera, nel citosol, che la cellula può costruire attraverso la sintesi

proteica è chiaro che la reazione di polimerizzazione viene alimentata continuamente e aumenta la velocità

di reazione rispetto a quella dell’idrolisi. Viceversa, quando la tubulina libera scende al di sotto di un certo

valore soglia, a quel punto non solo non può essere alimentata la reazione ma addirittura la reazione viene

spostata verso sinistra e si ha la depolimerizzazione perché se valuto la situazione chimica in quella data

estremità trovo che statisticamente è più probabile trovare eterodimeri di tubulina con GDP legato che con

GTP, quindi questo porta alla scomparsa o comunque all’accorciamento del microtubulo. Quindi è

l’equilibrio tra queste due reazioni in termini di velocità che in ultima analisi viene influenzata dalla

2+

concentrazione di tubulina libera. Sempre che ci sia poco Ca e tutto il resto. Ci sono diverse variabili.

Questi fenomeni avvengono in entrambe le estremità anche se con velocità diverse, sono più veloci in

quella positiva. Quando però questa polimerizzazione avviene solo nell’estremità positiva e la

depolimerizzazione solo nell’estremità negativa siamo di fronte a un particolare fenomeno detto

treadmilling, che vuol dire mulinello. Una traduzione migliore può essere tapis roulant. Possiamo marcare

con vari metodi le singole subunità e si vede che se la cellula in quel microtubulo sta operando il

treadmilling, quindi c’è solamente aggiunta all’estremità positiva e solo depolimerizzazione all’estremità

negativa. In pratica ciò che si aggiunge scala fin alla fine e poi si stacca e riattacca all’altra estremità.

Interpretazione più ovvia è che questo sia un sistema per rinnovare continuamente i costituenti del

microtubulo quindi aggiungere sempre nuovi eterodimeri di tubulina. L’altra ipotesi è che siccome la cellula

può agganciare proteine alla tubulina che a loro volta agganciano microvescicole veramente piccole o

aggregati di macromolecole che devono essere portati da un punto all’altro della cellula usando i

microtubuli come strade.

Come si manifesta questo particolare fenomeno che prevede esclusivamente l’attacco a destra e il

distacco a sinistra? È stato visto che anche questo è influenzato dalla concentrazione critica di tubulina

libera nel citosol perché è stato dimostrato che le due estremità, in relazione alla diversità chimica, hanno

anche esigenze diverse dei valori di concentrazione di tubulina libera. Quindi il terminale positivo per poter

polimerizzare si accontenta di un certo valore limitato al di sopra della soglia critica, mentre l’estremità

negativa, per poter mettere in atto la polimerizzazione che può avvenire anche qui, ha necessità di un

valore di concentrazione maggiore, quindi se la quantità di tubulina libera comincia a scendere nella cellula,

ne risente per prima l’estremità negativa. Ovviamente se il valore scende ancora ne risentirà anche

l’estremità positiva e alla fine scomparirà il microtubulo. Quindi il treadmilling si manifesta quando si ha

una progressiva discesa del valore di concentrazione di tubulina libera, comincia a scendere, ne risente

prima (perché più sensibile) l’estremità negativa, continuerà ad esserci aggiunta di eterodimeri

all’estremità posistiva, se la quantità di tubulina libera scende ancora neanche l’estremità positiva potrà

polimerizzare e ne conseguirà il collasso. La situazione intermedia genera il treadmilling.

Domanda d’esame: da cosa può essere generato il treadmilling a livello dei microtub