Appunti biologia molecolare e cellulare, testo di riferimento "Biologia molecolare della cellula di Bruce Alberts 6°ediz" docente Corrado Garbi

GTP.

Se la velocità di aggiunta di subunità è lenta,

• l'idrolisi si può verificare prima dell'aggiunta della

successiva subunità e la punta del filamento sarà

allora nella forma D

Treadmilling

Se la concentrazione delle subunità in

soluzione è intermedia( più alta della

concentrazione critica della forma T,

cioè dell'estremità più, ma più bassa

della concentrazione critica della forma

D, cioè dell'estremità meno) si può

verificare il fenomeno del treadmilling,

in cui la velocità di aggiunta

all'estremità più è uguale alla velocità di

disassemblaggio all'estremità meno.

L'idrolisi di ATP o GTP permette una

variazione di energia libera che consente

la reazione in quanto questo processo

richiede un consumo costante di energia.

La lunghezza totale del filamento nel

treadmilling è costante (treadmilling allo

stato stabile)

Instabilità dinamica

Se la velocità di aggiunta è simile alla velocità di idrolisi è

possibile che queste velocità si mettano in pari e che l'estremità

più assuma la forma D. Si ha dunque la rapida interconversione

tra uno stato di crescita e uno di accorciamento (instabilità

dinamica). I cambiamenti verso l'accorcimento si chiama

catastrofe mentre quello verso la crescita si chiama salvataggio.

Differenze strutturali

Le differenze strutturali tra l'estremità D e quella T è notevole: la

forma T favorisce la formazione di filamenti dritti con forti

contatti laterali tra loro mentre la forma D favorisce la

formazione di protofilamenti curvi. Quando le estremità di un

microtubulo hanno oramai idrolizzato GTP, esse non appaiono più

curve ma si arricciano a causa del distacco dei protofilamenti tra

loro.

Nella maggior parte dei microtubuli prevale l'instabilità dinamica

mentre nei filamenti di actina generalmente prevale il

treadmilling.

Filamenti intermedi

Formano filamenti citoplasmatici solo in alcuni metazoi, tra cui vertebrati e molluschi e non in tutti i tipi cellulari. Per

esempio, le cellule gliari dei vertebrati non ne presentano. Essi sono particolarmente importanti in cellule soggette a

sollecitazioni meccaniche e possono piegarsi facilmente grazie alla loro struttura a corda. Sono evolutivamente correlati ai loro

antenati, le lamine nucleari. Struttura

I singoli polipeptidi dei filamenti intermedi sono

molecole allungate con un dominio centrale esteso ad α

elica che forma un coiled coil parallelo con un altro

monomero. Due coppie di dimeri paralleli si associano

in modo antiparallelo a formare un tetramero sfalsato

che rappresenta la subunità solubile. I tetrameri si

uniscono tra loro a formare il filamento che comprende

otto protofilamenti paralleli composti da tetrameri.

Ciascun filamento intermedio ha una sezione

trasversale di 32 singoli avvolgimenti a α elica.

Le subunità dei filamenti intermedi non contengono nucleosidi trifosfati. E poiché un tetramero è costituito

da due dimeri che puntano in direzioni opposte, le estremità sono le stesse. Probabilmente la fosforilazione

delle proteine regola il loro disassemblaggio in cellule in cui si presentano dinamici come nel caso dei

fibroblasti ( come nel caso della vimentina ).

Cheratine e neurofilamenti

I filamenti intermedi si trovano in una grande varietà di tipi a seconda del tipo di cellula. Un dominio centrale ad α-elica ha

circa 40 eptadi ripetute che formano un coiled coil esteso: questo dominio è comune a molte isoforme ma i domini N- e C-

terminali possono variare di molto

Cheratine: cellule epiteliali, capelli, unghie. Sono composte da due catene di cheratina di tipo I (acido) e di tipo II

 (neutro) che formano eterodimeri due dei quali si uniscono per formare la subunità tetramerica. Reti di cheratina sono

tenute insieme da legami disolfuro. Una cellula epiteliale può produrre diverse cheratine che si assemblano a formare

una rete che conferisce resistenza meccanica ai tessuti epiteliali ancorando i filamenti a strutture quali desmosomi ed

emidesmosomi. La diversità tra le cheratine (ne esistono circa 20 tipi) è clinicamente importante per la diagnosi dei

cancri epiteliali (carcinomi).

Epidermiolisi bollosa semplice: cheratine difettose nello strato basale dell'epidermide – si formano vescicole in

risposta a stress meccanici che rompono le cellule basali.

Neurofilamenti: si trovano in alte concentrazioni negli assoni dei neuroni ed esistono in tre forme (NF-L, NF-M e

 NF-H). Il livello di espressione dei geni del neurofilamento sembra controllare direttamente il diametro dell'assone che,

a sua volta, controlla la velocità di trasmissione del segnale.

Sclerosi laterale amiotrofica (SLA o malattia di Lou Gehrig): accumulo e assemblaggio anormale dei

neurofilamenti nei corpi cellulari e nell'assone dei motoneuroni che interferiscono con il normale trasporto lungo

l'assone. La degenerazione dell'assone porta a stanchezza e atrofia muscolare.

Filamenti simili a vimentina come la desmina (muscolo scheletrico, cardiaco e liscio)



I filamenti di actina e tubulina sono bersaglio frequente di tossine naturali come la latrunculina (si lega ai monomeri di actina

e impedisce che essi polimerizzino) , la falloidina (si lega ai filamenti di actina e li stabilizza); la colchicina (si lega alla

tubulina libera e le impedisce di polimerizzare), il taxolo (si lega ai microtubuli e li stabilizza). Queste modificazioni sono

letali per la cellula e sono spesso sfruttate per la terapia dei tumori.

Nucleazione microtubuli γ-tubulina

La γ-tubulina ha un ruolo fondamentale nella nucleazione e nella crescita dei

microtubuli. Essi sono in genere nucleati in una posizione intracellulare specifica

chiamata MTOC (centro organizzatore dei microtubuli) e sono nucleati a partire dalla

loro estremità meno, con l'estremità più che cresce verso l'esterno. Un complesso ad

anello di γ-tubulina (γ-TuRC) è capace di nucleare microtubuli in provetta; si pensa

quindi che questo anello sia la base per formare la struttura a 13 protofilamenti.

Centrosoma e centrioli

Nella maggior parte delle cellule animali c'è un MTOC

ben definito chiamato centrosoma da cui i microtubuli si

estendono in una conformazione astrale per sorvegliare

le regioni periferiche della cellula.

Nucleazione microfilamenti

Corteccia cellulare

La nucleazione dei filamenti di actina avviene generalmente sulla membrana plasmatica o nelle sue vicinanze di conseguenza la densità dei

filamenti di actina è maggiore verso la periferia della cellula, definendo una corteccia cellulare che determina forma e locomozione della

cellula attraverso microvilli, stereociglia filipodi e lamellipodi

La nucleazione dei filamenti di actina sulla membrana plasmatica è spesso regolata da segnali extracellulari. Due fattori di regolazione alla

nucleazione dei filamenti di actina sono il complesso ARP e le formine.

Complesso ARP

Comprende due proteine correlate strutturalmente ( 45%) all'actina ( ARP 2 ed ARP 3 ).

Il complesso può legarsi a lato di un filamento di actina formando una struttura ad albero

nucleando più efficacemente. Il complesso ARP lo troviamo nel bordo avanzante di cellule che

migrano.

L'attivazione regolata del complesso ARP può portare all'assemblaggio di reti ramificate simili a

gel; talvolta si incontrano strutture costituite da filamenti di actina non ramificati.

Formine

Proteine dimeriche che sono in grado di nucleare la crescita di

filamenti dritti paralleli privi di ramificazione; ogni subunità si lega

ad un monomero di actina ed il dimero rimane associato

all'estremità più permettendo il legame di nuove subunità.

Allungamento microfilamenti e microtubuli

Timosina

Blocca i monomeri di actina impedendo loro di associarsi con le estremità e di idrolizzare il nucleotide. Vengono sbloccati

attraverso l'interazione della profilina. Profilina

Compete per il sito di legame della timosina e si lega all'estremità dell'actina al

lato opposto al sito di legame per ATP impedendo al monomero di associarsi

all'estremità meno e lasciando libero il sito di legame all'estremità più. Il legame al

filamento di actina riduce l'affinità del monomero per la profilina, causando la

separazione tra i due. Se l'actina è legata alle formine, è ancora più importante

l'interazione della profilina.

I meccanismi che regolano l'azione della profilina sono diversi (fosforilazione e

attacco a inositolo fosfolipidi) e servono a definire i siti in cui agisce la profilina.

Essa è normalmente legata ai fosfolipidi acidi della membrana ove segnali

extracellulari possono indurre la rapida polimerizzazione dei filamenti di actina.

La profilina si lega particolarmente a proteine con domini ricchi di prolina

(anch'esse possono servire a localizzare i filamenti di actina)

Statmina

Si lega a due eterodimeri di tubulina e gli impedisce di polimerizzare. Diminuisce la concentrazione effettiva di tubulina

disponibile per polimerizzare (azione simile a quella della colchicina). Inoltre la stamina aumenta la probabilità che un

microtubulo in crescita vada verso lo stato di accorciamento.

Regolazione lunghezza e comportamento dinamico

In alcune condizioni intracellulari, la cellula può dover rompere un filamento per permettere ai frammenti che si formano di

polimerizzare altrove.

Katanina

Una proteina fondamentale che permette la rottura del microtubulo ( ossia 13 legami longitudinali ) costituita da 2 subunità

di cui una più piccola che idrolizza ATP ed esegue il taglio e una più grande che dirige la katanina al centrosoma. La

katanina rilascia i microtubuli ad un centro organizzatore dei microtubuli e si pensa abbia un ruolo particolarmente

cruciale nella depolimerizzazione dei microtubuli osservata ai poli del fuso.

Gelsolina

Il taglio dei filamenti di actina invece non richiede ATP ed è operato da membri della superfamiglia della gelsolina la cui

attività di taglio è attivata dal calcio citosolico. La gelsolina lega da un lato il filamento di actina mentre un secondo

dominio è normalmente nascosto dietro i legami longitudinali del filamento. Quando le fluttuazioni termiche dissociano

due subunità adiacenti, la gelsolina si inserisce tra esse, impedendo loro di legarsi nuovamente.

Stabilizzazione e destabilizzazione filamenti

Diverse proteine sono coinvolte nella stabilizzazione o destabilizzazione dei filamenti.

MAP (proteine associate ai microtubuli)

Proteine bersaglio di chinasi (principalmente quelle coinvolte n