Biologia cellulare - Appunti

CITOSCHELETRO

Da struttura, mobilità e robustezza alla cellula; permette la divisione in due durante la

mitosi e lo spostamento di organuli e particelle. Tutto questo grazie a tre famiglie di

proteine che formano i principali tipi di filamenti: filamenti intermedi, che forniscono forza

meccanica, microtubuli, che dirigono il trasporto cellulare e determinano la posizione degli

organelli, e filamenti di actina, che determinano la forma della cellula e ne aiutano la

locomozione. Sono fondamentali anche le proteine accessorie, che permettono ai filamenti

di legarsi ad altri componenti della cellula e di cui fanno parte i motori proteici.

Filamenti di actina: polimeri elicoidali a due filamenti della proteina actina, un monomero

su cui c'è un sito di legame per ATP o ADP; le subunità si assemblano testa-coda per

formare filamenti con una polarità strutturale distinta; vanno a formare fasci lineari, reti

bidimensionali e gel tridimensionali. Si trovano maggiormente subito sotto la membrana

plasmatica. La nucleazione avviene sulla o vicino alla membrana plasmatica e ne

determinano la forma e il movimento; è spesso regolata da segnali esterni. La proteina

coinvolta è la ARP che fa in modo che il filamento cresca dall'estremità più, ma è più

efficace se è attaccata ad un lato di un vecchio filamento. Le Arp2 e Arp3, se non è

presente un fattore di attivazione, sono in uno stato conformazionale tale che non

permette la nucleazione; quando si unisce un fattore si uniscono in una nuova

conformazione che permette la nucleazione. Le formine, una famiglia di proteine

dimeriche, inducono la formazione di fasci paralleli e dritti di actina, che si possono unire

fra loro mediante altre proteine per formare fasci paralleli, e rimangono attaccate

all'estremità più per permettere l'allungamento del filamento. Alcune proteine impediscono

la polimerizzazione dei filamenti, come la timosina, che quando è legata a monomeri di

actina non permette loro di legarsi alle estremità più e meno del filamento. La profilina

invece blocca la parte del monomero di actina che si legherebbe all'estremità meno e

lascia libera l'altra, permettendo al complesso profilina-actina di legarsi al filamento, che in

seguito ad un cambio conformazionale perde affinità per la timosina, lasciando solo il

monomero di actina legato. La profilina si trova sulla faccia citosolica della membrana

plasmatica e può essere regolata da meccanismi come la fosforilazione della profilina e

l'attacco della profilina a inositolo fosfolipidi. Ci sono proteine che formano fasci (la

fimbrina, l'alfa-actina e la villina, con connessioni dritte e rigide fra i due domini) e altre che

formano gel (la filamina e la spettrina, quest'ultima presente nei globuli rossi). Alcune di

queste proteine si legano anche alla membrana plasmatica. ERM si lega all'actina con il

dominio C-terminale e alla faccia citoplasmatica di proteine transmembrana con il dominio

N-terminale. La proteina ERM si trova in due conformazioni: una attiva in cui lega i due

domini e una inattiva e ripiegata in cui i due domini sono tenuti insieme da un'interazione

intramolecolare. Può passare alla conformazione attiva grazie alla fosforilazione o al

legame con PIP2.

Microtubuli: lunghi cilindri cavi composti dalla proteina tubulina, essa stessa formata da

due proteine globulari, alfa-tubulina e beta-tubulina, legate da legami non covalenti; alla

prima è legato un GTP che diventa parte integrante della proteina, cioè non viene

scambiato nè idrolizzato, alla seconda può essere legato GTP o GDP e sono scambiabili.

Un microtubulo è formato da 13 protofilamenti, ciascuno composto da molecole alternate

di alfa-tubulina e beta-tubulina. La cima di una beta-tubulina si lega al fondo di una alfa-

tubulina e i legami laterali sono tra monomeri dello stesso tipo. Le subunità alfa sono

esposte all'estremità meno, e le subunità beta all'estremità più (cresce e si accorcia più

velocemente); più rigidi degli altri filamenti; sono collegati con un'estremità ad un

centrosoma. Le subunità sono tenute assieme da legami longitudinali. Sono nucleati da un

centro organizzatore dei microtubuli (MTOC, che si chiama centrosoma nella maggior

parte degli animali, e che si trova nelle vicinanze del nucleo), in cui è coinvolta la gamma-

tubulina, l'estremità più cresce verso l'esterno da ciascun MTOC. Il centrosoma è formato

da una matrice del centrosoma che contiene molti complessi ad anello di gamma-tubulina

e dai centrioli, strutture cilindriche formate da 9 triplette di microtubuli modificati e altre

proteine accessorie, che organizzano la matrice e che si dispongono con le estremità più

verso la periferia della cellula. Il centrosoma regola la formazione del fuso mitotico in

quanto ci sono tre tipi di microtubuli che interagiscono per far si chè i cromosomi vengano

segregati correttamente. Prima della divisione cellulare i centrioli si posizionano ad angolo

retto; nella fase S si forma un centriolo figlio, perpendicolare ad ogni centriolo originario,

cosicchè si possa avere una coppia di centrioli in ogni cellula figlia; nella profase mitotica i

due centrosomi, formatisi dopo la duplicazione dei centrioli,iniziano a formare il fuso

mitotico in cui i microtubuli avranno il compito di fare in modo che i cromatidi fratelli

segreghino correttamente. Anche qui la tubulina libera ha un'alta concentrazione ma non

si può legare ai filamenti a causa della statmina, che si va a legare a due eterodimeri di

tubulina impedendone il legame. La statmina può provocare la transizione verso lo stato di

accorciamento se non è fosforilata in tempo.

Filamenti intermedi: si trovano nei metazoi, cioè molluschi e nematodi. Sono correlati alle

lamine nucleari, proteine filamentose che formano un reticolo che ricopre la membrana

interna dell'involucro nucleare, dove formiscono ancoraggio per i cromosomi e i pori

nucleari. Simili a corde perchè, essendo sfalsate le singole subunità, sopportano

stiramenti e piegature. I singoli peptidi sono molecole allungate con un dominio centrale ad

alfa-elica che forma un coiled coil parallelo con un altro monomero; due coppie di dimeri

paralleli si legano in modo sfalsato andando a formare un tetramero, che è la subunità

solubile analoga al monomero di actina e al dimero di alfa/beta-tubulina; non sono presenti

siti di legame per un nucleoside trifosfato nè polarità strutturale globale. I tetrameri si

legano lateralmente per formare 8 protofilamenti paralleli che danno il filamento

intermedio. La famiglia più diversificata è quella delle cheratine, di cui 20 tipi sono presenti

in diverse cellule e 10 sono specifiche di capelli e unghie. I filamenti di cheratina

conferiscono resistenza meccanica ai tessuti epiteliali in quanto si ancorano agli

emidesmosomi e ai desmosomi. Formano fasci più grandi per autoassociazione oppure

grazie alle filaggrine e alla plectina, proteine accessorie, formano legami crociati

fondamentali per sopportare gli stress meccanici.

Sia l'actina che la tubulina possono catalizzare l'idrolisi diun nucleoside trifosfato, ATP o

GTP; questo avviene più velocemente se le subunità si trovano nei filamenti. Appena una

subunità è incorporata si ha idrolisi di un nucleotide e quindi rimane legato il nucleoside

difosfato e viene rilasciato un gruppo fosfato libero. Esistono così due strutture dei

filamenti: una forma a T e una forma a D. La forma T ha una maggiore tendenza

all'assemblaggio e l'estremità più ha questa conformazione, al contrario della forma a D,

perchè la concentrazione critica di D è maggiore. Inoltre, se la concentrazione di subunità

libere è intermedia tra le altre due, il filamento aggiunge subunità all'estremità più e le

dissocia all'estremità meno secondo la caratteristica del treadmilling. Se un'estremità a

forma T, dopo essere cresciuta, passa alla forma D perchè perde il cappuccio di GTP,

inizia ad accorciarsi e porta ad una catastrofe. Se avviene il contrario, e quindi si può

ripristinare il cappuccio di GTP, si ha un salvataggio. Si parla quindi di instabilità dinamica.

Nei microtubuli le estremità con forma a T producono protofilamenti dritti, che stabiliscono

contatti laterali forti e regolari; le estremità D fanno subire cambiamenti conformazionali

che portano alla curvatura dei protofilamenti. Il rilascio dell'energia di idrolisi accumulata

durante la formazione dei microtubuli permette il distacco di protofilamenti arricciati. Se il

filamento cresce velocemente alle estremità si crea un cappuccio di ATP o un cappuccio di

GTP, perchè è più probabile che una nuova subunità si unisca prima che il nucleotide della

subunità precedente sia stato idrolizzato.

In tutti e tre, le subunità proteiche sono tenute assieme da deboli legami non covalenti

perlopiù lateralmente, per andare a formare protofilamenti. È necessario che

l'aggregazione inizi da un nucleo, che si forma con il processo di nucleazione, e prosegua

con l'aggiunta di nuove subunità, per arrivare ad una fase stabile, in cui il numero di quelli

che si assemblano è uguale al numero di quelli che si dissociano.

A volte i filamenti possono rompersi in filamenti più corti, mettendo a disposizione più

estremità; nei microtubuli agisce la katanina, che deve rompere 13 legami longitudinali. È

formata da due subunità, una più piccola che idrolizza ATP ed esegue il taglio, e l'altra che

la dirige verso il centrosoma. Per tagliare filamenti di actina non è necessaria energia

extra, basta che a causa di una fluttuazione termica le subunità si stacchino un pò perchè

la gelsolina insinui uno dei suoi domini.

Alcune proteine (MAP) possono legarsi ai lati del microtubulo per stabilizzarlo o

destabilizzarlo, ma possono anche mediare l'interazione tra microtubuli, avendo un

dominio che si lega e uno che sporge possono influenzare la compattezza dei legami in

base alla lunghezza del loro dominio (come MAP2 e tau). La tropomiosina si attacca a

sette subunità adiacenti di actina e può impedire l'interazione con altre molecole; la cofilina

si lega sia al filamento sia all'actina libera; nel primo caso per farlo stringere di più

cosicchè lo stress meccanico renda le subunità più facili da allontanare. In presenza di

proteine cappuccio all'estremità più, come il CapZ, il filamento di actina si allunga e si

accorcia più lentamente. L'estremità meno può rimanere attaccata ad un ARP che funge