Biologia - trasporto intracellulare e movimenti cellulari

Biologia cellulare e molecolare: trasporto intracellulare e movimenti cellulari

Lezione introduttiva

Sitia: Oggi cominciamo a vedere come è fatta una cellula dal punto di vista tridimensionale, come sta insieme, come sa dove si trova, come si orienta nello spazio e come eventualmente decide di andare in un altro mondo, quando viene il momento. Un esempio chiaro di una cellula che deve andare in un altro mondo sono i globuli bianchi, che circolano nelle vostre vene e nelle vostre arterie in questo momento. E ogni volta che detectano una locale situazione di pericolo, un’infezione, un taglio, qualche cosa, sentono delle chiavi chemiotattiche e lasciano il torrente circolatorio per andare a fare il proprio mestiere di globuli. Quindi è ovvio che dovrà esserci un sistema che permette di sentire il “profumo” dell’infiammazione, diciamo, arrestarsi sul bordo di un’arteria o di una vena, facendo quindi una resistenza, una fortissima resistenza al flusso di sangue e passare la barriera endoteliale e navigare verso il luogo di lavoro. Per cui, per fare tutto questo, così come noi abbiamo uno scheletro, nelle cellule esiste il citoscheletro. Si parla normalmente di citomuscoli, che sarebbe la dizione corretta, secondo me. Si parla in generale di motori molecolari e meccanismi che sfruttano energia, in forma di ATP, per generare movimento, e questi movimenti sono forti, sono misurabili in pico-newton. Ci sono una serie di saggi estremamente interessanti e ci sono una serie di applicazioni industriali non irrilevanti, tipo quella di fare dei bio-nanocips, in cui saranno i motori molecolari a stendere i circuiti elettrici in un nanocip. Le implicazioni cliniche vi verranno chiarissime sentendo quello che vi si dice. Se state in piedi con la testa eretta è perché avete dei muscoli che vanno in tensione e reggono, se non tremate come delle foglie, è grazie al fatto che questi motori molecolari sono co-regolati da vie d’accesso.

Dott. Anelli: Voi sapete che la cellula eucariotica è caratterizzata da una compartimentazione, per cui all’interno della cellula eucariotica ci sono tutta una serie di organuli cellulari. La cellula eucariotica è caratterizzata poi dalla presenza del citoscheletro, che non esiste quindi nella cellula batterica, e ha la funzione di mantenere la forma della cellula stessa, che è estremamente importante se pensate ad esempio alle cellule che costituiscono l’epidermide, che devono mantenere una determinata struttura per costituire appunto la vostra pelle. Ma il citoscheletro ha anche un ruolo essenziale per determinare la posizione degli organuli intracellulari. Oltre però ad avere questa funzione statica, diciamo, ha anche una funzione di movimento, per cui, come si diceva prima, è responsabile dei movimenti della cellula, per cui appunto potremmo definirlo citoscheletro oppure citomuscolatura. Proprio per queste due caratteristiche, non è una struttura statica. Vedremo che è una struttura in continuo rimodellamento. Come movimenti cellulari, il citoscheletro serve per il movimento della cellula stessa, per la contrazione muscolare e per la migrazione cellulare. I movimenti cellulari però sono anche movimenti di vescicole all’interno della cellula. Questo appunto è permesso dal citoscheletro. Ne faremo qualche accenno oggi.

Composizione e funzione del citoscheletro

Il citoscheletro è costituito da tre tipi di filamenti proteici. Quindi in ogni cellula abbiamo questi tre tipi di filamenti: filamenti intermedi, microtubuli e microfilamenti. Queste sono delle immagini al microscopio a fluorescenza [figura 1], di una stessa cellula, in cui sono evidenziati con diversi marcatori [diversi colori ndr] filamenti intermedi, microtubuli e microfilamenti. Vedete che hanno una struttura diversa e una posizione diversa all’interno della cellula. Dipende da questo poi la loro funzione.

Microfilamenti e microtubuli sono polimeri di una molecola singola. I microfilamenti sono polimeri di actina, i microtubuli di tubulina. I filamenti intermedi invece sono costituiti da diversi tipi di proteine a seconda della cellula che andiamo ad osservare. Microfilamenti e microtubuli sono caratterizzati da una polarità, cioè si può distinguere, per come sono messe le molecole al loro interno, un’estremità che verrà chiamata (-) e un’estremità che verrà chiamata (+) e questo fa sì che su microfilamenti e microtubuli ci possa essere un movimento, perché il movimento logicamente ha una direzione. Il movimento non è invece possibile sui filamenti intermedi, che servono principalmente per dare resistenza meccanica agli epiteli, per dare resistenza meccanica alle cellule, per mediare le interazioni fra una cellula e l’altra all’interno degli organi e all’interno dei tessuti.

Funzione dei microtubuli

Figura 1.

I filamenti del citoscheletro sono sia strutture di supporto, che linee di trasporto. Il trasporto su queste strutture è permesso da proteine, che sono dette, proteine motori. Sono delle proteine che, sfruttando l’energia derivata dall’idrolisi dell’ATP, generano un movimento. Sono proteine diverse a seconda che il movimento avvenga sui microfilamenti (quindi sull’actina) oppure sui microtubuli [quindi sulla tubulina ndr]. Possono andare in un verso oppure nell’altro. [video... vescicole.1] Si vedono un microtubulo e un organello. Nel momento in cui viene dato ATP, quindi energia, vedete che le varie vescicole si muovono lungo il microtubulo. Alcune si muovono in un senso, altre si muovono nell’altro. Ve ne fa anche vedere una che, essendo dotata di proteine che possono muoversi in un senso oppure nell’altro, a un certo punto cambia direzione. A seconda della proteina che viene utilizzata, la vescicola va in un senso oppure nell’altro. Questo è quello che succede su un microtubulo all’interno di una cellula. Vi può dare l’idea del traffico, dell’affollamento che c’è all’interno di una cellula, quando invece magari la si immagina come qualcosa di fermo e statico: non è assolutamente così.

Struttura dei microtubuli

Adesso iniziamo a guardare i diversi tipi di filamenti che costituiscono il citoscheletro, per cui partiamo dai microtubuli. I microtubuli sono delle strutture rigide, hanno un diametro di 25 nm, sono cave all’interno e il mattone che le costituisce è la tubulina. La tubulina che costituisce i microtubuli è in realtà un dimero, costituito da α-tubulina e da β-tubulina. Entrambe sono in grado di legare GTP. Solo la β-tubulina è però in grado di idrolizzarlo. L’α-tubulina invece lo tiene legato come GTP. Dato che i microtubuli sono costituiti da dimeri continui di tubulina uno di fianco all’altro, questo crea una polarità, per cui abbiamo un polo negativo e un polo positivo. Al polo positivo si ha l’accrescimento più veloce del microtubulo, al polo negativo abbiamo invece l’accrescimento più lento.

Ogni microtubulo è costituito da 13 protofilamenti, cioè da 13 di questi filamenti costituiti da dimeri di α-tubulina e β-tubulina. Questo [figura 2, qui a sx] è come si organizzano i microtubuli all’interno della cellula. Questo che vedete è il nucleo e vedete che i microtubuli si dipartono da una regione localizzata a fianco del nucleo. Questa [figura 3, qui sotto] è la struttura tridimensionale delle tubuline, con α-tubulina e β-tubulina, questo è il GTP legato.

Processi di polimerizzazione e depolimerizzazione

Figura 3.

Le tubuline si associano quindi a dare il protofilamento, 13 protofilamenti danno il microtubulo, che si può vedere al microscopio elettronico. [video ] Quindi l’assemblaggio dei microtubuli parte dalla formazione del protofilamento, più protofilamenti si assemblano e formano il microtubulo. Le subunità di α e β tubulina, vengono quindi inserite nel microtubulo. Nel momento in cui vengono inserite all’interno del microtubulo, sia l’α che la β tubulina hanno legato il GTP. Dopo un momento però la β tubulina idrolizza il GTP a GDP. Per cui avremo che praticamente nella maggior parte del microtubulo, la β tubulina è associata a GDP.

Dove l’accrescimento è più veloce avremo delle regioni in cui la β tubulina sarà associata al GTP. Questo stabilizza la zona positiva del microtubulo. Nella zona negativa, dove invece la β tubulina ha già idrolizzato il GTP a GDP, il microtubulo è più instabile, proprio per la presenza del GDP legato alla β tubulina, per cui da questo lato avremo una regione di depolimerizzazione, da questo [quello positivo ndr] una polimerizzazione. Questo perché, si diceva prima, le strutture del citoscheletro non sono strutture stabili, ma sono strutture in continuo movimento, in continuo rimodellamento.

Domande e chiarimenti

Domanda: Non ho capito il perché dell’instabilità della zona in cui è presente GDP.

La presenza del GDP fa sì che i legami fra i dimeri di tubulina siano più deboli, per cui le subunità di tubulina tendono a disassemblarsi. [Aggiunge il prof. Sitia: Si disassemblano solo alle estremità, non al centro. Cioè, il filamento cresce da una parte e viene distrutto dall’altra. Dà un senso di movimento, praticamente.]

Domanda: Ma hanno lo stesso rateo di crescita e degradazione? Cioè, vanno alla stessa velocità la crescita e la degradazione o una delle due è più veloce?

Allora, la cellula può giocare su questi parametri, a seconda di quello che le serve in quel momento della vita.

Se guardiamo la cinetica di polimerizzazione della tubulina in una provetta, per cui avete la tubulina libera in una provetta, le aggiungete magnesio e GTP, per cui energia, [figura 4, qui sotto] su un’asse abbiamo la quantità di polimero e sull’altro il tempo. L’andamento che si osserva è quello in figura X. Per cui abbiamo una fase di lag: è il tempo che corrisponde alla nucleazione, cioè alla formazione dei primi dimeri o trimeri di tubulina.

Questo vuol dire che questo passaggio è cineticamente sfavorito. Nel momento in cui poi il dimero o il trimero è stato assemblato, abbiamo la fase di crescita. A un certo punto si raggiunge un equilibrio, proprio perché il microtubulo dal lato positivo si allunga, ma dal lato negativo si accorcia. La concentrazione della tubulina libera, in questa fase di equilibrio, viene detta concentrazione critica. Per cui alla fase di equilibrio, non tutta la tubulina è assemblata. Abbiamo comunque della tubulina libera. Se la concentrazione della tubulina libera è maggiore della concentrazione critica avremo quindi l’accrescimento del microtubulo, al contrario, se la concentrazione della tubulina è minore della concentrazione critica, tenderemo ad avere un accorciamento del microtubulo.

Se prendiamo una cellula come un fibroblasto, l’emivita di un microtubulo è circa di dieci minuti. L’emivita invece della tubulina è di venti ore. Questo vuol dire che la tubulina verrà più volte reinserita all’interno di microtubuli diversi. Il fenomeno che si osserva quindi, in questo continuo rimodellamento del microtubulo, viene definito treadmilling, ed è lo stesso che si osserva per l’actina. Per cui abbiamo perdita, all’estremità negativa, di molecole che sono legate a GDP e invece aggiunta, all’estremità positiva, di molecole di tubulina che sono legate a GTP.