Citologia - citoscheletro e Microtubuli

MICROTUBULI (+ introduzione motori proteici)

Il nome microtubuli, uno dei tre tipi di filamenti citoscheletrci, deriva dalla loro struttura: in

microscopia elettronica appaiono come dei piccoli tubi con un diametro di 25 nanometri e sono il

tipo di filamenti citoschelettrici più grandi: infatti i microfilamenti hanno diametro di 10nm, e i

filamenti intermedi hanno un diametro intermedio.

I microtubuli rappresentano l’impalcatura su cui si costruisce la struttura cellulare: si può dire che la

forma della cellula è data da come è impostata la struttura dei microtubuli.

Lo scheletro dei microtubuli è quindi fondamentale per il mantenimento della forma stessa della

cellula: fibroblasti e neuroni, hanno microtubuli organizzati in maniera differente!

Nonostante costituiscano un’impalcatura, i microtubuli non sono strutture rigide, ma dinamiche!

Servono infatti per la vita della cellula, e la cellula ha la caratteristica di modificare la propria forma

in base alle necessità funzionali.

Ad esempio, dal cono di accrescimento, durante lo sviluppo dei neuroni, l’assone deve spostarsi,

muoversi, cercando le cellule bersaglio, e questo richede una struttura dentro la cellula che deve

modificarsi costantemente; questa modificazione, che impatta sulla direzione in cui è rivolto

l’assone, deriva da un costante rimodellamento del citoscheletro, dei microtubuli, quindi essi vanno

incontro a polimerizzazione e dissociazione.

I microtubuli sono connessi con gli organelli e le strutture vescicolari all’interno del citoplasma, e si

connettono ad esse grazie ai motori proteici, fondamentali per la direzionalità del movimento delle

strutture membranose, delle vescicole, e della disposizione del Golgi.

Sono importanti anche per la MITOSI: essi formano strutture transitorie che catturano i cromosomi

dopo la rottura del nucleo, permettendo l’allineamento nella struttura mediale e la successiva

divisione nelle due cellule figlie. Queste strutture temporanee si chiamano Fusi Mitotici.

I microtubuli costituiscono l’assonema, che è il componente fondamentale di strutture cellulari che

si chiamano ciglia o flagelli, simili tra loro, capaci di assicurare la motilità della cellula (flagello) o il

movimento di molecole sulla superficie della cellula stessa (ciglia).

La struttura molecolare del microtubulo si basa su una subunità: il dimero formato da α-tubulina e

β-tubulina. Queste due proteine formano un dimero associate al GTP, in rosso nella figura.

Solo il GTP associato alla β-tubulina più andare incontro a idrolisi, quello associato a α-tubulina

non lo fa mai!! Ciascun microtubulo è costituito da 13 protofilamenti: per

essere resistenti i filamenti del citoscheletro non devono

semplicemente formare polimeri in fila indiana, ma devono

avere anche interazioni laterali tra le file: si forma una struttura

in cui le file si legano tra di loro. C’è quindi una disposizione di

subunità in fila indiana (le file sono i protofilamenti ) e 13

protofilamenti si dispongo attorno ad una cavità centrale del

microtubulo.

I protofilamenti non si attacano l’uno all’altro in perfetto

parallelismo ma sono sfasati uno rispetto all’altro tanto da poter

assumere un affetto un po’ elicoidale, e le estremità non sono

quindi piatte, ma leggermente appuntite!

Si parla di estremità differenti perchè i protofilamenti sono tutti

disposti nello stesso senso, ovvero terminano tutti con la β-

tubulina da una parte e l’ α-tubulina dall’altra.

L’estremità dell’intero microtubulo che ha la β-tubulina esposta

si chiama estremità +, mentre l’estremità che ha l’ α-tubulina

esposta si chiama estremità - .

Quindi i microtubuli sono polimeri che hanno una polarità.

È importante il concetto dei legami laterali come rinforzo e che

quindi l’aggiunta (polimerizzazione) o la perdita di subunità

(depolimerizzazione) avviene solo alle estremità.

La cosa interessante è la capacità di autoassemblarsi: se in soluzione mettiamo β-tubulina e l’ α-

tubulina legate a GTP, queste spontaneamente formano microtubuli e hanno la capacità di formare

filamenti che non vanno in contro ad allungamento costante, perchè l’allungamento non è uguale

alle due estremità: all’estremità + vi è maggiore velocità di associazione e di dissociazione;

ciononostante, in alcuni range di concentrazioni di tubulina, si è visto che l’estremità + si allunga

più velocemente, mentre l’estremità – può andare in contro a dissociazione.

Si autoassemblano spontaneamente se la concentrazione è sufficientemente elevata, e

l’associazione è favorità all’estremità +, mentre la dissociazione è favorità all’estremità - , o

comunque, all’estremità – non avviene polimerizzazione massiccia.

La polarità è importante perchè determina la disposizione di questi filamenti nella cellula: i

microtubuli, infatti, si dispongono a raggera attorno al centro di organizzazione dei microtubuli

che lega le estremità -, mentre le estremità + sono disposte verso l’esterno.

Ci sono cellule particolari che hanno disposizione diversa: ad esempio, le cellule epiteliali hanno

estremità + nella parte apicale e l’estremità – nella parte basale. Nei neuroni i microtubuli formano

fasci all’interno dell’assone con una disposizione precisa: il – è diretto verso il nucleo, verso il

soma, mentre i + sono dirette verso i terminali sinaptici.

Per la funzionalità dei microtubuli è importante il fenomeno della instabilità dinamica.

In vitro, dopo la fase di allungamento, i microtubuli diminuiscono spontaneamente la loro

lunghezza bruscamente; l’evento è chiamato CATASTROFE.

Dopo una rapida depolimerizzazione e accorciamento ricomincia l’allungamento: in vitro c’è

alternanza tra allungamento e catastrofi.

Succede anche in vivo.

I vari filamenti subiscono quest’alternanza in maniera asincrona:

nello stesso istante, alcuni si stanno allungando altri si stanno

accorciando; questo fenomeno dipende dall’idrolisi del GTP della

β-tubulina ed è osservabile all’estremità +.

Durante l’allungamento, si aggiungono continuamente β-tubuline

legate al GTP.

Man mano che si allunga, il GTP viene idrolizzato; in tal modo, solo

le subunità vicine all’estremità hanno le β-tubuline

legate al GTP, le altre, più lontane dall’estremità +,

hanno invece ormai tutti GDP.

Cambia la conformazione della β-tubulina e del dimero

stesso!

L’idrolisi del GTP porta ad un piegamento spontaneo

del protofilamento, ovvero, non si forma più una fila

indiana rettilinea, ma un po’ arcuata.

Questo non ha nessuna conseguenza sulla struttura

del microilamento finchè rimane il cappuccio di GTP

all’estremità +, perchè i legami laterali sono

sufficientemente forti da contrastare questa tendenza

dei protofilamenti a legarsi l’uno all’altro, sopratutto

perchè il cappuccio forma un tratto dritto, rettilineo,

che, in combinazione coi legami laterali, aiuta l’intero microfilamento a restare rettilineo.

A volte l’idrolisi però è più veloce della polimerizzazione, quindi accade che l’estremità + si trova a

perdere il cappuccio di GTP, perchè le nuove subunità che hanno β-tubulina con GTP sono troppo

poche per formare un vero e proprio cappuccio.

In questa situazione i legami laterali sono l’unica cosa che mantiene i protofilamenti uniti tra loro,

ma termodicamicamente, più passa il tempo più viene favorito il piegamento dei protofilamenti, che

quindi si piegano e si staccano rompendo i legami laterali.

I protofilamenti quindi si separano e vanno in contro a spezzettamento: questa è la catastrofe.

Essa avviene quanto l’idrolisi del GTP legato al β-tubulina è più veloce della velocità di

polimerizzazione.

All’interno della cellula, ci sono microtubuli che sono stati stabilizzati ( circa il 50%) e questi non

vanno incontro a catastrofe e all’instabilità dinamica che ne consegue. L’altro 50% invece subisce

costantemente questo fenomeno.

L’instabilità dinamica e la crescita asincrona dei microtubuli serve alla cellula per indagare il

proprio spazio interno: allungandosi e accorciandosi possono trovare vari tipi distrutture, a

seconda dello stato fisiologico della cellula, e questo serve a modificare la struttura della cellula in

maniera dipendente dalla situazione contingente, ad esempio i microtubili si stabilizzano se

entrano in contatto con una precisa parte della membrana cellulare, in concomitanza con un

segnale extracellulare, e questo porterà all’allungamento della cellula nella direzione dei filamenti

stabilizzati: non ci saranno più catastrofi in quella direzione e quindi la cellula si allunga seguendo i

filamenti stabilizzati.

Gli organelli interni seguiranno questo andamento. Questo può avvenire grazie alla regolazione

dell’evento di catastrofe e allungamento.

Ci sono infatti delle proteine che regolano questo processo. La statmina, ad esempio, sequestra le

subunità di tubulina, sottraendole all’allungamento, che quindi sarà più lento, e favorendo così

indirettamente la catastrofe, perchè la velocità di idrolisi del GTP supererà quella di

polimerizzazione.

Altre proteine, della famiglia dei MAP ( microtubule-associated protein ) si associano invece al

cappuccio di GTP all’estremità + impedendo l’idrolisi, mantenendo stabili i microfilamenti.

Altre come la CATASTROFINA , mediano il ripiegamento dei protofilamenti indipendentemente

dall’idrolisi del GTP, favorendo le catastrofi anche se non ci sarebbero le condizioni;

Infine, la catastrofe viene indotta se il filamento viene tagliato,

perchè al centro del microtubulo tutte le subunità sono GDP: il

taglio è dato dalla proteina KATANINA (dalle spade di Samurai

).

Le proteine che si associano ai microtubuli organizzano anche

la loro disposizione spaziale: le MAP sono una famiglia grande

che media il legame tra microtubuli adiacenti, portanto alla

formazione di fasci di microtubuli relativamente larghi; altre

proteine, TAU, essendo più corte, portano invece alla

formazione di fasci di microtubuli relativamente stretti.

Queste capacità dei microtubuli, ed in particolar modo la loro

instabilità dinamica, è usata dalla medicina per interferire con