Citologia - microfilamenti e i filamenti intermedi

LE MIOSINE

A differenza dei microtubuli che hanno due famiglie proteiche di motori (chinesine e

dineine), i motori molecolari dei microfilamenti appartengono tutti alla famiglia proteica

delle miosine.

Le miosine costituiscono una famiglia di almeno 18 classi di proteine che utilizzano

l’energia resa

disponibile dall’idrolisi dell’ ATP per generare movimento.

Ciò che accomuna tutte le classi di queste proteine è infatti il dominio in grado di legare e

idrolizzare ATP. 11

Le miosine sono costituite da 3 domini strutturali:

Un dominio motore (testa), in grado di legare l’actina filamentosa e l’ ATP

1) promuovendo il movimento. E’ situato in genere dalla parte N-terminale.

Un dominio regolatore (collo), che rappresenta un componente importante per il

2) movimento

Un dominio filamentoso (coda), che può differire molto tra i vari tipo di miosina e

3) che media l’aggregazione delle molecole di miosina tra di loro oppure con altre

proteine o vescicole.

Le miosine sono fondamentali per:

la contrazione muscolare e cellulare

1) il trasporto di membrane o vescicole

2) la regolazione della forma e della polarità delle cellule

3) la regolazione di vie di segnale

4) la ricezione di stimoli sensoriali

5)

Le miosine di tipo I sono composte da una testa, da un collo (il quale può legare altre

proteine chiamate catene leggere che conferiscono stabilità alla molecola e svolgono ruoli

fondamentali per la regolazione della funzione della proteina) e da un piccolo dominio C-

terminale (la cui funzione varia al variare dei singoli membri della categoria di miosine di

tipo I).

Alcune di queste miosine possono associarsi alla membrana plasmatica, altre possono

associarsi a diversi tipi di strutture come le vescicole. 13

Le miosine di tipo II sono chiamate miosine ‘classiche’ in quanto prime miosine ad essere

scoperte.

Sono responsabili della contrazione cellulare e muscolare.

Sono composte da dimeri, ciascuno dei quali composto da una testa, un collo regolatorio e

una coda C-terminale molto lunga in grado di formare un’ elica superavvolta (essa è infatti

il dominio di dimerizzazione).

Le miosine di tipo V sono dei dimeri responsabili del trasporto di alcuni tipi di vescicole

lungo il microfilamento. Hanno due teste con un dominio regolatorio relativamente lungo e

una coda C-terminale la quale non è solo il dominio di dimerizzazione ma rappresenta

anche il dominio di legame per i carichi.

come funziona il movimento mediato dalla miosina?

Il movimento avviene in seguito a un rapido cambiamento di conformazione della

molecola dovuto al variazione dell’ orientamento del dominio regolatore rispetto alla testa.

Esempio:

Una miosina di tipo I trainante un carico, presenta la sua estremità C-terminale o

1) testa associata a un filamento di actina con la molecola disposta in modo rettilineo.

Viene legata una molecola di ATP alla miosina.

Il legame con l’ ATP favorisce un cambiamento conformazionale che porta al

2) distacco della testa dal microfilamento.

Il distacco è seguito dall’idrolisi dell’ ATP in ADP+Pi, il quale causa un cambiamento

3) di conformazione detto inversione del colpo di forza durante la quale la molecola

di miosina non legata al filamento cambia di conformazione ritornando curva.

La miosina legata ad ADP+Pi assume nuovamente un’alta affinità per legarsi al

4) microfilamento.

La molecola perde il fosfato tenendo legato solo ADP. Il cambiamento

5) conformazionale genera il colpo di forza della molecola che tornando dritta

permetto lo spostamento del carico verso l’estremità + del microfilamento.

L’ ADP si dissocia dalla testa e la miosina ritorna nella conformazione iniziale.

6)

La miosina esiste quindi in quattro stati:

in assenza di nucleotide

1) legata ad ATP

2) legata ad ADP+Pi

3) legata ad ADP

4)

In base a ogni singolo stato di legame la miosina presenta differenti proprietà sia di

legame al microfilamento che di conformazione spaziale. Alternandosi tra questi quattro

stati la proteina promuove il movimento.

Il colpo di forza porta in genere a uno spostamento del collo di circa 60°. L’entità dello

spostamento spaziale è però condizionata dalla lunghezza del dominio C-terminale. Le

miosine di tipo I portano quindi ad uno spostamento minore delle proteine di tipo V in

quanto le prime hanno la coda più corta.

Un caso particolare è costituito dalle miosine di tipo II che, non trasportando a carichi, si

associano formando filamenti spessi. Le code non sono solo dei domini di dimerizzazione

ad elica superavvolta, esse possono infatti portare alla formazione di polimeri in cui le

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molecole di miosina si dispongono in modo antiparallelo con le teste rivolte verso le

estremità del filamento.

Le molecole di miosina II si legano quindi tra di loro e il loro movimento porta allo

spostamento dei microfilamenti: sono quindi i microfilamenti a spostarsi, in quanto il

filamento spesso di miosina rimane stabile.

I fasci lassi di actina sono tenuti insieme dall’ α-actinina che consente lo scorrimento dei

filamenti in presenza di miosina, questo fa sì che tutto ciò legato alle estremità dei

filamenti al momento dello scorrimento sia ravvicinato. Questa teoria consente di spiegare

la contrazione muscolare e cellulare.

Le miosine di tipo V si associano ai loro carichi grazie ad alcune proteine adattatrici sulla

loro superficie . Un esempio di carico di questo tipo di miosine sono i melanosomi (ottenuti

dalla modificazione dei lisisomi e presenti nei melanociti). La miosina di tipo V ha diverse

catene leggere ad essa legate.

La capacità di legame ai carichi è regolata da fattori intracellulari tra cui le proteine

chinasi. La fosforilazione dei domini C-terminali (ovvero i domini di interazione con i

carichi) determina la loro dissociazione dalle miosine. La capacità di questa famiglia di

proteine di promuovere il movimento è strettamente regolata a livello cellulare.

La regolazione del movimento è molto importante nelle cellule. La miosina di tipo II nelle

cellule non muscolari è in genere presente nel formato inattivo caratterizzato dalla coda

attorcigliata e dalle teste agganciate tra loro (ciò impedisce il legame dell’ ATP).

Con la fosforilazione delle catene leggere da parte delle chinasi (MLCK), i siti di legame

per actina e ATP vengono liberati e la coda si distende grazie al cambiamento

conformazionale dovuto alla fosforilazione.

L’attività della chinasi è inoltre regolata dalle piccole proteine G di tipo Rho (le stesse che

portano alla formazione delle stress fibers).

Il movimento di tipo ameboide è differente da quello mediato dai flagelli ed è tipico delle

cellule umane che si spostano all’interno del corpo come i linfociti. Questo movimento è

ottenuto per modificazione del citoscheletro di actina e consiste nella formazione di una

protrusione da una estremità della cellula che allungandosi si ancora al substrato o alla

matrice extracellulare. Contemporaneamente la cellula perde l’ancoraggio all’estremità

opposta che poi si contrae permettendo alla cellula di spostarsi. 17

Nel fronte della cellula, nel lamellipodio, i microfilamenti si dispongono in reti formando un

gel da cui si diramano alcune appendici, i filopodi, che sono costituiti da stretti fasci dritti

in quanto fungono da sonde dello spazio extracellulare.

Nella parte posteriore si formane le fibre di stress, fasci contrattili e paralleli di actina che si

connettono alle giunzioni tra cellula e substrato. Con lo scorrimento delle fibre e la

contrazione si causa quindi un avvicinamento di questi siti chiamati adesioni focali.

Nella regione anteriore della cellula (il lamellipodio) l’ actina si dispone a formare strutture

reticolari grazie all’ attivazione della filamina, che organizza i microfilamenti in reticoli, e

dell’ Arp 2/3, che promuove la formazione di filamenti di actina.

Nella parte posteriore le strutture a rete vengono demolite grazie alla cofilina e i filamenti

che si formano nella parte posteriore vengono stabilizzati dalla tropomiosina che

impedisce il legame dell’actina alla filamina e promuove il legame dell’actina all’ α-actinina

in modo da formare fasci lassi di microfilamenti.

La regolazione di questi processi è svolta dalle proteine G che vengono attivate da

segnali extracellulari. Cellule infatti si muovono perché attratte da qualcosa.

I macrofagi eliminano patogeni e batteri fagocitandoli, essi devono quindi essere in grado

di identificarli attraverso specifici segnali e di muoversi in quella direzione.

Altre cellule si muovono verso una sorgente di chemoattrattante in seguito all’attivazione

attraverso recettori di alcuni domini citoplasmatici che rendono operante la proteina Rac

che promuove la polimerizzazione di actina formando le reti caratteristiche del

lamellipodio.

Posteriormente la proteina Rac viene inibita e viene attivata la proteina Rho che

polimerizza le stress fibers. La polimerizzazione e la disposizione spaziale dell’actina nella

parte posteriore e anteriore della cellula varia in relazione alla polarizzazione della cellula

che a sua volta dipende dai fattori extracellulari che innescano la migrazione.

La modificazione del citoscheletro di actina viene coordinato con la modificazione del

citoscheletro dei microtubuli perché la cellula cambia di forma nella sua totalità. Questo è

dovuto al fatto che l’attivazione di Rac inibisce la statmina (che lega subunità di tubulina

inibendo la formazione dei microtubuli) promuovendo così l’ allungamento dei microtubuli

originati dall’ MTOC che si allungano verso la direzione di spostamento della cellula.

FAGOCITOSI

La fagocitosi è la modalità attraverso la quale le cellule del sistema immunitario eliminano

patogeni e batteri. La fagocitosi avviene in seguito al riconoscimento degli agenti patogeni

tramite recettori che attivano fattori come Cdc42 e Rac, le quali favoriscono la

polimerizzazione di actina che in seguito forma protrusioni cellulari per circondare ed

inglobare il patogeno. Il fagosoma si fonde poi con gli endosomi che in seguito portano

alla formazione del lisosoma. 19

FILAMENTI INTERMEDI

Sono strutture citoscheletriche riconosciute per avere il diametro leggermente superiore a

quello dei microfilamenti (10-12 nm).

Non sono strettamente necessari per la vita delle singole cellule. Le mutazioni hanno

effetti a livello tissutale perché i filamenti intermedi costituiscono strutture e supporti che

tengono uniti i tessuti. Sono composti da proteine differenti in base ai tessuti in cui sono

localizzati.

Sono presenti sei classi diverse di proteine che formano i filamenti intermedi:

Formazione della vim