Citologia - microfilamenti e i filamenti intermedi

I microfilamenti

I microfilamenti sono la seconda classe di filamenti scheletrici. Appaiono in microscopia elettronica come brevi tratti, in quanto hanno un diametro estremamente ridotto (dai 5 ai 9 nm) e sono anche i filamenti più semplici, composti da una singola molecola: l’actina, una proteina. Si differenziano dai microtubuli anche per la funzione che assumono. Mentre questi costituiscono l’impalcatura della cellula, i microfilamenti si occupano dei particolari. Un esempio sono le cellule dell’intestino, che costituiscono i microvilli, delle protrusioni sorrette da una struttura formata da microfilamenti.

Funzioni dei microfilamenti

Hanno quindi diverse funzioni:

• Possono formare delle strutture stabili o temporanee.
• Costituiscono la cortex: una parte di citoscheletro che sorregge la membrana plasmatica.

Costituiscono un’impalcatura proteica che dona rigidità alla membrana plasmatica, pur garantendo una certa elasticità. Si vedrà successivamente che la cortex è costituita anche da altre proteine.

• I microfilamenti possono andare incontro a modificazioni, nella loro polimerizzazione e nella loro disposizione spaziale, consentendo di modificare la forma della cellula in maniera abbastanza rapida.
• Possono disporsi in fasci paralleli fatti scorrere l’uno sull’altro grazie all’associazione con motori proteici, favorendo la contrazione della cellula (meccanismo fondamentale nei sarcomeri).
• Alcune strutture vescicolari all’interno della cellula sono mosse da motori proteici associati ai microfilamenti e non ai microtubuli.

Durante la mitosi favoriscono la citodieresi: a seguito della divisione nucleare e dei cromosomi, creano una costrizione in corrispondenza del punto di scissione della membrana plasmatica. Formano un anello di filamenti di actina.

Actina

L'actina è una proteina che lega un nucleotide (ATP) e può esistere in 3 stati:

• Legata ad ATP
• Legata ad ADP
• Legata ad ADP + P (l’ATP è stato idrolizzato, ma il gruppo P non è stato liberato)

La forma che non crea un filamento viene detta G-Actina. Questa forma possiede una fessura su un dominio della molecola, o “punta”, dove può avvenire lo scambio tra ATP e ADP, mentre la parte opposta prende il nome di “coda”. Anche l’actina presenta quindi una polarità, come i dimeri di tubulina. Questo determina la polarità del filamento. Nel formare il microfilamento la “punta” si dispone verso l’estremità -, la “coda” verso l’estremità +.

Il microfilamento è formato da due filamenti di actina che formano una struttura elicoidale. I microfilamenti non sono resistenti come i microtubuli. Sono molto più fragili poiché costituiti da due soli filamenti, ma sono anche strutture molto più facili da sintetizzare o demolire e quindi utili al loro funzionamento.

L'actina e i microfilamenti

Lezione di citologia del 22 Marzo 2013: I microfilamenti composti da segmenti citoscheletrici sono composti dalla proteina actina, che può essere in formato o monomerico o polimerico. L’actina nei filamenti si associa all’ATP ed è polarizzata, quindi i microfilamenti possiedono una estremità “+” e una estremità “-“, opposta a quella dove entra l’ATP.

Ogni microfilamento di actina è costituito da due protofilamenti che hanno diverse proprietà di polimerizzazione. In generale i filamenti di actina legata all’ATP hanno una certa capacità di polimerizzazione di nuove subunità di filamento di actina sull’estremità +, mentre l’estremità - ha una capacità di polimerizzazione inferiore, compensata però da una capacità di dissociazione delle subunità, paragonabile a quella di polimerizzazione dell’estremità +. Il microfilamento di actina si rinnova quindi sull’estremità + e si idrolizza sull’estremità -. Bisogna ricordare comunque che quando si parla di capacità di polimerizzazione si parla di cinetica di polimerizzazione, e che questi processi cinetici dipendono dalla concentrazione nella cellula delle subunità di filamento.

In un determinato range di concentrazione di subunità per l’ATPactina viene favorita la dissociazione sull’estremità – e la polimerizzazione su quella +. Su quest’ultima vengono aggiunte sempre di più nuove subunità mentre l’estremità – del filamento perde subunità di actina monomerica, così che il filamento si allunga all’estremità + e si accorcia all’estremità -. Di conseguenza si assiste ad un vero e proprio spostamento delle subunità sul filamento man mano che avviene questo processo così che le subunità si trovano per scorrimento sempre più vicine all’estremità -.

L’estremità + viene chiamata “coda” e quella - “punta” perché originariamente, quando furono osservati per la prima volta in microscopia elettronica, sembravano una “freccia” con una parte più appuntita (la -), mentre la + assomigliava alla coda della freccia con tanto di “alette” (le subunità in aggiunta). Un aspetto importante di questo meccanismo che permette alla subunità di essere polimerizzata, scorrere fino all’estremità -, dissociarsi e poi magari essere anche riciclata e ripolimerizzata sull’estremità + del filamento è un fenomeno definito “a mulinello”, o in inglese treadmilling. Le unità di actina possono quindi essere riutilizzate dalla cellula.

A questa capacità dell’actina di associarsi diversamente alla subunità – e a quella + dei vari filamenti si associa la capacità delle singole subunità di actina di idrolizzare molecole di ATP. Abbiamo visto che l’actina monomerica è in grado di interagire sia con l’ATP, che con l’ADP, che con l’ADP e il gruppo fosfato insieme. L’actina monomerica può quindi esistere in forma legata all’ATP, che all’ADP + il fosfato o solo all’ADP. La polimerizzazione dell’ATPactina è descritta nell’immagine seguente. All’interno della cellula si ha una concentrazione molto maggiore di ATP che non di ADP quindi l’immagine si riferisce alla vita di un filamento di ATPactina.

In sostanza la polimerizzazione avviene quando l’ATP aggancia l’actina e si polimerizza ATPactina e contemporaneamente avviene l’idrolisi dell’ATP e nel tratto subito successivo all’estremità + comincia a formarsi un tratto di Factina che è formata da subunità di actina legate all’ADP e gruppi fosfati. Sulla punta man mano si aggiungeranno subunità in cui anche il fosfato è stato rilasciato e quindi rimarranno subunità di actina legate solamente all’ADP. Man mano che procede l’allungamento del filamento l’idrolisi prende il sopravvento così che il filamento alla fine si troverà nella condizione in cui l’actina è legata in gran parte solo all’ADP. Questo è stato anche visualizzato in condizioni di polimerizzazione in vitro (i microfilamenti sono in grado di polimerizzare anche in vitro). I filamenti lunghi sono per lo più composti da ADPactina. In particolare è stato notato che questi filamenti più lunghi sono anche più vecchi: più giovane è un filamento più e ricco di ATPactina. Le caratteristiche di questo tipo di filamento sono diverse in quanto in questo tipo di filamenti c’è la tendenza a perdere subunità anche dall’estremità +. Può avvenire il caso estremo di alcuni filamenti che perderanno più subunità di quante ne riusciranno a polimerizzare anche se in realtà ciò avviene in presenza di subunità libere di ADPactina e questa è una condizione che si ha praticamente solo in vitro. Nella cellula la quantità di ADPactina libera è infatti davvero molto piccola. Nella cellula la condizione è quella in cui nei filamenti le estremità + legano l’ATPactina mentre il resto del filamento è composto da actina legata ad ADP e fosfato o solo ADP, e questo significa che i filamenti sono, se non proprio instabili, comunque dinamici.

La regolazione

Dentro la cellula per organizzare e per far funzionare correttamente l’attività di questi filamenti ci deve essere una qualche forma di regolazione. Questa regolazione è effettuata da tutta una serie di proteine accessorie che si legano tanto alla G-actina quanto alla F-actina. Esistono proteine che si legano alla G-actina e che regolano la polimerizzazione, come la Timosina β e la Profilina, che sono dette appunto proteine nucleanti. Abbiamo visto che la nucleazione dei microtubuli avviene grazie a queste strutture composte da γ-tubuline. Per l’actina, la nucleazione però non avviene in un determinato luogo della cellula, poiché non esiste un centro organizzatore dei microfilamenti come esiste per i microtubuli.

Esistono vari complessi proteici che hanno capacità nucleanti, che cioè hanno la capacità di promuovere la formazione di un nuovo filamento: queste sono le Formine e i complessi ARP2/3. Esistono poi le proteine incappuccianti, che sono delle proteine che legano i microfilamenti all’estremità + o all’estremità - e ne modificano quindi le caratteristiche dinamiche, come la proteina CapV e le Gelsoline (per l’estremità +) e le Tropomoduline. Le proteine depolimerizzanti sono proteine come il fattore ADF che promuovono la conversione di un filamento in subunità e quindi la dissociazione rapida delle subunità. Questo avviene in particolar modo per i filamenti di ADPactina, come sistema per demolire ADPfilamenti ormai vecchi. Le Gelsoline, che sono proteine incappuccianti, sono anche però proteine frammentanti, come abbiamo visto la Catanina, che taglia i microtubuli. Le Gelsoline tagliano invece i filamenti di actina. Infine esistono proteine che stabilizzano i microfilamenti rendendo più difficile la loro rottura o la loro dissociazione anche ad opera delle proteine depolimerizzanti oltre che naturalmente ad opera di stress meccanici, come la Tropomiosina.

Analisi delle proteine associate ai filamenti di actina

La Timosina β è una piccola proteina che decora la superficie della cellula e che possiede un piccolo dominio mentre il resto della proteina è come un “elastico” che avvolge la proteina di G-actina e impedisce quindi ai monomeri di actina di riconoscersi e quindi di polimerizzare. Questa proteina è utile perché impedisce...