Citologia - motori proteici dei microtubuli

Legame al cargo

Avviene grazie a delle proteine adattatorie. Richiede dei complessi proteici che si associano al

motore proteico (dineina o chinesina). Questi intermediari possono essere anche molto complessi,

come nel caso dell’associazione di vescicole alla dineina (è richiesta la diactina, che si lega ai

microtubuli, ed un complesso di proteine, tra le quali la spettrina, che circondano la vescicola).

I carichi trasportati sono diversi:

• alle chinesine si associano: le cisterne del reticolo

endoplasmatico, le quali sono mosse verso l’estremità +

grazie all’associazione con le chinesine, le vescicole che

lasciano il trans Golgi e degli specifici mRNA, la cui

traduzione deve avvenire alla periferia della cellula dove si

organizzano le estremità + dei microtubuli.

• alle dineine sono legati: le cisterne dell’Apparato del

Golgi che vengono a trovarsi in prossimità dell’MTOC e

quindi verso il nucleo, le vescicole endocitotiche che

devono essere portate verso l’interno della cellula e le

particelle virali che si legano grazie al riversimento

proteico. In alcune cellule questo trasporto è altamente strutturato. Negli

assoni dei neuroni, dove i microtubuli sono disposti in fasci con

estremità + verso i terminale sinaptico, si osserva un trasporto

mediato da chinesine verso le sinapsi e da dineine verso il soma

del neurone e che serve a riciclare le vescicole che servono a

trasportare i neurotrasmettitori. Le chinesine mediano un flusso

anterogrado trasportando i neurotrasmettitori e le relative

vescicole verso le sinapsi. Il flusso retrogrado è invece effettuato

dalle dineine che trasportano le vescicole vuote che devono

essere riciclate o distrutte per autofagia.

FUNZIONAMENTO DEI MOTORI PROTEICI

I motori proteici sfruttano l’idrolisi di ATP per aumentare il movimento. Questo si lega alla testa o

al dominio ATPasico della proteina, modificandone la conformazione. Questa modifica si

ripercuote sulla struttura totale della proteina e del dimero stesso. Queste modifiche sono legate al

ciclo di idrolisi dell’ATP. Si ottengono così dei cambiamenti ciclici della conformazione spaziale

delle proteine.

Oltre a questa conformazione spaziale si modifica anche la loro capacità di interagire più o meno

bene con il filamento di microtubulo.

Il movimento che avviene è specifico:

Il punto di partenza è il dimero legato al microtubulo tramite solo

un dominio (una delle due teste). L’altra testa 2 non è legata al

microtubulo perché è associata all’ADP. La testa 1 legata al

microtubulo associa l’ATP, questo produce un cambiamento di

conformazione che porta la testa 2 legata all’ADP ad essere

scambiata con l’altra. Questa modificazione di conformazione è ad

opera di tutto il dimero, quindi mentre la testa 2 che prima legava

l’ADP era in posizione posteriore, ora è in posizione anteriore verso

l’estremità +. L’ADP legato alla testa 2 in posizione anteriore viene

rilasciato, questa cambia la sua specificità ed è in grado di legare il

microtubulo. L’ATP legato alla testa 1 in posizione posteriore

(verso l’estremità -) viene idrolizzato e la testa 1 si trova legata

all’ADP e quindi si stacca dal microtubulo perdendo affinità per

esso.

Le teste esistono in tre stati:

• legate all’ATP: si ha un cambiamento conformazionale che ruota il dimero

• legate all’ADP: viene impedito il legame al microtubulo: l’idrolisi dell’ATP fa staccare la

testa dal microtubulo

• non legate ai nucleotidi: è avvenuto il rilascio

dell’ADP che promuove l’associazione della testa col

microtubulo.

In sintesi: testa legata attacco di ATP cambio di

 

conformazione l’altra testa rilascia ADP legandosi al



microtubulo la testa precedentemente legata idrolizza



l’ATP e si rilascia

DINEINE

Le dineine sono proteine molto più complesse. Il dominio di legame ai microtubuli è posto su una

parte della proteina detta “gambo”, molto piccola in centro alla proteina. Il resto della proteina si

chiude su se stessa formando una struttura circolare. Ne rimane fuori la parte N-terminale detta

“coda” che rappresenta il dominio in grado di legare i carichi.

Il movimento si ottiene mediante il cambiamento di conformazione del “gambo” rispetto al resto

della molecola. Il dominio ATPasico porta al rapido movimento del gambo verso l’estremità + a

seguito dell’idrolisi di ATP in ADP + P. Porta così il resto della molecola a posizionarsi verso

l’estremità -. Oltretutto si ha una maggiore associazione del gambo al microtubulo a seguito

dell’idrolisi. Lo scambio di ADP con ATP porta la molecola di dineina nella situazione iniziale.

I motori proteici possiedono quindi dei domini ATPasici che hanno il compito di modificare un

determinato dominio all’interno della proteina e di determinare uno spostamento (nel caso della

chinesina si ha lo spostamento di uno dei due dimeri, nel caso della dineina si ha lo spostamento

della molecola rispetto ad un dominio ancorato al microtubulo). Questo movimento è in funzione

della concentrazione del nucleotide che viene legato.

Interazione tra motori proteici e instabilità dinamica

Nella cellula le funzioni dei motori proteici

sono integrate con quella dell’instabilità

dinamica. Alcuni fenomeni di spostamento

all’interno della cellula avvengono grazie ad

ambedue i fenomeni. Un esempio è la mitosi

dove avviene il movimento dei cromosomi

verso i centrosomi, che si sono duplicati a dare

due MTOC. Questo avviene grazie

all’instabilità dinamica favorita sui microtubuli

che formano il fuso mitotico e anche grazie

alla dineina legata ad essi. I cromosomi si

spostano quindi verso l’estremità -,

rappresentata dai centrosomi, e i microtubuli a

cui sono legati si accorciano. È necessario che

avvengano entrambi i fenomeni (delle droghe

che inibiscono l’instabilità dinamica e le

catastrofi possono bloccare la mitosi).

I centrosomi stessi sono trasportati verso gli estremi della cellula da motori proteici che sono

associati al citoscheletro corticale. Questo passaggio è fondamentale per localizzare i centrosomi

nella cellula e orientare la divisione secondo un preciso asse.

Ciglia e Flagelli

I motori proteici associati ai microtubuli sono importanti per il movimento di strutture cellulari:

ciglia e flagelli.

Sono strutture molto simili: sono protrusioni cellulari che hanno un movimento particolare:

• I flagelli hanno un movimento ondulatorio: possono formare un’onda di piegamento tale da

creare una sorta di frusta che da una forza sufficiente per muovere le cellule (nell’uomo si

trova solo negli spermatozoi, nei protozoi invece sono alla base della vita e del movimento).

• Le ciglia sono spesso numerose (circa un

centinaio) e hanno un movimento che avviene a

frusta: il piegamento iniziale avviene vicino alla

base e porta ad un piegamento che viene

rilasciato in maniera brusca per creare un colpo

finale di frusta. Le ciglia non servono infatti per

muovere le cellule, ma per muovere strutture e

oggetti che si trovano sulle cellule (es: le ciglia

sulla superficie della cavità nasale). Le ciglia

sono divise in file e il loro movimento forma

delle onde non perfettamente sincronizzate, ma

sfasate di qualche ms. Creano una sorta di onda

di contrazione che permette il movimento di

sostanze (es: nella cavità nasale o nella trachea

è favorito il movimento del muco).

Le ciglia appaiono costituite da una struttura contornata da una

membrana plasmatica contenente una struttura rigida,

elelttrondensa, che costituisce l’assonema: è formato da

microtubuli e proteine associati ad essi e si collega al corpo

basale (strutturalmente simile ai centrioli).

L’assonema è una struttura che corre lungo tutto l’asse del ciglio.

Visto in sezione trasversale appare composto da 9 coppie di

microtubuli, formati da un microtubulo completo (13

protofilamenti) e uno incompleto (10-11 protofilamenti).

All’interno sono presenti due microtubuli completi. Si ha quindi

una struttura “9+2” o a “ruota di carro”.

Esistono infatti altre strutture accessorie che determinano la

struttura dell’assonema: i due microtubuli centrali sono uniti da una guaina proteica e sono associati

ai 9 microtubuli esterni grazie a dei complessi proteici che formano i “raggi” dell’assonema. Da

ciascuna delle 9 coppie dei microtubuli esterni si estendono 2 braccia, una interna ed una esterna,

formate da molecole di dineina. Le 9 coppie sono unite tra loro da una molecola di nessina. Le

braccia di dineina non sono sullo stesso piano delle connessioni di nessina e nemmeno le braccia

radiali sono complanari alle braccia di dineina. Questa struttura si ripete lungo tutta la lunghezza.

Le braccia di dineina sono quindi disposte lungo tutta la lunghezza e sono i motori proteici che

consentono il movimento delle ciglia o del flagello.

Il movimento è reso possibile dallo scorrimento di coppie

di microtubuli l’una rispetto all’altra. Quando questo

avviene però si ha la necessità di un sistema che limita lo

scorrimento dei microtubuli per impedire di separarsi.

Questa funzione è svolta dalla nessina e proprio grazie a

questo, quando la dineina è attivata, invece di promuovere

il semplice scorrimento di coppie di microtubuli, si ha un

piegamento dell’assonema. Questo non avviene lungo

tutta la lunghezza dell’assonema, ma solo in un tratto.

Solo successivamente si diffonde al resto dell’assonema,

mentre la parte iniziale torna a raddrizzarsi. Questo permette un piegamento localizzato del ciglio e

il caratteristico colpo di frusta. L’assonema è connesso al resto del

citoscheletro grazie al corpo basale, una

struttura elettrondensa alla base del

ciglio. È una struttura costituita da una

coppia di centrioli (madre e figlio).

Sono entrambi costituiti da 9 triplette

formate da microtubuli a, b e c. dal

microtubulo a e b nascono i nuovi

doppietti dell’assonema, dal

microtubulo c non nasce niente.

Nell’assonema poi si originano anche i

due microtubuli centrali che non sono

parte del corpo basale. Il corpo basale è un centriolo madre.

Il MTOC è localizzato presso il corpo basale.

È anche necessario per assicurare che il movimento del

ciglio non porti al piegamento dell’intera cellula, ma sia

localizzato. Permette il semplice piegamento prevenendo lo

scorrimento delle coppie di microtubuli in quanto fissati alla

bas