Modulo di citologia (2)

I microtubuli

I microtubuli sono delle strutture altamente dinamiche. Si possono definire come dei lunghi tubi (cavi), rigidi (perché

devono rappresentare un binario per le vescicole), non ramificati. Hanno un diametro esterno di 25 nm e una parete

dello spessore di circa 4 nm. I monomeri che entrano in gioco per formarli sono 2: monomeri e monomeri Sono

α β.

dunque degli eterodimeri, asimmetrici, dal momento che una

estremità termina con una (estremità meno, è quella

α-tubulina

in cui si trova il centro di nucleazione) e l’altra termina con una β-

tubulina (estremità più). Vengono chiamati microtubuli perché le

loro dimensioni in termini di diametro sono micrometriche (micro)

e perché sono delle strutture cave (tubuli). La parete che delimita

queste strutture è fatta da tubulina, mentre all’interno sono cave.

Delle 3 tipologie è quella meno adatta per ottenere resistenza,

infatti, non ci sono praticamente mai dei microtubuli associati o a

formare giunzioni per garantire resistenza creare strutture che

devono garantire una tensegrità, ma intervengono nel creare

binari su cui mediare il traffico cellulare, nel creare strutture

altamente dinamiche come il fuso mitotico, e nel creare ciglia o

flagelli come supporto di estroflessioni citosoliche (ciglia e flagelli

si muovono, sono strutture che bruciano ATP per poter

funzionare).

Ogni fila di proteine aggregate viene chiamata protofilamento, e

si unisce con altri protofilamenti grazie a legami non covalenti,

che stabilizzano ogni protofilamento con l’altro. Visto che sono

strutture altamente dinamiche, la cellula non può sprecare troppa

energia per disassemblarle e assemblarle quando serve, quindi i legami usati sono non covalenti, ma sono

sufficientemente forti per stabilizzare il protofilamento (questi legami servono anche ad unire i singoli monomeri di

tubulina, così come i singoli monomeri di actina-C). Se queste condizioni (presenza di sub-unità, formazione di legami

non covalenti) vengono rispettate, si può quindi arrivare ad un rapido disassemblaggio e ad un altrettanto rapido

riassemblaggio. I microtubuli si dipartono, formando una struttura a raggera, dalla zona del centrosoma.

Modello di assemblaggio dei microtubuli

Queste strutture sono state studiate in vitro, ossia prendendo i singoli monomeri e mettendoli in condizioni paragonabili

a quelle di una cellula (quindi concentrazione di determinati ioni, molecole giuste…), e si è riusciti ad osservare la

polimerizzazione, importante per intervenire in determinati casi.

Il presupposto per l’assemblaggio di microtubuli in vitro è la presenza dei 2 tipi di monomeri, in modo tale che possano

dare origine a questi microtubuli, in quanto strutture dinamiche, che polimerizzano rispettando determinate regole, con

una polimerizzazione reversibile, che parte da dimeri di tubulina e, in caso di disassemblamento, restituisce dimeri di

tubulina. Essendo un sistema in vitro, non è un contesto dove c’è un centrosoma con dei centrioli che potrebbero darne

la polarità. Ma 2 condizioni estremamente importanti sono: la presenza di ioni magnesio (perché servono per innescare il

processo di polimerizzazione) e una molecola energetica (viene consumata GTP per i legami, anche se sono deboli).

All’inizio (evento molto lento) i dimeri cominciano ad interagire tra di loro e cominciano ad unirsi a formare quelli che

vengono considerati degli oligopodi (corti polimeri); l’associazione tra i dimeri rispetta sempre l’alternanza Si arriva

α-β.

quindi ad una situazione in cui il processo diventa un po’ più stabile (l’instabilità porterebbe ad un disassemblamento), in

modo che si arrivi ad un protofilamento, che deriva dall’allungamento dell’oligomero per aggiunta di altri dimeri. Diversi

protofilamenti vanno quindi ad unirsi tra di loro, fino ad arrivare ad un foglio ben completo, che poi richiudendosi alle 2

estremità e stabilizzandosi dà origine al microtubulo stesso. Per formare un microtubulo completo servono 13 (di regola,

ma non sempre) protofilamenti. Si parla di 13 protofilamenti ogni volta che c’è un microtubulo completo, ma ci sono

anche degli esempi in cui più microtubuli si associano l’uno all’altro e all’interno di questa struttura che si viene a creare

non viene rispettato il numero di 13 protofilamenti.

Il concetto di protofilamento è estremamente importante perché è a livello di un protofilamento che si identificano una

estremità positiva e una estremità negativa: all’estremità positiva si troverà sempre un cerchio fatto solo da β-tubulina,

mentre all’estremità si troverà un cerchio fatto solo da In ogni caso non si ragiona su subunità singole, ma

α-tubulina.

sono i dimeri che entrano a far parte del microtubulo, quindi il primo dimero che va ad associarsi agli altri è orientato in

modo tale che l’α-tubulina o la siano orientate verso il basso. In prossimità dell’estremità negativa del

β-tubulina

microtubulo si trova il centro di nucleazione, cioè quella struttura centriolare immersa in una matrice, il centrosoma, che

crea il punto di nucleazione per tutti i microtubuli.

In condizioni fisiologiche, in una cellula, queste condizioni devono essere presenti, e la cellula, per di più, è in grado di

regolare la polimerizzazione o la depolimerizzazione di queste strutture a seconda delle sue esigenze.

Come si formano i microtubuli

L’assemblaggio dei microtubuli avviene in due fasi distinte: una lenta di nucleazione e una rapida di allungamento.

La fase di nucleazione è associata a diverse strutture specializzate dette centri di organizzazione dei microtubuli

(MTOC), di cui un esempio è il centrosoma (centrioli + matrice circostante, materiale pericentriolare). Nelle cellule

animali i microtubuli del citoscheletro sono nucleati dal centrosoma, costituito da due centrioli a forma di barilotto di

circa 0,2 di diametro e circa 0,4 di lunghezza, circondati da un materiale pericentriolare (PCM) amorfo ed

µm µm

elettrondenso. Un centriolo contiene nove fibrille, ognuna formata da una banda di tre microtubuli, dei quali il più

interno è stato chiamato microtubulo A, quello in posizione intermedia microtubulo B, e il più esterno microtubulo C; solo

il microtubulo più interno, il microtubulo A, è formato da 13 protofilamenti, gli altri no perché si appoggiano man mano

su quello precedente.

Queste fibre si dispongono in modo tale da creare una struttura a girandola e le fibre sono disposte perifericamente,

all’interno ci sono delle strutture che servono a tenere in registro le fibre, a mantenerle equidistanti dal nucleo centrale,

e, inoltre, ci sono delle braccia proteiche che uniscono il microtubulo A alla regione centrale, mantenendo quindi

l’equidistanza fra le fibre periferiche, c’è anche un braccio proteico che unisce ogni fibra a quella successiva. In questo

modo i centrioli sono delle strutture altamente organizzate e ben definite, ad essi quindi è dato il compito di nucleare

ogni microtubulo. I centrioli si trovano quasi sempre a coppie. Il centrosoma è generalmente collocato al centro

della cellula ed è dunque sito di nucleazione dei microtubuli che hanno sempre la stessa polarità: l’estremità

meno è associata al centrosoma, l’estremità più è situata dalla parte opposta ed è in accrescimento.

Nelle cellule eucariotiche i microtubuli si dividono in due gruppi: microtubuli citoplasmatici (sono quelli delle

cellule polarizzate e non polarizzate) associati al centrosoma e i microtubuli assonemali, non associati al

centrosoma. Generalmente il centrosoma delle cellule non polarizzate, ad esempio i fibroblasti, è situato vicino al

centro della cellula ed è associato all’estremità meno di molti altri microtubuli, i microtubuli delle cellule

polarizzate, ad esempio quelle epiteliali, sono ancorati con le estremità meno a siti sparsi nella regione apicale della

cellula, mentre le estremità più sono associate alla regione basale. Ci sono poi i microtubuli assonemali, che presentano

un corpo basale alla base dell’organello con la stessa struttura dei centrioli, di fatto possono essere convertiti gli uni negli

altri: un esempio è il corpo basale del flagello dello spermatozoo che diventa il centriolo per la formazione del primo

fuso mitotico dello zigote e il centriolo del fuso che ha formato lo spermatidio che diventa corpo basale del flagello dello

spermatozoo. Le cellule vegetali sono prive di qualunque tipo di MTOC, i microtubuli si generano intorno alla superficie

nucleare e in tutta la cortex. Il compito dei MTOC è quindi quello di: controllare il numero dei microtubuli, la loro

polarità, il numero dei protofilamenti, il luogo e il momento dell’assemblaggio. Una componente fondamentale per la

nucleazione dei microtubuli è la che costituisce circa lo 0,005% delle proteine totali. Essa sfrutta come

ɣ-tubulina,

sito di attacco per strutture anulari aventi lo stesso diametro dei microtubuli (25 nm) le fibre insolubili del PCM.

L’anello di forma uno stampo aperto sul quale si assembla il primo giro di polimeri di di modo

ɣ-tubulina α-β-tubulina,

che solo le vi si possano legare, garantendo il mantenimento della giusta polarità.

α-tubulina

I ricercatori hanno notato che, essendo il centro stesso di nucleazione a scaturire la polarità del microtubulo, significa

che questo centro di nucleazione deve avere in primo luogo la capacità di selezionare i protofilamenti orientandoli verso

se stessi in modo corretto, e, di conseguenza, oltre a stabilire la loro polarità, deve anche stabilire il numero di

microtubuli che dovrà nucleare da quel centro di nucelazione. È l’anello di che è in grado di creare una sorta

γ-tubulina

di stampo, ogni monomero è il punto di attacco per il protofilamento. Perciò i ricercatori hanno attribuito alla γ-tubulina

la funzione di determinare la polarità dei microtubuli.

Tappe della polimerizzazione:

- Formazione di dimeri e nucleazione, cioè aggregazione dei dimeri di tubulina (processo lento).

- Allungamento, cioè aggiunta di subunità ad un’estremità (processo veloce).

- Fase di stabilizzazione, l’assemblaggio e il disassemblaggio si bilanciano.

- Legami non covalenti uniscono i protofilamenti.

La rete di microtubuli è importante per regolare il traffico vescicolare e ha contatto con gli organelli all’interno del

citoplasma della cellula, qualsiasi alterazione a livello del processo di localizzazione o distribuzione all’interno della cellula

può interferire con la corretta morfologia e funziona