Citoscheletro e motilita cellulare

CITOSCHELETRO E MOTILITA’ CELLULARE

Il citoplasma delle cellule eucariotiche si presenta compartimentato per la presenza del sistema membranoso

interno che organizza il citoplasma cellulare in spazi circoscritti con precise caratteristiche biochimiche. Non

tutto il citoplasma risulta essere compreso negli spazi definiti; infatti più del 50% del volume cellulare totale

occupa lo spazio compreso tra superficie citoplasmatica delle membrane ascrivibili al sistema membranoso

interno e il plasmalemma. Detta porzione citoplasmatica, citosol, era interpretata come una semplice

soluzione acquosa di Sali minerali e molecole organiche di varia complessità. Flamming postulò che il

protoplasma fosse suddivisibile in due componenti: una rete fibrillare e una sostanza interfibrillare. Però

questa teoria, con il tempo, venne accantonata. Ciò che rimane della cellula dopo estrazione con glicerolo o

detergenti non ionici non coincidono perfettamente. La definizione del citoscheletro come una rete

tridimensionale di filamenti che dal punto di vista strutturale e costitutivo possono essere raggruppati in 3

sistemi distinti: microfilamenti, microtubuli e filamenti intermedi risulta abbastanza riduttiva. Le strutture

dell’architettura cellulare,

citoscheletriche sono implicate in funzioni di sostegno ma risultano anche

indispensabili per il manifestarsi di quei fenomeni che vanno sotto il nome di motilità cellulare.

Microfilamenti e microtubuli sono sede del continuo ricambio delle loro subunità costituenti proponendosi

altamente dinamiche. L’impalcatura cellulare, costituita dall’insieme delle strutture

come strutture

citoscheletriche, sembra seguire le leggi di un concetto architettonico: la tensegrity o continuità tensionale.

Queste strutture devono la stabilità della propria forma all’equilibrio fra le tensioni interne e non alla

come accade negli edifici costruiti dall’uomo.

compressione continua,

Componente actinica del citoscheletro

la forma polimerica dell’actina globulare.

I microfilamenti rappresentano

Actina monomerica

è una proteina globulare che è presente in tutte le cellule eucariotiche dove si rivela come la componente

L’actina presente nelle cellule muscolari stirate scheletriche è

proteica maggiormente rappresentata.

differente della proteina che è rinvenibile in altre linee cellulari. Le differenze strutturali fra le diverse

isoforme di actina sono minime e riconducibili alla sostituzione di qualche residuo aminoacidico nella

struttura primaria. Si indicano con alfa le isoforme muscolari e con beta e gamma le cosiddette

citoplasmatiche. Le diverse isoforme possono prendere origine dall’attività di un egual numero di geni mutati

o da modificazioni sia post-trascrizionali sia post-traduzionali di un singolo prodotto genico.

Siti di interazione: la G-actina presenta diversi siti di interazione per composti differenti. È presente un sito

per l’ATP, per cui ogni monomero è legato a una molecola di ATP. la polimerizzazione, l’ATP viene

Durate L’energia

idrolizzato ad adenosin-difosfato che rimane legato alle subunità proteiche costituenti il polimero.

derivante dall’idrolisi dell’ATP sembra non essere utilizzata durante il processo di autoassemblaggio.

una subunità proteica viene rilasciata nel mezzo, l’ADP legato al polipeptide viene velocemente

Quando

scambiato con l’ATP presente nel mezzo ambiente. Ciascun monomero di actina presenta un sito ad alta

affinità per gli ioni metallici bivalenti; questo può essere occupato da differenti ioni metallici, ma lo ione

fisiologico è il magnesio. Con l’occupazione di questo sito da parte dello ione metallico, la molecola subisce

un cambiamento di configurazione spaziale, divenendo adatta alla polimerizzazione. Ogni molecola di actina

presenta un numero di siti per gli ioni metallici monovalenti. Sono siti a bassa affinità, occupati da ioni

potassio. Ogni molecola di actina possiede 4 siti a bassa affinità per il calcio.

Actina polimerica: i microfilamenti

La proteina si mantiene in forma monomerica (a bassa forza ionica, a un pH basico e in presenza di basse

concentrazioni di calcio e ATP), mentre con l’aumento della concentrazione di ioni metallici, la G-actina

tende a polimerizzare in lunghi filamenti che sono costituiti da 2 file di monomeri globulari avvolti in doppia

elica.

Polarità del microfilamento: il termine polarità viene usato per indicare una differenza morfologica e/o

funzionale presente ai poli opposti di una macromolecola o struttura macromolecolare. Dopo la

polimerizzazione, il filamento presenta una polarità marcata e caratteristica. In un filamento di actina le due

estremità mostrano una configurazione spaziale e un comportamento chimico differente. L’HMM è uno dei

prodotti derivanti dalla digestione triptica della molecola di miosina e il frammento di molecola che mantiene

con l’actina polimerica. Il filamento di actina presente

la capacità di interagire mostra una serie di

protuberanze tutte orientate con il medesimo angolo rispetto all’asse maggiore del filamento. L’attacco di

ad ambedue i terminali. L’assemblaggio delle

subunità di actina al filamento e il relativo distacco avvengono

subunità è più rapido alla barbed end, mentre alla pointed end risulta favorito il disassemblaggio.

Assemblaggio del microfilamento: le reazioni chimiche procedono verso la formazione dei prodotti fino al

raggiungimento di un equilibrio termodinamico fino a quando la velocità di formazione dei prodotti eguaglia

vitali tendono all’equilibrio

la velocità della reazione inversa. Le reazioni termodinamico senza raggiungerlo.

La formazione della F-actina è un fenomeno descritto da una curva sigmoide. Il processo della

polimerizzazione può essere seguito attraverso numerosi parametri come: l’aumento della viscosità della

soluzione proteica, l’incremento della densità di fluorescenza, la variazione di densità ottica…

Fasi dell’assemblaggio: la polimerizzazione dell’actina è un fenomeno tetrafasico, che può essere suddiviso

in: attivazione del monomero, nucleazione, allungamento e annealing.

subito dalla molecola proteica in seguito all’occupazione

Attivazione del monomero: consiste nel cambiamento

del sito ad alta affinità per gli ioni metallici bivalenti. Quando la proteina che deve polimerizzare è la calcio-

actina e il magnesio deve sostituire il calcio a livello del sito specifico.

Nucleazione: alcuni monomeri di actina si autoaggregano a formare i nuclei di polimerizzazione che in seguito

si allungano per apposizione di nuove subunità. La scoperta del complesso proteico ARP2/3 e delle formine

ha portato ad un sostanziale cambiamento nell’interpretazione della nucleazione dei microfilamenti. Il primo,

ancorandosi sul lato di un filamento nuclea la G-actina, formando un ramo collaterale con la pointed end

inserita nel punto di genesi e la barbed end libera. Le formine sono in grado di nucleare filamenti con la barbed

end. Il complesso ARP2/3 genera reti tridimensionali di filamenti di actina, mentre le formine tendono a

generare fasci di lunghi filamenti paralleli. La proteina spire è capace di nucleare nuovi microfilamenti con

un’efficienza paragonabile a quella delle formine, ma più bassa rispetto a quella del complesso ARP2/3.

prevede l’aggiunta di nuovi monomeri a entrambe le estremità dei

Allungamento: nuclei di polimerizzazione.

È la fase più veloce di tutto il processo. La quantità di polimero cresce esponenzialmente durante

l’allungamento.

Decorso della polimerizzazione: osservando il decorso della polimerizzazione si osserva un primo tratto di

curva dove la formazione di un polimero è quasi nulla. Questo periodo è chiamato fase di ritardo e comprende

sia l’attivazione sia la nucleazione. Al termine di questi eventi, la curva quantità di polimero/tempo si impenna;

Quando la fase di allungamento va scemando, comincia l’annealing.

in questo momento si formano i filamenti.

Al termine della polimerizzazione, il sistema raggiunge uno stato stazionario che è una fase di marcato

dinamismo.

Proprietà dinamiche dei microfilamenti: steady-state e treadmilling: i protagonisti molecolari dello steady-

state del sistema actina sono il polimero, frazionato in filamenti, e una certa quantità di monomero che non è

andata incontro a polimerizzazione. La quantità di monomero viene definita concentrazione critica. Essa

rappresenta la minima concentrazione di proteina necessaria per la polimerizzazione. Allo steady-state le

concentrazioni sia del polimero sia del monomero non cambiano. Una certa quantità di monomeri allo stato

stazionario rimane incorporata nei filamenti a livello delle barbed end, mentre le pointed end dei medesimi

filamenti rilasciano nel mezzo ambiente un’eguale quantità di subunità. Si assiste quindi ad un flusso di

subunità proteiche lungo i diversi filamenti. Esso è unidirezionale e procede dalla barbed end verso la pointed

Il treadmilling dell’actina è considerato come uno

end. Questo fenomeno è chiamato treadmilling o mulinello.

dei possibili meccanismi implicati nel trasporto intracitoplasmatico di organuli e macromolecole. Ogni tipo di

citoscheletriche è reso possibile dall’intervento di una delle

movimento che si svolge su tracce cosiddette

proteine motore che, idrolizzando ATP, fornisce l’energia necessaria all’evento motorio. Analisi accurate

hanno rivelato che, in sede cellulare, l’actina è solo parzialmente polimerizzata mentre buona parte del

monomero risulta complessata con le beta-timosine. La cellula si assicura una buona riserva di monomeri per

incrementare il suo patrimonio di F-actina.

Mobilizzazione dei monomeri di actina: avviene in più fasi. Le beta-timosine catturano le subunità actiniche

subito dopo il loro rilascio da parte del polimero; queste subunità portano legato ADP e non ATP. Le beta-

timosine passano le subunità actiniche a un’altra proteina la profilina, che possiede il compito di preparare il

d’actina al successivo assemblaggio facilitando lo scambio dell’ADP con l’ATP.

monomero La liberazione

dell’ATP-actina avvenire grazie all’intervento di un prodotto intermedio del ciclo dei

della profilina può

fosfatidilinositidi localizzato a livello del plasmalemma. Un segnale esterno attiva il ciclo. Il complesso

profilina/actina mostra una certa affinità per un lipide di membrana. Si formano altrettanti complessi

profilina/actina/PIP2. I complessi si scindono in quando la profilina, pur mantenendo attaccata al PIP2, perde

l’affinità nei confronti dell’actina, rilasciandol