Motilità e contrattilità cellulare
Citoscheletro: complessa rete di filamenti e tubuli proteici che si estende nel citosol, dal nucleo alla faccia interna della membrana citoplasmatica Funzioni: sostegno strutturale Mantenimento forma cellulare Movimento cell. ed organuli Adesione e segnalazione cell. Divisione cellulare Associazione con enzimi citosolici? 3 Elementi strutturali principali, diversi per struttura, dimensione, distribuzione diametro monomeri-struttura funzione Microtubuli 25-15 nm Tubulina α e β Tubo cavo di 13 protofilamenti Microfilamenti 7 nm Actina G actina F 2 catene di actina F intrecciate Motilità cell. (ciglia e flagelli), forma cell., movimento intracell. di cromosomi e organelli, vescicole Contraz. muscolo, ciclosi, movimento ameboide, divisione cell, forma Filamenti intermedi 8-12 nm Varie proteine 8 protofilamenti dimerici associati Sostegno, forma cell., lamina nucleare,
componenti del citoscheletro e proprietà meccaniche microfilamenti (actina) - Flessibilità Microtubuli (tubulina) - Rigidità- resistenza a compressione filamenti intermedi (varie proteine) - Flessibilità- estensibilità
microtubuli - assonemali: strutt. stabili associate al movimento ciglia,flagelli - citoplasmatici:strutt.dinamiche forma, movimento di vescicole e cromosomi, polarità assone I microtubuli sono cilindri cavi con pareti formate da 13 polimeri lineari (:protofilamenti) di eterodimeri di tubulina (α + β); orientamento specifico polarità intrinseca
MICROFILAMENTI Coinvolti nei cambi di forma cell; adesioni cell-cell e matrice; moto ameboide; ciclosi; solco di clivaggio in citocinesi; corteccia cellulare ; contraz. muscolare. Il costituente fondamentale dei microfilamenti è l actina Più molecole di actina G (globulare) polimerizzano per dare actina F (filamentosa) L orientamento dei monomeri è specifico polarità del microfilamento Molte e varie proteine possono associarsi ai filamenti di actina modulandone la funzione
Filamenti intermedi I filamenti intermedi (diametro 8-12 nm) sono le strutture più stabili del citoscheletro funzione di sostegno meccanico (es desmosomi, lamina nucleare, collegamento tra organuli) Tessuto-specifici (importanza diagnostica tumori e test prenatali) Proteine costituenti i FI sono divise in classi Cheratine (epitelio); vimentine (connettivi); desmine (muscolo); neurofilamenti (cell. nervose); lamìne nucleari (trama interna involucro nucleo)
I microtubuli e I microfilamenti sono strutture polari
Lo studio del citoscheletro e della motilità associata si avvale di moderne tecniche (microscopia fluorescenza e videomicroscopia) e dell uso di farmaci specifici (Es: colchicina e taxolo microtubuli; citocalasina D e falloidina microfilamenti)
Il movimento può avvenire a livello: -Subcellulare es cromosomi in mitosi; correnti citoplasma,trasporto vescicole -Cellulare protozoi ciliati, spermatozoi, migrazioni morfogenetiche, metastasi - di tessuto e/o organismo pluricellulare muscolo scheletrico, cuore L energia per il movimento proviene dall idrolisi di ATP che determina cambi conformazionali in speciali proteine motrici Negli eucarioti il movimento dipende dall interazione di questi motori molecolari con un impalcatura di base formata da: -MICROTUBULI o -MICROFILAMENTI Movimento basato su microtubuli: interazione tra microtubuli e le MAP motrici: dineine citoplasmatiche e assonemali, chinesine (movimenti intracellulari e di appendici esterne). Movimento basato su microfilamenti: interazione tra microfilamenti di actina e le miosine (contrazione muscolare e movimenti non muscolari)
Motilità basata su microtubuli: movimenti intracellulari I microtubuli sono le vie preferenziali su cui viaggiano vescicole chinesina e dineina sono MAP motrici responsabili del moto grazie a idrolisi di ATP; Chinesina trasporto anterogrado (vs polo +, lontano dal MTCO) Dineina trasporto retrogrado (vs polo e MTCO)
Chinesine Le chinesine hanno tre domini: 1)testa globulare che lega microtubulo e idrolizza ATP 2) regione ad elica 3) regione di interazione con altre proteine e organelli Le teste globulari funzionano come piedi per camminare lungo microtubulo (vs estremità +)
Dineine citoplasmatiche Formate da associazione di diverse catene; le catene pesanti formano le teste globulari che interagiscono con il microtubulo Si muovono vs estremità (-) Interazione con vescicole è indiretta, mediata dal complesso proteico della dinactina
Traffico vescicolare Le vescicole sono trasportate dalle MAP motrici su vie costituite da microtubuli definisce la polarità cellulare, struttura e distribuzione del RE, Golgi, lisosomi, vescicole secrezione
Trasporto assonale Le proteine motrici trasportano organelli e vescicole dal corpo cellulare verso estremità e viceversa sfruttando i microtubuli come piste
Motilità basata su microtubuli 1. Movimento intracellulare 2. Movimento di appendici mobili (ciglia e flagelli) In organismi unicell. moto e raccolta cibo es protozoi ciliati tipo Paramecium In org. multicell. movimento ambiente circostante o cell. sessuali specializzate es epitelio vie respiratorie per raccolta muco-polvere Ciglia, in genere numerose, battito a remo Flagelli, più lunghi e radi, movimento ondulatorio (da forza propulsiva in ambiente fluido)
la struttura portante di ciglia e flagelli è un assonema (sistema cilindrico di microtubuli di 0.25µm diametro) rivestito di membrana plasmatica e connesso al corpo basale, che funziona come MTCO assonema z. transizione corpo basale Corpo basale= 9 triplette di mt disposte a cerchio (mt completi) ha la stessa struttura di centriolo (=9 triplette in cerchio); funziona da centro di nucleazione per l assonema sovrastante Assonema= 9+2 9 coppie di mt periferiche e 1 centrale Nelle coppie periferiche un mt (A) completo ed uno addossato incompleto (B) Zona transizione ha organizzazione intermedia tra assonema e corpo basale
Da ciascun tubulo A delle doppiette esterne partono 2 bracci laterali (interno ed est) di dineina assonemale, che contatta il tubulo B della doppietta accanto; i bracci sono disposti a intervalli regolari nel senso longitudinale. Nexina nei legami interdoppietta; bracci radiali collegano le doppiette alla coppia centrale
La forza meccanica per scorrimento dei mt data da idrolisi di ATP e cambi conformazionali della dineina che fa scivolare 2 doppiette periferiche una sull altra: lo scorrimento diventa flessione locale dell assonema
Movimento basato sull interazione tra actine e miosine Le miosine coinvolte in processi diversi come la contrazione muscolare, moto cell., fagocitosi, strutture udititive, trasporto melanina, etc. Super-famiglia delle miosine Tutte hanno almeno una catena pesante organizzata in zona globulare (testa) che lega actina e idrolizza ATP e regione fibrosa variabile (coda) per interazione con altre molecole Sul collo catene leggere con fzne regolatrice Miosine tipo II, più note, nel muscolo liscio e scheletrico, miocardio e cell non muscolari
Organizzazione strutturale del muscolo scheletrico muscolo fasci di fibre muscolari fibre (sincizi multinucleati) miofibrille (2µm diametro, lunghe quanto fibra) sarcomero= unità strutturale-funzionale composta da filamenti spessi (miosina) e filamenti sottili (actina) Striatura tipica di miocardio e m. scheletrico riflette allineamento regolare ed in registro dei filamenti; bande scure A, chiare I
Nei sarcomeri c è una disposizione ordinata di actina, miosina e proteine accessorie I filamenti sottili sono disposti ad esagono attorno al f. spesso
a) b) a) Il sarcomero è l unità contrattile: si estende tra due linee Z ed è suddiviso in bande A, scura, e I, chiara, e zona H (regione chiara dentro la banda A). b) Ogni filamento spesso (15nm diametro) è formato da molte molecole di miosina associate con orientamento opposto e teste sporgenti sfalsate; la zona centrale del filamento contiene solo le code fibrose.
I filamenti sottili (7nm diametro) sono interdigitati con i filamenti spessi ed ancorati alla linea Z Il filamento sottile contiene actina F intrecciata con tropomiosina (fibrosa) e associata con troponina (3 subunità) Il complesso troponina e tropomiosina funziona da interruttore molecolare sensibile al Ca 2+
La contrazione è spiegata dal modello dello scorrimento dei filamenti : I filamenti spessi camminano su quelli sottili trainadoli vs centro del sarcomero si contrae sarcomero e banda I; i filamenti non si accorciano, aumenta invece la loro sovrapposizione!
Lo scorrimento delle miosine sui filamenti sottili dipende dalla formazione di ponti traversi transitori tra le teste gobulari di miosina e le actine G dei filamenti sottili. I ponti si formano e dissociano ripetutamente durante la contrazione muscolare. La contrazione è il risultato della successione di cicli di formazione e rottura dei ponti.
Un ciclo completo di contrazione consiste in 4 fasi in cui: 1) La testa della miosina energizzata lega l actina debolmente 2) Il legame si rinsalda con perdita di ADP e cambio conformazionale scorrimento del filamento sottile 3) Legame dell ATP e distacco dall actina 4) Idrolisi dell ATP e flessione della testa della miosina In assenza di ATP, le fibre restano contratte!! rigor mortis I muscoli hanno riserve di ATP sottoforma di creatina fosfato e grazie a enzima miochinasi (2ADP ATP+AMP)
La contrazione è regolata dalla [Ca 2+ ] La [Ca2+] regola la disponibiltà dei siti di legame per la miosina sull actina
Il livello di Ca2+ intracellulare è finemente controllato nelle fibre muscolari e varia in risposta a stimoli nervosi Struture specializzate caratteristiche delle fibre muscolari: Il reticolo sarcoplasmatico (SR) è un sistema di sacchi membranosi intracellulari che funziona da deposito per il Ca e avvolge in modo capillare le miofibrillle. L SR accumula e rilascia rapidamente Ca in risposta a impulso nervoso. I tubuli T sono invaginazioni intracellulari della membrana plasmatica (sarcolemma) che prendono contatto stretto con il reticolo sarcoplasmatico.
A livello della giunzione neuromuscolare il rilascio del neurotrasmettitore e quindi il suo legame su recettori specifici del sarcolemma inducono un potenziale di azione che è trasmesso lungo la membrana fino ai tubuli T da qui l impulso viene trasmesso al reticolo scarcoplasmatico inducendo l apertura dei canali per il Ca e quindi la contrazione. Cessato lo stimolo, la [Ca2+] citosolica scende rapidamente grazie alle pompe ATPasi per il Ca che lo risequestrano dal citosol dentro le cisterne del SR.
Regolazione della contrazione nel muscolo liscio Il muscolo liscio è coinvolto in contrazioni involontarie (vasi sanguigni, intestino, utero) Contrazione lenta e prolungata, innescata da stimolo nervoso o ormonale Cellule fusiformi e singole (non fuse in sincizio come nello scheletrico) Filamenti spessi e sottili non organizzati in miofibrille Come nel m. scheletrico anche in quello liscio la contrazione è regolata dal Ca 2+ ma con meccanismo diverso:
L interazione actina-miosina è coinvolta non solo nella contrazione muscolare ma anche in molti tipi di movimento non muscolare: es citocinesi, movimento cellulare strisciante (ameboide e filopodi), chemiotassi, correnti citoplasmatiche Movimento strisciante mediante emissione di speciali prolungamenti citoplasmatici : lamellipodi e/o filipodi Tappe di un movimeto strisciante: Emissione di una protusione all estremità guida adesione al subtrato tensione nei filamenti di actina e ritrazione della coda.
Miosine ed actine sono coinvolte nel movimento strisciante La micrografia evidenzia le due molecole nell estremità guida di un fibroblasto
Il movimento strisciante mediato da filopodi è tipico dei fibroblasti e delle migrazioni cellulari embrionali I filopodi emergono evidenti dalla superficie cellulare, dentro I filopodi si trovano fasci paralleli di actina
L adesione al substrato è fondamentale per il movimento netto Le miosine tirano dietro i microfilamenti di actina che man mano si allungano all estremità (+) per polimerizzazione. In seguito ad adesione salda al substrato, mediata da proteine integrine, la polimerizzazione dei mf comporta un allungamento netto con spostamento in avanti della protusione
Il movimento ameboide Il movimento strisciante di tipo ameboide è tipico di alcuni protozoi, funghi e leucociti (funzione di motilità, nutrimento-fagocitosi, difesa) Si basa su: -emissione di protusioni citoplasmatiche dette pseudopodi -alternanza di transizioni gel-fluido nello stato del citoplasma Correnti fluide si muovono vs pseudopodio e solidificano sulla punta mentre, al margine posteriore, l ectoplasma fluidifica e scorre vs protusione
Citocinesi in una cellula animale Il solco di clivaggio è una strozzatura dovuta ad un anello contrattile di microfilamenti: I filamenti di actina scorrono su f. di miosina (consumo ATP)
Fasci di actina e miosina nelle stereociglia delle cellule della coclea