Citoscheletro Microtubuli BUSB FUNZIONE MICROTUBULI (G. Karp: Biologia cellulare e Animale, EdiSES, 1998) Scheletro interno o impalcatura che fornisce un supporto strutturale e aiuta il mantenimento della posizione degli organelli citoplasmatici. Parte del meccanismo che sposta materiali e organelli da una parte all altra della cellula. Elementi motori di cilia e flagelli. Componenti principali del meccanismo responsabile della mitosi e della meiosi (fuso mitotico). NEW: Componenti di cilia primarie, immobili, «antenne» per diversi segnali chimici, meccanici, luminosi, temperatura, ecc.. 1
Microtubuli e organizzazione del citoplasma 2 (A) Schema di una cellula illustrando la tipica disposizione dei microtubuli (verde), reticolo endoplasmatico (blu) e apparato di Golgi (giallo). Il nucleo è evidenziato in marrone e il centrosoma in verde chiaro. (B) Cellula marcata con anticorpi contro il reticolo endoplasmatico (panello superiore) o microtubuli (panello inferiore). Proteine motore tirano il RE lungo i microtubuli, estendendolo come un reticolato a partire dal suo collegamento all involucro nucleare. (C) Cellula marcata con anticorpi contro l apparato di Golgi (panello superiore) o contro i microtubuli (panello inferiore). In questo caso delle proteine motore muovono l apparato di Golgi verso l interno fino alla sua posizione vicino al centrosoma. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk28420/figure/a4196/?report=objectonly Microtubuli: organizzazione di assoni e dendriti http://scientia.wikispaces.com/orga nization+of+the+nervous+system http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk28122/figure/a574/ 2
Microtubuli: Flagelli e cilia http://kentsimmons.uwinnipeg.ca/cm1504/cytoskeleton.htm Microtubuli: Eucarioti unicellulari ciliati 3
Cellule ciliate dell epitelio respiratorio http://faculty.une.edu/com/abell/histo/histolab3c.htm Schema dell epitelio respiratorio (cellule ciliate) http://alexandria.healthlibrary.ca/documents/notes/bom/unit_ 2/L- 32%20Histology%20of%20the%20Respiratory%20System %201.xml http://greaterimmunity.com/files/respiratory_i mmunity.html 4
Microtubuli: Cellule eucariotiche flagellate 1 Microtubuli: Cellule eucariotiche flagellate 2 5
Fuso mitotico 1 http://ehumanbiofield.wikispaces.com/chromosomes+hw4+mc Fuso mitotico 2 http://www.microscopyu.com/staticgallery/featuredmicroscopist/deerinck/deerinckimage13.html 6
Microtubuli Polimerizzazione Polimerizzazione dei microtubuli (1) La tubulina consiste di due subunità ad elevata omologia chiamate α e β. Sia le subunità α che β del dimero di tubulina legano una molecola di GTP. Il GTP legato alla tubulina α non viene mai idrolizzato e rimano intrappolato nell intefaccia fra le subunità α e β. Vice versa, il sito di legame per il GTP della subunità β si trova sulla superficie del dimero. Il GTP legato alla subunità β può essere idrolizzato e il GDP risultante può venire scambiato con un GTP libero. In condizioni appropriate i dimeri solubili di tubulina possono polimerizzare dando i microtubuli. Lodish et al., 7 ed. 7
Polimerizzazione dei microtubuli (2) Lodish, 7 ed. Polimerizzazione dei microtubuli (3) I microtubuli sono composti da 13 protofilamenti associati lateralmente che formano un tubo dal diametro esterno di circa 25 nm. Ciascuno dei 13 protofilamenti è una stringa di dimeri di αβtubulina disposti longitudinalmente in modo che le subunità si alternano lungo il protofilamento. I protofilamenti hanno polarità intrinseca dato che ogni protofilamento ha una subunità α in una delle estremità e una subunità β nell altra. L estremità che espone la subunità β è l estremità (+) mentre l estremità che espone la subunità α è l estremità ( ). 8
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26862/figure/a2968/?report=objectonly Polimerizzazione dei MT http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk21522/figure/a5432/ Microtubuli_comp2011Microtubuli 18 9
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INSTABILITA DINAMICA DEI MICROTUBULI http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26862/?rendertype=figure&id=a2975 Instabilità dinamica, note (1) L aggiunta di un dimero all estremità (+) di un protofilamento su un microtubulo in crescita coinvolge l interazione tra una subunità pre esistente β terminale e la nuova subunità α. L interazione aumenta l idrolisi del GTP a GDP nella precedente subunità β terminale. Tuttavia, la β tubulina del nuovo dimero che viene aggiunto contiene GTP. Perciò, ogni protofilamento in un microtubulo in crescita contiene soprattutto GDP β tubulina lungo la sua estensione ma è «incapucciato» da uno o due dimeri terminali contenenti GTP β tubulina. Lodish et al., 7 ed. 11
Instabilità dinamica, note (2) Un protofilamento isolato contenente GDP β tubulina è incurvato. Come mai non si rompe quando è inserito in un microtubulo e si distacca? Le interazioni laterali fra protofilamenti nel cappello di GTP βtubulina sono sufficientemente forti per impedire che il microtubulo si sfaldi all estremità e quindi i protofilamenti dietro il capello di GTP β tubulina sono costretti a non staccarsi. L energia rilasciata dall idrolisi del GTP nelle subunità dietro il cappello è immagazzinata nella rete sotto forma di tensione meccanica che aspetta ad essere rilasciata quando il cappello di GTP β tubulina viene perso. Se ciò avviene, l energia immagazzinata può svolgere lavoro se alcune strutture (es. cromosomi) sono legate al microtubulo in disassemblaggio. Lodish et al., 7 ed. Lo scambio di GDP con GTP dall eteordimero di tubulina verso il citoplasma parzialmente raddrizza la subunità GDP tubulina inclinata ( kinked ). La subunità GTP tubulina si raddrizza totalmente quando è costretta nella parete del microtubule dopo la polimerizzazione. In seguito all idrolisi il dimero GDP tubulin è ulteriormente sotto tensione, e questa tensione è la forza motrice per la depolimerizzazione, in questo modo completando il ciclo. http://www.nature.com/nrm/journal/v10/n8/fig_tab/nrm2713_f3.html 12
Cinetica di crescita dei Microtubuli 25 L instabilità dinamica è dovuta alle differenza strutturali fra le estremità in crescita e in accorciamento 1 Se la concentrazione libera di tubulina in soluzione si trova fra i valori critici per l estremità positiva e quella negativa, l estremità di un singolo microtubulo può subire transizioni fra uno stato di accrescimento e uno di accorciamento. Un microtubulo in accrescimento ha subunità contenenti GTP alla sua estremità, formando un cappello a GTP. Se l idrolisi del nucleotide ha luogo più rapidamente dell aggiunta di una nuova subunità, il cappello viene perso e il microtubulo inizia ad accorciarsi, un evento chiamato catastrofe. Ma in ogni caso continueranno ad aggiungersi all estremità in accorciamento delle subunità con GTP, e se un numero sufficiente di subunità viene aggiunto e si forma un nuovo cappello, la crescita del microtubuli riprende, un evento detto salvataggio. 13
L instabilità dinamica è dovuta alle differenza strutturali fra le estremità in crescita e in accorciamento 2 Modello per le consequenze strutturali dell idrolisi dell GTP sulla rete di microtubuli. L aggiunta di subunità di tubulina contenente GTP all estremità di un protofilamento provoca la crescita in conformazione lineare che si può rapidamente impacchettare nella parete cilindrica del microtubulo. L idrolisi del GTP dopo l assemblaggio provoca l alterazione delle conformazione delle subunità e tende a forzare i protofilamenti ad assumere una forma incurvata che è meno suscettibile ad impacchettarsi nella parete del microtubulo. L instabilità dinamica è dovuta alle differenza strutturali fra le estremità in crescita e in accorciamento 3 In un microtubulo intatto, i protofilamenti fatti da subunità contenenti GDP sono costretti in una conformazione lineare dai diversi legami laterali all interno della parete del microtubulo, a causa della presenza di un cappello stabile di subunità contenenti GTP. Tuttavia, la perdita del cappello di GTP permette alle subunità contenenti GDP di rilassarsi ad assumere la loro conformazione più incurvata. Ciò porta al progressivo disassemblamento del microtubulo. Sopra gli schemi di un microtubulo in crescita e in accorciamento, le fotografie in microscopia elettronica mostrano reali microtubuli in ciascuno di questi stati. Notare in particolare l incurvatura, la disintegrazione dei protofilamenti contenentigdp ad una estremità del microtubulo in accorciamento. 14
Microtubuli Proteine associate Microtubule associated proteins (MAPs) Sono proteine che si legano lateralmente ai microtubuli. Come il farmaco tassolo, le MAPs possono stabilizzare i microtubuli contro il disassemblamento. Un sotto insieme di MAPs può anche mediare le interazioni dei microtubuli con altre componenti cellulari. o Queste MAPs sono cospicue nei neuroni, dove stabilizzano i fasci di microtubuli che formano l asse centrale degli assoni e dei dendriti che si stendono dal corpo cellulare. o La lunghezza del dominio che si proietta dal microtubulo può determinare quanto vicino i microtubuli rivestiti di MAPs si impachettano. 15
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Cell overexpressing MAP2 Cell overexpressing tau http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26809/figure/a3012/ 33 Citoscheletro degli assoni e dei dendriti http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk28122/figure/a574/ 17
Didascalia fig. Citoscheletro assone e dendriti 1 I citoscheletri degli assoni e dei dendriti differiscono sia in composizione che in organizzazione. Con un eccezione, tutte le proteine citoscheletriche sono sintetizzate su polisomi liberi nel corpo cellulare, e successivamente trasportate ai loro diversi compartimenti cellulari. L eccezione è la MAP2, che è la principale proteina associate ai microtubuli dei dendriti. Mentre una certa quantità di MAP 2 è sintetizzata nel corpo cellulare, il mrna della MAP2 è specialmente abbondante nel compartimento dendritico e si ritiene che una frazione significativa venga sintetizzata in quella sede. Si pensa che i microtubuli dei corpi cellulari, dendriti e assoni vengano nucleati nel microtubule organizing center (MTOC), e successivamente rilasciati nei dendriti o nell assone. Didascalia fig. Citoscheletro assone e dendriti 2 Nel dendrite, i microtubuli hanno spesso polarità miste, con estremità sia (+) che ( ) distali rispetto al corpo cellulare. La conseguenza funzionale di tale organizzazione è incerta ma potrebbe spiegare perchè la forma dei dendriti si affusoli sempre di pù man mano essi si allontano dal corpo cellulare. Viceversa, i microtubuli assonali sono orientate con la loro estremità (+) situate distalmente al corpo cellulare e mostrano una distribuzione uniforme lungo l assone. Nonostante una certa quantità di proteina tau possa trovarsi nei corpi cellulari e nei dendrite, i microtubuli assonali hanno una gran quantità di proteina tau e la tau assonale è fosforilata diversamente. 18
Didascalia fig. Citoscheletro assone e dendriti 3 La MAP2 sembra essere assente dall assone. I neurofilamenti (filamenti intermedi) vengono largamente esclusi dai compartimenti dendritici ma sono abbondanti nei grandi assoni. La spaziatura dei neurofilamenti è sensibile al livello di fosforilazione, Sia i microtubuli che i neurofilamenti si fermano ed iniziano nell assone piuttosto che proseguire all interno verso il corpo cellulare. I microfilamenti presentano un organizzazione pù dispersa e possono essere difficilmente visualizzabili nel neurone maturo. Essi sono più abbondanti vicino alla membrana plasmatica e sono inoltre abbondanti nei terminali presinaptici e nelle spine dendritiche. Neurone normale http://scitechdaily.com/alzheimers-spreads-throughout-the-brain-byjumping-from-neuron-to-neuron/ Malattia di Alzheimer Le proteine tau che collegono i microtubili subiscono una modificazione chimica detta iperfosforilazione. Non sono più in grado di collegare i microtubuli. http://simple.wikipedia.org/wiki/alzheimer%27s_disease 19
Microtubuli Proteine motore 20
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/b ooks/nbk28419/figure/a4253/ http://csls text.c.utokyo.ac.jp/large_fig/fig06_8a.html 21
Role of cytoskeletal motors beyond membrane transport. From the following article: Molecular motors Manfred Schliwa and Günther Woehlke Nature 422, 759-765(17 April 2003) 1, Retrograde transport of centrosomal components. 2, Anterograde and retrograde transport of intermediate filaments. 3, Anterograde and retrograde transport of ribonucleoprotein (RNP) complexes. 4, Myosin, kinesin and dynein motors interact with components of the microtubule plus end complex 5, Anchorage of dynein at the actin rich cell cortex. 6, Interaction of a kinesin like protein with actin. 7, Catenin mediated anchorage of dynein at adherens junctions. http://www.nature.com/nature/journal/v422/n6933/fig_tab/nature01601_f5.html 22
Modello generale per il trasporto mediato da chinesina e da dineina in una cellula tipica L insieme dei microtubuli, con le loro estremità (+) che puntano verso la periferia della cellula, irradia da un MTOC Microtubule Organizing Center (centro organizzatore dei microtubuli) situato nella regione del Golgi. Il trasporto anterogrado mediato da chinesina convoglia mitocondri (trasportati dalla proteina KIF 1b), lisosomi e un assortimento di vescicole di membrana verso il reticolo endoplasmatico (ER) o la periferia della cellula. Il trasporto retrogrado dipendente dalla dineina citosolica convoglia elementi del ER, endosomi tardivi e lisosomi fino al centro della cellula. Molecular Cell Biology Chapter 19. Cell Motility and Shape II: Microtubules and Intermediate Filaments Section 19.3. Kinesin, Dynein, and Intracellular Transport (Vecchia edizione) Movimento assonale 1 Un tipico neurone di Vertebrato La freccia indica la direzione in cui i segnali vengono convogliati. Il singolo assone conduce i segnali dal corpo cellulare all esterno, mentre i multipli dendriti ricevono segnali dagli assoni di altri neuroni. I terminali nervosi finiscono sui dendriti o sul corpo cellulare di altri neuroni o di altri tipi cellulari come ad esempio il muscolo o le cellule ghiandolari. 23
Movimento assonale veloce Didascalia figura precedente 1 Illustrazione schematica di materiale associato a membrane nel trasporto assonale veloce. Il movimento assonale veloce rappresenta il movimento di organelli circondati da membrane lungo i microtubuli assonali sia in direzione anterograda che retrograda. Sono illustrati due principali classi di organelli racchiusi da membrane che sono sintetizzati e impacchettati mediante vie diverse. I polipeptidi delle vescicole sinaptiche sono tradotti su ribosomi legati al reticolo endoplasmatico con un processo in cui le proteine di membrana sono orientate in modo corretto all interno del doppio strato lipidico e i polipeptidi da secrezione entrano nel lume del reticolo endoplasmatico. Questi polipeptidi sono ulteriormente processati all interno dell apparato di Golgi, dove hanno luogo le modificazioni appropriate post traduzionali e lo smistamento dei polipeptidi destinati all assone. Una volta che questi polipeptidi sono impacchettati in organelli vescicolari, e le molecole motore appropriate sono presenti, gli organelli sono trasportati lungo l assone utilizzaanfo i microtubuli assonali come rotaie a velocità di 200 400 nm al giorno. 24
Didascalia figura precedente 2 Si ritiene che il movimento in direzione anterograda sia mediato dal motore molecolare chinesina, mentre la forza necessaria per muovere in verso retrogrado gli organelli dovrebbe essere generata dalla dineina citoplasmatica. Al contrario della sintesi dei polipeptidi vescicolari, i polipeptidi mitocondriali, che sono codificati dal genoma nucleare, sono sintetizzati su ribosomi citoplasmatici e contengono una sequenza target che indirizza i polipeptidi ai mitocondri. In seguito all assemblaggio, i mitocondri si muovono lungo l assone a velocità di circa 50 100 mm al giorno. E possibile anche individuare mitocondri che si muovono indietro verso il corpo cellulare, ossia in direzione retrograda. La morfologia dei mitocondri trasportati in modo retrogrado è nettamente diversa da quelle dei mitocondri che si muovono in direzione anterograda e si pensa che essi rappresentino organelli degeneranti che non sono metabolicamente attivi. RER: reticolo endoplasmatico ruvido ( rough ). Movimento assonale lento 25
Didascalia figura precedente 1 Illustrazione schematica del movimento degli elementi citoscheletrici nel trasporto assonale lento. Il trasporto assonale lento rappresenta il movimento di costituenti citoplasmatici, incluso elementi citoscheletrici e enzimi solubili del metabolismo intermediario, a velocità di 0.2 2 mm al giorno, che sono almeno due ordini di grandezza (102, ossia 100 volte) più lenti di quelli osservati nel trasporto assonale veloce. Basic Neurochemistry Part Four. Growth, Development and Differentiation 28. Axonal Transport Discovery and Conceptual Development of Fast and Slow Axonal Transport Didascalia figura precedente 2 Come proposto nell ipotesi strutturale e supportato da prove sperimentali, si presume che i componenti del citoscheletro siano trasportati lungo l assone in forme polimerica, e non come subunità polipeptidiche individuali. I polipeptidi del citoscheletro sono tradotti su polisomi citoplasmatici e quindi assemblati in polimeri prima del trasporto lungo l assone in direzione anterograda. Contrariamente al trasporto assonale veloce, nessun costituente del trasporto lento sembra essere trasportato in direzione retrograda. Nonostante la composizione dei polipeptidi nel trasporto assonale lento sia stata estesamente caratterizzata, le proteine motore responsabili del movimento di questi componenti citopalsmatici non sono ancora state identificate. 26
Microtubuli Centrosoma, centrioli CENTROSOMA: Centro principale di organizzazione dei microtubuli (MTOC) nelle cellule animali. Comprende due centrioli circondati da una matrice elettron densa, il materiale pericentriolare (PCM). CENTRIOLO: Il centriolo canonico è un cilindro che comprende 9 triplette di microtubuli, ha circa ~0.5 μm di lunghezza e ha appendici nelle estremità distali dopo maturazione. Vi sono variazioni in questa struttura, in cui le triplette sono sostituite da singolette o doppiette e non vi sono appendici. CORPO BASALE: Una struttura che si trova alla base delle cilia e flagelli degli eucarioti che organizza l assemblaggio dell assonema. I centrioloi possono dare origine a corpi basali o vice versa. La struttura del corpo basale è la stessa del centriolo; inoltre, i corpi basali hanno una zona di transizione nell estremità distale che è contigua all assonema. MATERIALE PERICENTRIOLARE. Materiale fibrillare che circonda I centrioli nel centrosoma e che nuclea la crescita di nuovi microtubuli. 27
Centrosoma http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26809/figure/a2999/?report=objectonly MICROTUBULE ORGANIZING CENTERS (MTOCs) (Centri di Organizzazione dei Microtubuli) Controllano il numero e la polarità dei microtubuli che si formano Controllano il numero di protofilamenti che formano la parete dei microtubuli (ad es. 13 o 11, come nell assonema o nei centrioli e corpi basali) Controllano il momento e il luogo dove i microfilamenti vengono assemblati Hanno in comune la proteina tubulina nel materiale pericentriolare, critica per l assemblaggio dei microtubuli G. Karp: Biologia cellulare e Animale, EdiSES, 1998 28
http://courses.washington.edu/conj/cell/cell.htm Centrioli http://micro.magnet.fsu.edu/cells/centrioles/centrioles.ht ml Centriolo Struttura cava, cilindrica che si trova nel centrosoma o MTOC della maggior parte delle cellule eucariotiche. Due centrioli formano una zona centrale a forma di L che è composto di corti microtubuli e da diverse proteine accessorie. Il più vecchio dei due centrioli, chiamato centriolo madre inizia l assemblaggio del più giovane, o centriolo figlio, durante la fase di duplicazione dei cromosomi che precede la divisione cellulare. I centrioli sono coinvolti nell assemblaggio del fuso mitotico e della citocinesi, fasi in cui aiutano ad organizzare il materiale pericentriolare contenente diversi γ TuRC. Tuttavia, i centrioli non nucleano direttamente i microtubuli. Si pensa che l inizio della formazione dei microtubuli abbia luogo nel materiale pericentriolare e che essi si leghino alle appendici del centriolo madre. Una struttura specializzata simile al centriolo, il corpo basale, è un componente essenziale alla base di tutte le cilia e flagelli. http://manual.blueprint.org/home/glossary of terms/mechano glossary c/glossary centriole 29
Struttura del centrosoma Nelle cellule che non si stanno dividendo, il MTOC è noto come centrosoma, che consiste in una copia a forma di L di centrioli e di materiale centriolare associato. Il più vecchio dei due centrioli ha proteine aggiuntive che formano come delle appendici lungo la superficie esteriore. Il materiale pericentriolare contiene numerosi γ TuRC che nucleano la disposizione di mcirotubuli. I centriloi hanno i MTs organizzati in una struttura simile a quella del corpo basale che si trova alla base di cilia e di flagelli. http://manual.blueprint.org/home/glossary-of-terms/mechano-glossary--c/glossary-centriole Iniziazione dell assemblaggio dei MTs http://manual.blueprint.org/home/glossary-ofterms/mechano-glossary--m/mechano-glossarymicrotubules/glossary-tubulin/glossary-microtubule-initiation La nucleazione dei MTs è sfavorevole nelle condizioni normali che si trovano nella maggior parte delle cellule viventi. Perciò i MTs sono nucleati da un complesso di γ tubulina e di altre componenti proteiche note come il γ tubulin ring complex (γ TuRC). Il MTOC contiene numerosi γ TuRC e questa regione della cellula è il sito principale di nucleazione dei MTs. Il γ TuRC nuclea e incapuccia le estremità ( ) e (+) dei nuovi filamenti fornendo siti di legame stabili per i dimeri di tubulina. I dimeri di tubulina usano sopratutto interazioni longitudinali per legarsi fra di loro e al γ TuRC durante la fase di nucleazione. Man mano la lunghezza del protofilamento aumenta, le interazioni laterali fra i protofilamenti creano una stabilità addizionale che porta ad un MT chiuso. 30
Microtubuli ORGANIZZAZIONE DEL CITOPLASMA http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk21710/figure/a5469/?report=objectonly 31
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nb K21580/figure/A5417/?report=objecton ly (a) Nelle cellule animali in interfase, le estremità ( ) della maggior parte dei MT si trova vicino al MTOC. Allo stesso modo, i MT dei flagelli e delle cilia hanno le loro estremità ( ) in continuità con il corpo basale, che funge come il MTOC per queste strutture. (b) Quando le cellule entrano in mitosi, la rete dei MTs si riarrangia, formando un fuso mito co. Le estremità ( ) di tutti i MT del fuso puntano verso uno dei due MTOCs, o poli del fuso, come vengono chiamati nelle cellule mitotiche. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nb K21580/figure/A5417/?report=objecton ly (c) Nelle cellule nervose, le estremità ( ) dei MT assonali sono orientate verso la base dell assone. Tuttavia, i MT dei dendriti hanno polarità miste. (d) Nelle cellule vegetali, che contengono numerosi MTOCs, i MTs si allineano lungo la corteccia cellulare. Reti di MTs incapucciano le estremità in crescita di una cellula vegetale. 32
Struttura di neuroni tipici dei mammiferi Le frecce indicano la direzione di conduzione dei potenziali di azione negli assoni (rosso). (a) Interneuroni multipolari. Ciascun neurone ha dendriti con ramificazioni profuse, che ricevono segnali nelle sinapsi con diverse centinaia di altri neuroni, e un singolo e lungo assone che si ramifica lateralmente alla sua estremità. (b) Un motoneurone che innerva una cellula muscolare. Tipicamente, i motoneuroni hanno un singolo e lungo assone che si estende dal corpo cellulare fino alla cellula effettrice. Nei motoneuroni dei mammiferi uno strato isolante di mielina di solito riveste tutte le parti dell assone all eccezione dei nodi di Ranvier e dei terminali assonici. (c) Un neurone sensitivo in cui l assone si ramifica subito dopo che esce dal corpo cellulare. Il ramo periferico trasporta l impulso nervoso dalla cellula recettrice fino al corpo cellulare che è localizzato nella radice dorsale del ganglio vicino al midollo spinale; il ramo centrale trasporta l impulso dal corpo cellulare al midollo spinale a al cervello. Entrambi i rami sono strutturalmente e funzionalmente degli assoni, tranne che nelle pozioni terminali, nonostante il ramo periferico conduca impulsi verso, piuttosto che dal corpo cellulare Microtubuli Cilia, flagelli, assonema 33
Battito ciliare Le cilia sulla superficie di uno protozoo ciliato battono in onde metacronali: le cilia di una data fila sono nello stesso stadio del ciclo di battito, ma quelle delle file adiacenti sono in stadi diversi con un ritardo o anticipo fisso. RS: cilia nel recovery stroke (battito di recupero); ES: cilia in battito di potenza effettivo. 34
Ritmo metacronale del battito delle cilia L assonema di cilia e flagelli (1) Le cilia e flagelli hanno dimensioni che vanno da alcuni micron a >2mm negli spermatozoi di alcuni insetti. Hanno un fascio centrale di microtubuli, l assonema, che consiste in una disposizione detta «9+2» con 9 doppiette di microtubuli circondando una coppia centrale di microtubuli. Ciascuna delle doppiette consiste in un microtubulo A completo (13 protofilamenti ) e in un microtubulo B incompleto (di solito 10 protofilamenti), appoggiato al primo. Lodish et al., 7 ed. 35
http://course1.winona.edu/sberg/illust/fig23 8.jpg L assonema di cilia e flagelli (2) Tutti i microtubuli dell assonema hanno la stessa polarità: l estremità (+) è localizzata nella punta distale. Dalla parte opposta, l assonema è collegato ad un corpo basale, una struttura con 9 triplette di microtubuli simile al centriolo. La struttura dell assonema è tenuta insieme da tre insiemi di proteine che stabiliscono legami incrociati. I due microtubuli centrali sono collegati strutturalmente da ponti periodici simili ai pioli di una scaletta. Un secondo insieme di proteine strutturali, costituiti dalla proteine nexina, collega doppiette esterne adiacenti. Altre proteine struturali formano come dei raggi («radial spokes») che si proiettano da ogni tubulo A di ogni doppietta verso la coppia centrale. Lodish et al., 7 ed. 36
L assonema di cilia e flagelli (3) La principale proteina motore presente nelle cilia e nei flagelli è la dineina assonemale. Due file di motori di dineina sono collegate periodicamente lungo la lunghezza di ogni tubulo A delle doppiette esterne di microtubuli: dineine del braccio esterno e del braccio interno. E l interazione temporanea di questi motori di dineina con il tubulo B della doppietta adiacente che permette il piegamento delle cilia e dei flagelli. Lodish et al., 7 ed. Corpuscoli basali I microtubuli che formano l assonemas di un ciglio o di un flagello prendono origine da una struttura detta corpo basale che si trova alla base dell organello. I corpi basali hanno la stessa struttura di un centriolo e infatti corpi basali e centrioli danno orgini gli uni agli altri. Il flagello di uno spermatozoo, ad es., si forma da un corpo basale derivato da un centriolo che faceva parte del fuso mitotico dello spermatocita da cui lo spermatozoo ha preso origine. 37
http://en.wikipedia.org/wiki/cilium 38
Movimenti di cilia e flagelli http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk9833/figure/a1846/ Struttura di cilia e flagelli All interno degli assonemi mobili, le dineina inducono lo scivolamento reciproco delle doppietti di microtubule adiacenti. A questi movimenti di scivolamento si oppongono le altre protein dell assonema, che li convertono in deformazioni di ripiegamento che si propagono lungo l assonema. Le oscillazioni risultanti possono sia propulsionare la cellula attarverso il suo microambiente fluido che creare un flusso di liquid sopra la superficie cellulare. Per produrre lo scivolamento, le dineine assonemali formano un collegamento stabile ad un microtubulo mediante le loro code ed usano i domini motore per spostarsi lungo un microtubulo adiacente. http://www.nature.com/nrm/journal/v14/n11/box/nrm3667_bx1.html; http://micro.magnet.fsu.edu/cells/ciliaandflagella/ciliaandflagella.html 39
http://kentsimmons.uwinnipeg.ca/cm1504/cytoskeleton.htm 40
http://kentsimmons.uwinnipeg.ca/cm1504/cytoskeleton.htm Dineina diffettosa - Notare la perdita di organizzazione strutturale 41
Sindrome di Kartagener Incapacità di sintetizzare microtubuli Cilia e flagelli immobili Infezioni respiratorie croniche Sterilità maschile La struttura dei flagelli differisce fra (la maggior parte dei) procarioti e gli eucarioti 42
Microtubuli Fuso mitotico Fuso mitotico http://www.microscopyu.com/staticgallery/featuredmicroscopist/deerinck/deerinckimage13.html 43
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bo oks/nbk26934/figure/a3350/ 87 Fuso mitotico http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/n BK9932/figure/A1825/ 88 44
Formazione del fuso mitotico http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk9932/figure/a1830/ I centrioli e i centrosomi si duplicano durante l interfase. Durante la profase della mitosi, i centrosomi duplicati si separano e si muovono verso le estremità opposte del nucleo. L involucro nucleare si disggrega, e i microtubuli si riorganizzano per formare il fuso mitotico. I microtubuli del cinetocore si legano ai cromosomi condensati, mentre i microtubuli polari si sovrappongono al centro della cellula, e i microtubuli astrali si estendono verso la periferia della cellula. Nella metafase i cromosomi condensati si allineano al centro del fuso. Fuso mitotico - 1 http://ehumanbiofield.wikispaces.com/chromosomes+hw4+mc 45
Microtubuli Farmaci Colchicina e tassolo: Farmaci specifici per i microtubuli Questi e altri farmaci che interferiscono con l assemblaggio e il disassemblaggio normale dei microtubuli hanno un effetto antimitotico che è particolarmente devastante nelle cellule in rapida divisione, come le cellule tumorali (e cellule normali quali quelle del midollo osseo, dell intestino e o dell epidermide). http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk21522/figure/a5439/?report=objectonly 46
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26862/table/a2992/ 94 47
Cultured human epithelial cells form primary cilia (green: cilia; red: basal body). Microtubuli Cilia primarie o immobili http://www.kidneyresearchcenter.org/index.php/fuseaction/scaleup/scaleupid/162/cilia.htm 48
http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsn/images/picture_70_bw_lg.jpg Cilia primaria Per molto tempo quasi tutta l attenzione è stata data alle cilia mobili perchè la loro funzione era immediatamente osservabile. Ma gli scienziati, già dal 1868 con Kowalevsky, hanno riportato la presenza di cilia singole (immobili) in una gran diversità di cellule dei vertebrati. Queste cilia solitarie e apparentemente non funzionali sono in realtà molto più diffuse del tipo mobile. Ad esempio, nell Uomo solo alcuni tipi cellulari hanno cilia mobili, in particolare gli spermatozoo, nelle cellule epiteliali dei bronchi e degli ovidotti, e le cellule ependimali che rivestono le vescicole cerebrali. Viceversa, praticamente tutti gli altri tipi cellulari hanno un cilio primario. http://www.nature.com/scitable/topicpage/the primary cilium an orphan organelle finds 14228249 49
Cilia primaria: cosa le rende diverse dalle cilia mobili? Mancano della paia centrale di microtubuli, il che spiegherebbe la mancanza di mobilità. In più sembrano anche essere privi di dineina, uno dei motori molecolari necessari per la motilià. Inoltre, alcune cilia primarie non si proiettano oltre la superficie cellulare e la maggior parte, se non tutte, sono molto corte. Che funzione svolgono allora questi organelli se non protrudono fuori dalla cellule nè sono mobili? Molti scienziati hanno ritenuto che potessero essere semplicemente organi vestigiali senza alcun ruolo reale, mentre altri hanno notato che le cilia primaria sembrano essere presenti in zone chiave che coinvolgono la visione, l udito, e altre forme di input sensoriali. Negli anni 1990 gli scienziati cominciarono a guardare alle cilia primarie con interesse sempre crescente ma la sorgente dell interesse è venuta da un candiato alquanto improbabile. http://www.nature.com/scitable/topicpage/the primary cilium an orphan organelle finds 14228249 50
Chlamydomonas e il trasporto intraflagellare Chlamydomonas: Modello classico per studiare la struttura dei flagelli. Sistema di trasporto intraflagellare (IFT): sistema di trasporto intracellulare che costruisce e mantiene cilia e flagelli. Una delle proteine coinvolte nella funzione di IFT è la stessa coinvolta nella malattia del rene policistico (Polycystic kidney disease, PKD) nei topi. Le cellule che rivestono il nefrone hanno cilia primarie. I topi con PKD non sono in grado di assemblare le cilia come si deve. La PKD è la più importante patologia renale nell Uomo. http://www.nature.com/scitable/topicpage/the primary cilium an orphan organelle finds 14228249 Le cilia primarie come recettori sensoriali 1 Le cilia primarie nelle cellule normali rispondono al segnale meccanico prodotto da un fluido che fluisce per iniziare la rapida captazione di calcio. Le cellule PKD, che mancano di cilia primarie, non mostrano alcuna risposta al flusso. http://www.nature.com/scitable/topicpage/the primary cilium an orphan organelle finds 14228249 51
I complessi di Bardet Biedl contengono una gran varietà di proteine di rivestimento che possono legare e trasportare diverse proteine recettrici verso il cilio. Quando una proteina indirizzata al cilio si collega, l intero complesso si muoverà verso la membrana del cilio primario e permetterà al recettore di inserirsi nella membrana. http://www.nature.com/scitable/topicpage/the primary cilium an orphan organelle finds 14228249 52
Cilio primario, immobile Christensen et al., 2007 Cilio mobile, 9+2 Christensen et al., 2007 53
Christensen et al., 2007 Christensen et al., 2007 54
Christensen et al., 2008 55
Christensen et al., 2008 Christensen et al., 2008 56
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