Dai movimenti intracellulari al movimento animale

Motilità, citoscheletro e proteine motorie I processi fisiologici dipendono dal movimento su varie scale Trasporto intracellulare Cambiamenti di forma cellulare Motilità cellulare Motilità di fluidi Motilità di organi e parti Locomozione

Citoscheletro e proteine motorie Ogni livello di movimento è dovuto allo stesso macchinario Citoscheletro rete intracellulare di proteine Proteine Motrici Enzimi che usano ATP per muovere

Uso del citoscheletro per movimenti Elementi del citoscheletro Microtubuli Microfilamenti Tre modi di usare il citoscheletro Strada di citoscheletro e proteine motorie come trasportatori Riorganizzatori di reti citoscheletrici Proteine motorie tirano su corda citoscheletrica Figure 5.1

Diversità di proteine motorie Diversità strutturale e funzionale Isoforme multiple di proteine del citoscheletro e motorie Vari modi di organizzazione

Microtubuli Sono polimeri tubulari di tubulina Proteine simili in animali diversi Isoforme multiple Sono ancorati da ambo i lati Centro di organizzazione vicino al nucleo Microtubule-organization center (MTOC) ( ) Attaccati a proteine integrali (+) nella membrana plasmatica

Microtubules: Composition and Formation Microtubules are polymers of the protein tubulin Tubulin is a dimer of α-tubulin and β-tubulin Tubulin forms spontaneously For example, does not require an enzyme Polarity The two ends of the microtubule are different Minus ( ) end Plus (+) end

Microtubuli e fisiologia Table 5.1

Microtubules Figure 5.2

Funzioni dei Microtubuli Proteine motrici possono trasportare componenti subcellulari lungo i microtubuli Proteine Motrici sono chinesina e dineina molti casi a livello cellulare esempio organismico cambio rapido di colore della pelle

Assemblaggio dei Microtubuli Activation of tubulin monomers by GTP Monomers join to form tubulin dimer Dimers form a single-stranded protofilament Many protofilaments form a sheet Sheet rolls up to form a tubule Dimers can be added or removed from the ends of the tubule Asymmetrical growth Growth is faster at + end Cell regulates rates of growth and shrinkage

Microtubule Assembly Figure 5.4

Microtubule Growth and Shrinkage Factors affecting growth/shrinkage are Local concentrations of tubulin High [tubulin] promotes growth Dynamic instability GTP hydrolysis on β-tubulin causes disassembly Microtubule-associated proteins (MAPs) Temperature Low temperature causes disassembly Chemicals that disrupt the dynamics For example, plant poisons such as taxol and colchicine

Microtubule Dynamics Figure 5.5

Regolazione da MAPs Figure 5.6

Movimento lungo i Microtubuli Motor proteins move along microtubules Direction is determined by polarity and the type of motor protein Kinesin move in (+) direction Dynein moves in ( ) direction Movement is fueled by hydrolysis of ATP Rate of movement is determined by the ATPase domain of motor protein and regulatory proteins Dynein is larger than kinesin and moves five times faster

Traffico di vescicole lungo un neurone Figure 5.7

Ciglia e Flagelli Ciglia Numerous, wavelike motion Flagelli Single or in pairs, whiplike movement Composed of microtubules arranged into axoneme Bundle of parallel microtubules Nine pairs of microtubules around a central pair Nine-plus-two Asymmetric activation of dynein causes movement

Ciglia e Flagelli Figure 5.8

Microfilamenti Polimeri della proteina actina Presente in tutte le cellule eucariote Spesso usa la proteina motrice miosina Movement arises from Actin polymerization Sliding filaments using myosin More common than movement by polymerization

Microfilament Structure and Growth G-actin monomers polymerize to form a polymer called F-actin Spontaneous growth 6 10 times faster at + end Treadmilling Assembly and disassembly occur simultaneously and overall length is constant Capping proteins Increase length by stabilizing end and slowing disassembly

Microfilament Structure and Growth Figure 5.9

Microfilament (Actin) Arrangement Arrangement of microfilaments in the cell Tangled neworks Microfilaments linked by filamin protein Bundles Cross-linked by fascin protein Networks and bundles of microfilaments are attached to cell membrane by dystrophin protein Maintain cell shape Can be used for movement

Microfilament (Actin) Arrangement Figure 5.10

Movement by Actin Polymerization Two types of amoeboid movement Filapodia are rodlike extensions of cell membrane Neural connections Microvilli of digestive epithelia Lamellapodia are sheetlike extensions of cell membrane Leukocytes Macrophages

Actin Polymerization and Fertilization Figure 5.11

Miosina Molti movimenti basati sull actina coinvolgono la proteina motrice miosina Modello dei filamenti che scorrono Miosina è una ATPasi Converte energia da ATP a energia meccanica 17 classi di miosina (I XVII) Isoforme Multiple in ogni classe Tutte le isoforme hanno la stessa struttura Testa (ATPasi) Codal (si lega a altre proteine) Collo (regolazione dell ATPasi)

Miosine

Modello a filamenti che scorrono Analogo a tirarsi lungo una corda Actina la corda Miosina il braccio Alternating cycle of grasp, pull, and release Your hand grasps the rope Your muscle contracts to pull rope Your hand releases, extends, and grabs further along the rope

Sliding Filament Model Two processes Chemical reaction Myosin binds to actin (cross-bridge) Structural change Myosin bends (power stroke) Cross-bridge cycle Formation of cross-bridge, power stroke, release, and extension Need ATP to release and reattach to actin Absence of ATP causes rigor mortis Myosin cannot release actin

Sliding Filament Model Figure 5.13

Actino-Myosin Activity Two factors affect movement Unitary displacement Distance myosin steps during each cross-bridge cycle Depends on Myosin neck length Location of binding sites on actin Helical structure of actin Duty cycle Cross-bridge time/cross-bridge cycle time Typically ~0.5 Use of multiple myosin dimers to maintain contact

Miosina e actina generano la forza contrattile.

Myosin Activity Figure 5.14

Actin and Myosin Function Table 5.2

Cellule Muscolari (Miociti) Myocytes (muscle cells) Contractile cell unique to animals Contractile elements within myocytes Thick filaments Polymers of myosin ~300 myosin II hexamers Thin filaments Polymers of α-actin Ends capped by tropomodulin and CapZ to stabilize Proteins troponin and tropomyosin on outer surface

Thick and Thin Filaments Figure 5.15

La miosina consuma ATP per scorrere lungo i filamenti di actina: in un esperimento in vitro si può rivestire di miosina un vetrino e aggiungere actina fluorescente e ATP. Si possono vedere le molecole di actina strisciare lungo la miosina. Il movimento delle teste di miosina provoca l accorciamento del sarcomero. Per ricaricare le teste di miosina è consumato ATP. L attaccamento della miosina all actina dipende dalla esposizione di un sito che a riposo è coperto dalla tropomiosina. Il calcio si lega alla proteina troponina, che sposta la tropomiosina e permette quindi l attaccamento della miosina e la contrazione. I protagonisti miosina miosina attivata superelica di actina tropomiosina ATP Pi Ca 2+ Mg 2+ troponina ADP

Muscle Cells Two main types of muscle cells are based on the arrangement of actin and myosin Striated (striped appearance) Skeletal and cardiac muscle Actin and myosin arranged in parallel Smooth (do not appear striped) Actin and myosin are not arranged in any particular way

Striated and Smooth Muscle Figure 5.16

Muscolo scheletrico di mammifero (coniglio)

Muscolo striato cardiaco di mammifero (ratto) Produzione di forza a partire da strutture organizzate del citoscheletro distanza tra le strutture circa 2 µm

Striated Muscle Types Table 5.3

Striated Muscle Cell Structure Thick and thin filaments arranged into sarcomeres Repeated in parallel and in series Side-by-side across myocyte Causes striated appearance End-to-end along myocyte

Sarcomeres Structural features of sarcomeres Z-disk Forms border of each sarcomere Thin filaments are attached to the Z-disk and extend from it towards the middle of the sarcomere A-band (anisotropic band) Middle region of sarcomere occupied by thick filaments I-band (isotropic band) Located on either side of Z-disk Occupied by thin filament

Sarcomeres Thin and thick filaments overlap in two regions of each sarcomere Each thick filament is surrounded by six thin filaments Three-dimensional organization of thin and thick filaments is maintained by other proteins Nebulin Along length of thin filament Titin Keeps thick filament centered in sarcomere Attaches thick filament to Z-disk

Sarcomeres Figure 5.17

Three-Dimensional Structure of Sarcomere Figure 5.18

Muscle Actinomyosin Activity is Unique Myosin II cannot drift away from actin Structure of sarcomere Duty cycle of myosin II is 0.05 (not 0.5) Each head is attached for a short time Does not impede other myosins from pulling the thin filament Unitary displacement is short Small amount of filament sliding with each movement of the myosin head

Contractile Force Contractile force depends on overlap of thick and thin filaments More overlap allows for more force Amount of overlap depends on sarcomere length as measured by distance between Z-disks Maximal force occurs at optimal length Decreased force is generated at shorter or longer lengths

Length Force Relationship Figure 5.19

Myofibril In muscle cells, sarcomeres are arranged into myofibrils Single, linear continuous stretch of interconnected sarcomeres (i.e., in series) Extends the length of the muscle cell Have parallel arrangement in the cell More myofibrils in parallel can generate more force

Myofibrils in Muscle Cells Figure 5.20

Regulation of Contraction Excitation-contraction coupling (EC coupling) Depolarization of the muscle plasma membrane (sarcolemma) Elevation of intracellular Ca 2+ Contraction Sliding filaments

Ca 2+ Allows Myosin to Bind to Actin At rest, cytoplasmic [Ca 2+ ] is low Troponin-tropomyosin cover myosin binding sites on actin As cytoplasmic [Ca 2+ ] increases Ca 2+ binds to TnC (calcium binding site on troponin) Troponin-tropomyosin moves, exposing myosinbinding site on actin Myosin binds to actin and cross-bridge cycle begins Cycles continue as long as Ca 2+ is present Cell relaxes when the sarcolemma repolarizes and intracellular Ca 2+ returns to resting levels

Troponin and Tropomyosin Figure 5.21

Regulation of Contraction by Ca 2+ Figure 5.22

Ionic Events in Muscle Contraction Figure 5.23

Il muscolo: struttura e funzione classificazione per vertebrati Tre tipi di muscoli: 1. Muscolo scheletrico 2. Muscolo Cardiaco 3. Muscolo Liscio La funzione fondamentale dei muscoli è la stessa: Generano tensione meccanica

I muscoli dei vertebrati sono classificati in tre tipi fondamentali: muscolo scheletrico: gruppi di fibre striate polinucleate formati dalla fusione di precursori muscolo cardiaco: singole cellule striate mono o binucleate unite tra loro da giunzioni comunicanti muscolo liscio: singole cellule mononucleate senza striatura La contrazione di tutti i tipi di muscolo richiede energia metabolica utilizzando ATP, e è controllata dal livello di calcio intracellulare. I tipi di muscolo sono differenti per quanto riguarda la struttura, il processo di eccitazione e il meccanismo di controllo del calcio.

Anche invertebrati hanno sia muscoli striati sia lisci Evolution of striated muscle: Jellyfish and the origin of triploblasty Muscolo liscio (sm) e striato di Leptomedusa Phiallidium hemisphaericum

Struttura del muscolo scheletrico di vertebrato Le unità motorie

Funzioni del muscolo scheletrico. 1. Movimento di scheletro e corpo Livelli di organizzazione 2. Postura e posizione del corpo 3. Supporto dei tessuti molli 4. Controllo delle aperture del corpo 5. Mantenimento della temperatura corporea

L attivazione del muscolo scheletrico richiede l attività di motoneuroni

Le cellule muscolari sono chiamate fibre. Possono essere molto grandi (fino a decine di cm di lunghezza). Derivano dalla fusione di precursori detti mioblasti.

La fibra muscolare è organizzata in tre livelli fondamentali: 1 Membrana plasmatica (sarcolemma) a. racchiude il citoplasma (sarcoplasma) b. forma i tubuli trasversi (tubuli a T) che penetrano in profondità 2 Reticolo sarcoplasmatico (reticolo endoplasmatico liscio) a. è in stretta prossimità con i tubuli a T b. circonda le miofibrille SR sarcolemma calcio calcio tubulo a T calcio calcio SR 3 Miofibrille a. fasci longitudinali di filamenti proteici (actina e miosina) b. forte organizzazione in unità ripetitive SARCOMERI

Il sarcomero è la struttura di organizzazione delle proteine contrattili

Lo slittamento dei filamenti di actina tirati dalle teste di miosina fa accorciare i sarcomeri e genera la forza muscolare. banda I banda A banda I filamento sottile filamento spesso Filamenti che slittano filamento sottile banda I banda A banda I Accorciamento

Il calcio rilasciato dal reticolo sarcoplasmatico si lega alla subunità C della troponina che a sua volta modifica la tropomiosina che lascia libero il sito di aggancio delle teste di miosina sull actina. La miosina legata all actina ha una elevata attività ATPasica. La miosina legata all ADP si stacca dopo essersi spostata lungo l actina e perde ADP rilegandosi ad ATP.

Ruolo del Calcio confronto tra scheletrico e cardiaco

Muscolo scheletrico: struttura di controllo TRIADI

I punti di unione fra tubuli T e reticolo sono formati da canali del calcio dipendenti dal voltaggio (DHPr, tubuli a T) e canali di rilascio del calcio (RyRs, reticolo), sistemati in un rapporto di 4 a 1. Quando i canali dipendenti dal voltaggio si aprono, fanno aprire quelli del reticolo.

Cosa regola il calcio? Il potenziale d azione che ha origine dalla regione sinaptica, la placca neuromuscolare, si propaga lungo la membrana del muscolo e in particolare nella membrana dei tubuli a T. Nei tubuli a T sono presenti canali del calcio dipendenti dal voltaggio modificati. Questi canali cambiano conformazione con il voltaggio e direttamente modulano dei canali del calcio del reticolo sarcoplasmatico facendo uscire calcio dal reticolo verso il citosol. L accoppiamento è quindi diretto e non richiede ingresso di calcio dall esterno. Funziona anche in assenza di calcio. Nel muscolo cardiaco è invece richiesto ingresso di calcio ed è questo che attiva i canali del reticolo. Si definisce: rilascio di calcio indotto dal calcio.

Controllo muscolo scheletrico dei vertebrati Meccanica muscolare Il controllo della forza muscolare è dato da due sistemi: il reclutamento di più unità motorie la frequenza di stimolazione da parte del motoneurone Più: il numero di ponti e quindi lo stato di stiramento e la quantità di calcio disponibile

L'attivazione del muscolo scheletrico richiede I'attività di motoneuroni

Eccitazione nella sinapsi neuromuscolare

L attivazione del muscolo scheletrico richiede l attività di motoneuroni L'attivazione del muscolo scheletrico richiede I attività di motoneuroni

Meccanica Muscolare 1. La scossa singola contrazione che nasce da un unico potenziale d azione 3 Periodi 1. Latenza 2. Contrazione 3. Rilasciamento

L andamento temporale dipende dai tipi differenti di muscoli eye gastroc. Tensione nsion soleus Time

Elasticità e rilassamento regolano forza di contrazione

Forza o velocità?

2. Tetano E la sommazione temporale di scosse singole: è principalmente dovuta a proprietà meccaniche del muscolo E il principale meccanismo di controllo della forza di una singola unità motoria

L altro meccanismo di controllo richiede la variazione del numero di unità motorie reclutate.

Trans-Differentiation of Muscle Cells Trans-differentiation Cells used for novel functions For example, heater organs of billfish eye Specialized muscle cells Few myofibrils (little actin and myosin) Abundant SR and mitochondria Futile cycle of Ca 2+ in and out of the SR High rate of ATP synthesis and consumption Electric organs

Heater Organ Figure 5.34

Invertebrate Muscles Variation in contraction force due to graded excitatory postsynaptic potentials (EPSP) Innervation by multiple neurons EPSPs can summate to give stronger contraction Some nerve signals can be inhibitory Copyright 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings Figure 5.35

Asynchronous Insect Flight Muscles Asynchronous muscle contractions Contraction is not synchronized to nerve stimulation Stretch-activation Sensitivity of the myofibril to Ca 2+ changes during contraction/relaxation cycle Intracellular [Ca 2+ ] remains high Contracted muscle is Ca 2+ insensitive Muscle relaxes Stretched muscle is Ca 2+ sensitive Muscle contracts Copyright 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Mollusc (Bivalve) Catch Muscle Muscle that holds shell closed Capable of long duration contractions with little energy consumption Protein twitchin may stablilize actin-myosin crossbridges Cross-bridges do not continue to cycle Phosphorylation/dephophorylation of twitchin regulates its function Copyright 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Muscolo Liscio

Actina e miosina non sono organizzate in sarcomeri.

Vari tipi di muscolo liscio: le cellule possono essere separate o unite da giunzioni comunicanti. Spesso, ma non sempre, lo stimolo contrattile è il rilascio di un trasmettitore da terminazioni del sistema nervoso autonomo.

Control of Smooth Muscle Contraction Figure 5.32

Control of Smooth Muscle Contraction Regulated by nerves, hormones, and physical conditions (e.g., stretch) At rest, the protein caldesmon is bound to actin and blocks myosin binding Smooth muscle does not have troponin Stimulation of cell increases intracellular Ca 2+ Ca 2+ binds to calmodulin Calmodulin binds caldesmon and removes it from actin Cross-bridges form and contraction occurs Calmodulin also causes phosphorylation of myosin Increase in myosin ATPase activity

Smooth Muscle Slow, prolonged contractions Often found in the wall of tubes in the body Blood vessels, intestine, airway, etc.

Smooth Muscle Key differences from skeletal muscle No sarcomeres (no striations) Thick and thin filaments are scattered in the cell Attached to cell membrane at adhesion plaques No T-tubules and minimal SR Often connected by gap junctions Function as a single unit Contract in all dimensions Different mechanism of EC coupling

Smooth Muscle Figure 5.31

Muscolo striato di calamaro Presenta!bre simili a bianche e rosse di vertebrato

T-Tubules and SR Figure 5.28

Ca 2+ Channels and Transporters Channels allow Ca 2+ to enter cytoplasm Ca 2+ channels in cell membrane Dihydropyridine receptor (DHPR) Ca 2+ channels in the SR membrane Ryanodine receptor (RyR) Transporters remove Ca 2+ from cytoplasm Ca 2+ transporters in cell membrane Ca 2+ ATPase Na + /Ca 2+ exchanger (NaCaX) Ca 2+ transporters in SR membrane Ca 2+ ATPase (SERCA)

Ca 2+ Channels and Transporters Figure 5.27

Induction of Ca 2+ Release From SR AP along sarcolemma conducted down T-tubules Depolarization opens DHPR Ca 2+ enters cell from extracellular fluid In heart, [Ca 2+ ] causes RyR to open, allowing release of Ca 2+ from SR Ca 2+ induced Ca 2+ release In skeletal muscle, change in DHPR shape causes RyR to open, allowing release of Ca 2+ from SR Depolarization induced Ca 2+ release

Ca 2+ Induced Ca 2+ Release Figure 5.29

Depolarization Induced Ca 2+ Release Figure 5.30

Relaxation Repolarization of sarcolemma Remove Ca 2+ from cytoplasm Ca 2+ ATPase in sarcolemma and SR Na + /Ca 2+ exchanger (NaCaX) in sarcolemma Parvalbumin Cytosolic Ca 2+ binding protein buffers Ca 2+ Ca 2+ dissociates from troponin Tropomyosin blocks myosin binding sites Myosin can no longer bind to actin

Relaxation Figure 5.27

Summary of Striated Muscles Table 5.5

La forza generata dipende dal numero di ponti che si possono formare. Se il muscolo viene stirato si ha meno sovrapposizione e si formano meno ponti.