Il Citoscheletro è l’impalcatura strutturale dell’ambiente intracellulare Microfilamenti Microtubuli Filamenti intermedi

CITOSCHELETRO Actin Filaments Intermediate Filaments (IF) Microtubules (Microfilaments) 7 nm Intermediate Filaments (IF) 10 nm Microtubules 25 nm

Il citoscheletro è costituito dall’insieme di tre diversi tipi di organizzazioni strutturali

citoscheletro Il citoscheletro è l’impalcatura della cellula. Fornisce supporto alla struttura, permette movimenti della cellula e di componenti interni alla cellula. E’ composto da tre tipi di filamenti proteici. I Filamenti sono suddivisi secondo le dimensioni. Si va dai microfilamenti ai filamenti intermedi ai microtubuli che sono i filamenti di dimensione maggiore.

Microfilamenti: actina La maggior parte delle proteine ha una forma gobulare. Anche l’actina monomerica ha una forma globulare. I monomeri però possono polimerizzare per formare una struttura fibrosa. La polimerizzazione è un processo reversibile e dinamico. Consente allungamenti e contrazioni della cellula. Nel muscolo si associa alla miosina e determina la contrazione muscolare. Microfilamenti: actina

Cheratina e altre proteine Filamenti intermedi: Cheratina e altre proteine Sono costituiti da proteine a struttura filamentosa. Forniscono una sorta di impalcatura alla cellula e sono punti di ancoraggio per altri filamenti

Mictotubuli: tubulina Sono cilindri cavi formati dalla proteina tubulina. Sono organizzati da una struttura nota come centrosoma. Sono struttura dinamiche e possono allungarsi per polimerizzazione e accorciarsi per depolimerizzazione. Questi processi avvengono in particolare ad una estremità del filamento, chiamata estremità +. I microtubuli possono costituire una sorta di binari per indirizzare il traffico di altri elementi cellulari. Le vescicole possono muoversi lungo il microtubulo grazie a proteine chiamate chinesine.

Figure 16-5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Figure 16-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Funzioni del citoscheletro Conferisce un elevato livello di organizzazione interna alla cellula Permette alle cellule di assumere e mantenere una forma complessa Svolge un ruolo fondamentale nei processi di: Movimento Divisione cellulare Posizionamento e movimento di organelli Posizionamento e movimento degli mRNA E’ sito di ancoraggio per molti enzimi del citosol (in precedenza considerati solubili) in prossimità di altri enzimi della stessa via metabolica, in modo da facilitare lo scambio di prodotti intermedi all’interno di ogni via metabolica. E’ coinvolto in molte forme di movimento cellulare E’ intimamente correlato ai processi di segnalazione e di adesione cellulare

I microfilamenti sono principalmente costituiti dalla proteina actina FITC-Falloidina

I microfilamenti sono la componente citoscheletrica responsabile della: - morfologia cellulare - motilità cellulare - contrazione muscolare - citochinesi

L’actina è una proteina citosolica la cui conformazione globulare dipende dal legame al ATP

Actina Figure 16-12 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

L’actina globulare (G-actina) polimerizza per formare lunghe eliche di actina filamentosa (F-actina)

La F-actina è costituita da un doppio filamento di actina e ha polarità strutturale e funzionale

Polimerizzazione dell’actina

L’actina è altamente conservata durante l’evoluzione degli eucarioti Figure 16-18 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

La polimerizzazione dell’actina è regolata da proteine che legano l’actina globulare

Es. della gelsolina attivata dall’aumento del Ca+

All’interno della cellula i filamenti di actina contraggono rapporti tra loro e con altre strutture cellulari. L’organizzazione dei filamenti è assistita da molteplici proteine che legano l’actina

Le strutture modulari di quattro proteine che formano legami crociati nell’actina Figure 16-48 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

la filamina aiuta a formare reti (network) di filamenti di actina la fascina aiuta a formare fasci (bundles) la filamina aiuta a formare reti (network) di filamenti di actina

I microfilamenti sono la componente citoscheletrica responsabile della: morfologia cellulare motilità cellulare contrazione muscolare citochinesi

I microfilamenti sono la componente citoscheletrica responsabile della: morfologia cellulare motilità cellulare contrazione muscolare citochinesi

Actin function microvilli morfologia cellulare motilità cellulare citochinesi

Microfilamenti e morfologia cellulare Durante la formazione del coagulo le piastrine cambiano morfologia grazie al citoscheletro actinico

I fasci di actina garantiscono la morfologia dei microvilli cellulari

I microfilamenti sono la componente citoscheletrica responsabile della: morfologia cellulare motilità cellulare contrazione muscolare citochinesi

Nella migrazione cellulare, l’azione dei microfilamenti di actina è coadiuvata da speciali proteine motrici: le miosine Le miosine sono ATPsi attivate dalla interazione con l’actina. Regioni a-eliche

Figure 16-57 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Actin/myosin cycle

L’associazione con ATP influenza l’affinità della miosina per la F-actina. L’idrolisi di ATP determina cambi struttutali nella testa delle miosine

Sarcomero: unità strutturale e funzionale di contrazione Muscolo: l’accoppiata actina-miosina garantisce la contrazione Sarcomero: unità strutturale e funzionale di contrazione

I microfilamenti sono la componente citoscheletrica responsabile della: morfologia cellulare contrazione muscolare motilità cellulare citochinesi

lamellipodio

Actin cortex network

Actin and cell movement Integrins

Actin and cell movement

I microfilamenti sono la componente citoscheletrica responsabile della: morfologia cellulare contrazione muscolare motilità cellulare citochinesi

Fasci di actina e miosina II regolano i fenomeni di citocinesi

Fasci di actina e miosina II regolano i fenomeni di adesione cellulare

Alcune tossine possono alterare l’equilibrio tra actina monomerica e polimerica. Es.: la citocalasina D blocca polimerizzazione alla end +

Amanita Phalloides The clinical manifestations of an A phalloides ingestion are the result of the cyclopeptide toxins, phalloidin and amatoxin. Phalloidin causes gastroenteritislike effects 6-12 hours after initial ingestion. Phalloidin, a cyclic heptapeptide, interrupts the actin polymerization-depolymerization cycle and impairs cell membrane function. Phalloidin has limited gastrointestinal absorption, and symptoms improve within hours of supportive care. La falloidina si lega ai filamenti di actina e li stabilizza causando un aumento netto della polimerizzazione

Microtubuli

Microtubules Tubular structures 25nm in diameter Assembled from protein tubulin Form cytoskeleton, mitotic spindle, centrioles, core of cilia and flagella The tubulin consists of alpha-beta tubulin heterodimers arranged in rows (protofilaments) Microtubules have a plus and minus ends. Typically the minus is for anchoring and the plus is for growing Microtubule Associated Proteins (MAPs) increase the stability and promote microtutule assembly

Microtubulo

Figure 16-11 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Il microtubulo è un polimero di eterodimeri di tubulina

Le fasi di assemblaggio di un microtubulo

I microtubuli si assemblano e disassemblano preferenzialmente all’estremità (+)

L’instabilità dinamica: una proprietà intrinseca del microtubulo

Instabilità dinamica in vivo

I microtubuli si formano a partire da centri di organizzazione microtubulare (MTOC)

centrosoma centrioli

La maggior parte dei microtubuli hanno un orientamento costante rispetto ai propri MTOCs

La Colchicina ed altri farmaci distruggono la dinamica dei microtubuli La colchicina si lega ad una proteina dei microtubuli, la tubulina, e ne causa la depolimerizzazione. Ciò determina un effetto antimitotico sulla cellula che viene bloccata allo stadio di metafase per la mancata genesi del fuso mitotico. L'elevata tossicità della colchicina ne impedisca l'uso come composto antitumorale

In the early 1960s, the National Cancer Institute (NCI) in the United States initiated a programme of biological screening of extracts taken from a wide variety of natural sources. One of these ex tracts was found to exhibit marked antitumour activity against a broad range of rodent tumours. Although this discovery was made in 1962, it was not until five years later that two researchers, Wall and Wani, of the Research Triangle Institute, North Carolina, isolated the active compound, from the bark of the Pacific yew tree (Taxus brevifolia). In 1971, Wall a nd Wani published the structure of this promising new anti-cancer lead compound, a complex poly-oxygenated diterpene (shown below). taxolo

In fact, taxol was found to induce the assembly of tubulin into microtubules, and more importantly, that the drug actually stabilises them to the extent that mitosis is disrupted. Such a novel mode of action was be lieved to make taxol a prototype for a new class of anticancer drugs. Renewed interest in taxol led to major problems, since many groups wished to conduct clinical trials, and so large quantities of this material were required. The natural source, the Pacific yew tree (left), is an environmentally protected species, which is also one of the slowest growing trees in the world. Isolation of the compound, which is contained in the bark, involves killing the tree, and the quantities availabl e by this method are pitifully small. It would take six 100-year old trees to provide enough taxol to treat just one patient. Luckily, a closely related analogue of taxol, called baccatin III was discovered in the leaves of a European species of ornamental shrub Taxus baccata. Although the extraction and subsequent chemical elaboration of bacc atin III to taxol was very laborious, the source was renewable, and sufficient quantities were obtained to carry out clinical trials. Results, published in 1989 showed that taxol exhibits very promising activity against advanced ovarian cancer, and in 1992, the US Food and Drug Administration (FDA) approved taxol for the treatment of this condition. The treatment of other types of cancer also looks promising, and in 1994, taxol was approved for breast cancer.

Proteine che si associano ai microtubuli (MAPs) legano i microtubuli tra loro

MAPs

Molteplici proteine motrici sono responsbili del movimento di vescicole

The motor proteins: Kinesin, dyneins move along microtubules and myosins move along microfilaments All require ATP for movement Typically kinesins and dyneins move along microtubules in opposite directions Kinesins towards plus end dyneins towards minus end Kinensin is thought to be involved in movement of ER derived vesicles, endosomes, lysosomes, and secretory granules and movement within axons.

La chinesina è una proteina motrice associata ai microtubuli

Ciglia e flagelli si tratta di strutture mobili costituite da microtubuli e dineine

Struttura generale dei flagelli e delle cilia

Filamenti intermedi Immunofluorescence EM

Intermediate Filaments

Intermediate Filaments Polymers Intermediate filaments are much stronger and more flexible than other types of filament Filamenti intermedi

Struttura tipo di tutte le proteine dei IF

Filamenti intermedi

Intermediate Filaments Nuclear Lamina nuclear lamina ATP ADP+ Phosphorylated Lamina Mitosis: Disassembles