Per funzionare correttamente le cellule devono organizzarsi nello spazio e devono interagire meccanicamente con il loro ambiente. Devono, inoltre, avere una forma corretta, essere robuste e strutturate in modo corretto. Tali proprietà della cellula le sono conferite dal CITOSCHELETRO

Funzioni del CITOSCHELETRO Fornisce un supporto strutturale dinamico che determina la forma della cellula (es.: i microvilli di cellule epiteliali) Determina la posizione degli organelli citoplasmatici (es. polarità degli organeli nelle cellule ghiandolari esocrine) Direziona le molecole, gli organelli e le vescicole lungo specifici percorsi (es.: trasporto di vescicole di neurotrasmettitori lungo l’assone di una cellula nervosa Presiede al movimento cellulare (es.: Movimento flagellare di uno spermatozoo) Formano il macchinario per la divisione cellulare (fuso mitotico, anello contrattile della citodieresi)

CITOSCHELETRO Il citoscheletro è un sistema di filamenti proteici FILAMENTI INTERMEDI: forniscono forza meccanica MICROFILAMENTI: determinano la forma della superficie della cellula e sono necessari per la locomozione della cellula stessa MICROTUBULI: determinano le posizioni degli organelli e sono necessari per la locomozione della cellula PROTEINE ACCESSORIE: permettono l’assemblaggio regolato dei filamenti del citoscheletro, convertono l’energia dell’ATP inforza meccanica

Actina Actina-G (monomerica) ed Actina-F (Filamentosa) Actina lega l’ATP che durante la fase di polimerizzazione viene convertito in ADP

Polimerizzazione dell’Actina La polimerizzazione dipende dalla concentrazione di Actina-G e da ioni Mg2+, K+ o Na+ La polimerizzazione o depolimerizzazione avviene più rapidamente all’estremità definita + (barbed) e meno rapidamente all’estremità - (pointed) Se la concentrazione di Actina-G è maggiore di una concentrazione (Cc) avverrà la polimerizzazione se è minore avverrà una depolimerizzazione Le due estremità hanno due valori di Cc diverse: Cc (+) = 0,1M; Cc (-) = 0,8M Se la concentrazione di G-Actina è < di Cc (+) il filamento non si accresce e depolimerizza Se la concentrazione di G-Actina è >di Cc (-) il filamento si accresce in entrambe le direzioni

Se la concentrazione di G-Actina è > di Cc (+) e < Cc (-) il filamento si accresce all’estremità + e depolimerizza all’estremità - Stato stazionario - Fenomeno del treadmilling (mulinello)

Proteine che legano l’Actina Nelle cellule i microfilamenti si organizzano in svariati modo, ad esempio in fasci, in complessi gelificati tridimensionali. La loro organizzazione è regolata da una miriade (oltre 100) di proteine che legano l’actina. Proteine di nucleazione (Arp, formina) La formina nuclea l’assemblaggio e resta associata all’estremità + in crescita Il complesso Arp nuclea l’assemblaggio per formare una rete e resta associato alle estremità -

La polimerizzazione dell’actina è regolata da alcune proteine che legano l’Actina Timosina si lega alle G-Actina e ne impedisce l’assemblaggio Profilina si lega alle G-Actina e ne favorisce l’assemblaggio Cofilina si lega alla F-Actina e ne favorisce il disassemblaggio Gelsolina taglia i filamenti e si lega all’estremità + Proteina del cappuccio impedisce l’assemblaggio ed il disassemblaggio all’estremità + Tropomiosina lega e stabilizza il filamento

Disposizione dell’actina in una cellula I filopodi sono proiezioni appuntite della membrana plasmatica che permettono ad una cellula di esplorare il suo ambiente. Sono caratterizzati da stretti fasci paralleli di actina

I fasci contrattili sono costituiti da filamenti di actina paralleli tenuti insieme dalla proteina a-actinina. Sono a maglie larghe per cui può entrare la miosina-II rendendo le fibre contrattili I fasci stretti paralleli sono costituiti da filamenti di actina paralleli tenuti insieme dalla proteina fimbrina. Sono a maglie strette che impediscono l’accesso alla miosina-II.

Struttura di un microvillo E’ costituito da fasci stretti paralleli di actina uniti dalle proteine villina e fimbrina. Braccia laterali di miosina + calmodulina connettono i lati del fascio alla membrana plasmatica Microvillo delle cellule dell’epitelio di assorbimento dell’intestino

La filamina forma reti di filamenti di actina La filamina forma dei dimeri che tengono insieme più filamenti di actina che formano un gel di actina molto viscoso Questa struttura si trova nei lamellipodi: prolungamenti citoplasmatici che aiutano la cellula a strisciare su superfici solide

Microtubuli I microtubuli sono elementi cavi orientati con una estremità positiva e l’altra negativa. Sono polimeri di un eterodimero, l’ α- e β-tubulina. Il diametro esterno è di 25 nm, quello interno di 15 nm. In sezioni trasversali si osservano 13 sub-unità. Pertanto i microtubuli sono costituiti da 13 protofilamenti affiancati.

I microtubuli sono nucleati da complessi contenenti la -Tubulina I microtubli sno nucleati al livello del Centro Organizzatore dei Microtubuli (MTOC). I microtubuli sono nucleati al livello delle estremità -, con l’estremità + che cresce verso l’esterno. L’MTOC è costituito da complessi ad anello di -Tubulina (-TuRC)

Il centrosoma è l’MTOC principale delle cellule animali Posto nel citoplasma vicino al nucleo, consiste di una matrice amorfa di proteine che contiene i complessi -TuRC Immersa nel centrosoma si trova una coppia di strutture cilindriche, disposte fra loro ad angolo retto, chiamati centrioli

Proteine associate con i microtubuli Legano l’estremità + e ne accelerano l’assemblaggio Attiva il disassemblaggio dei microtubuli all’estremità + Taglia i microtubuli all’estremità + Legano e stabilizzano i microtubuli Fasci stretti Fasci a maglie larghe

Ciglia e Flagelli I microtubuli sono alla base di due importanti sistemi di motilità cellulare: le ciglia e flagelli. Sono sottili espansioni della membrana plasmatica. Sono presenti in tutti gli organismi animali. Costituiscono il mezzo di locomozione di due importanti classi di protozoi, a cui devono il nome: i Ciliati e i Flagellati. Ciglia e Flagelli sono strutturalmente simili e differiscono per le dimensioni. I flagelli sono più grandi delle Ciglia Ciglia delle cellule dell’epitelio bronchiale Flagelli di organismi Flagellati

Struttura del Flagello La parte che emerge dal citoplasma detto assonema, mentre la parte infissa nel citoplasma detta corpuscolo basale o blefaroblasto.

Nell’assonema, perifericamente, sono presenti 9 coppie di microtubuli (A e B), legate tra loro da ponti di nexina. Dalla placca basale, che è un MTOC, emerge la coppia centrale dei microtubuli. La coppia centrale è connessa ai microtubuli periferici da fibre radiali.I microtubuli A delle 9 coppie esterne presentano due braccia di una proteina motrice la Dineina assonemale, che è alla base del movimento ciliare e flagellare.

Il battito ciliare dipende dalle braccia di dineina, le quali si attaccano al microtubulo B della coppia adiacente, idrolizzano ATP. Se non infissi nel citoplasma, si avrebbe lo scorrimento reciproco delle coppie. Essendo bloccati nel citoplasma il movimento di scorrimento si traduce in piegamento laterale, ovvero in battito ciliare. Cessato l’impulso il ciglio ritorna passivamente alla posizione iniziale.

Motori molecolari Proteine motrici basate su actina: Famiglia della Miosina Proteine motrici basate su microtubuli : Chinesina e Dineina La testa di miosina si muove verso l’estremità + di un filamento di actina

La contrazione muscolare è dovuta dalle interazioni fra le teste di miosina II e filamenti adiacenti di actina, durante le quali avviene l’idrolisi di ATP

Le proteine motrici generano forza accoppiando l’idrolisi di ATP a cambiamenti conformazionali

I filamenti intermedi sono una componente abbondante del citoscheletro delle cellule animali. Si distinguono dai microfilamenti sottili e dai microtubuli per il loro spessore che di 8-12 nm e pertanto intermedio tra quello dei microfilamenti di actina (6 nm) e dei microtubuli (25 nm)

I Filamenti intermedi costituiscono le lamine nucleari Le lamine nucleari presentano caratteristiche peculiari rispetto agli altri filamenti intermedi: non formano cordoni solidi, ma si assemblano a formare una solida rete, che riveste la membrana interna dei nuclei; sono presenti in tutte le cellule eucariotiche.

Proteine associate con i filamenti intermedi Tali proteine hanno la funzione: Di supportare la rete di filamenti intermedi (IFs). Di connettere i filamenti intermedi ad altre strutture. Tra queste degne di nota sono: la plectina: connette gli IFs ai microtubuli; il recettore della Lamina B ancora la lamina fibrosa alla membrana nucleare; l’Ankyrina: lega gli IFs ai microfilamenti; la desmoplacchina: lega gli IFs ai desmsomi e emidesmosomi. e emidesmosomi.