Gaetano Odierna » 9.Citoscheletro: generalità e i microfilamenti

Citoscheletro – generalità

Il citoscheletro è una complessa rete di strutture filamentose ben definite – microtubuli, microfilamenti o filamenti sottili, filamenti intermedi e proteine loro associate. I tre tipi di filamenti sono polimeri di sub-unità proteiche tenute insieme da legami non covalenti.

Il citoscheletro è una struttura altamente dinamica. La polimerizzazione e depolimerizzazione delle subunità è finemente regolata.

Ciascuno dei tre tipi di filamenti possiede proprietà e funzioni proprie.

In figura: Citoscheletro di una cellula endoteliale osservata al microscopio confocale. I microtubuli e i microfilamenti sono evidenziati da anticorpi marcati rispettivamente con fluorosceina e rodamina.

Assemblaggio dei filamenti sottili

I filamenti di F-actina si formano per l’aggiunta di monomeri di G-actina-ATP. L’aggiunta delle unità monomeriche avviene preferenzialmentee alla estremità filamento di F-actina denominata “barbed” o positiva (l’estremità opposta è detta “pointed” o negativa). Dopo l’aggiunta l’ATP legata alla G-actina è idrolizzata ad ADP.

Estremità pointed (-) e barbed (+) dei filamenti sottili

I microfilamenti di F-actina sono orientati:

Esperimenti con unità di G-actina marcata con la GFP (la proteina verde fluorescente) hanno evidenziato che l’aggiunta dei monomeri ai filamenti di F-actina avviene ad una sola estremità.

In figura: immagine al microscopio confocale di una cellula del vestibolo dell’orecchio del topo. Tale cellula preenta numerose stereociglia (estensioni della membrana plasmatica sorrette da compatti pilastri di filamenti paralleli di F-actina). Dopo l’iniziezione di monomeri di G-actina marcati con GFP, la fluorescenza si osserva solo alle estremità barbed. I filamenti di actina sono marcati in rosso da anticorpi marcati con rodamina.

Decorazione dei filamenti sottili con meromiosina pesante HMM

I frammenti S1 di MEROMIOSINA PESANTE (HMM) hanno una alta affinità con i filamenti di F-actina, a cui si legano obliquamente. Quando osservati al microscopio i filamenti di actina decorati con S1 risultano come una serie di punte di frecce, da cui i nomi dati alle estremità: POINTED (negativa) a quella appuntità e BARBED (positiva) a quella sfrangiata del barbiglio.

In figura: a sinistra, filamenti di F-actina decorati con frammenti S1 di meromiosina pesante osservati al microscopio elettronico dopo colorazione negativa, con, a destra, la rappresentazione schematica di un tratto di uno di tali filamenti.

Miosina 1, frammenti di S1 meromiosina pesante HMM

I frammenti S1 di HMM si possono ottenere mediante due successive, blande, digestioni enzimatiche di molecole di miosina II.

La Miosina II o miosina sarcomerica è la miosina delle cellule muscolari. La molecola è costituita da due lunghe code intrecciate tra loro e due teste ad attività ATPasica – è una proteina motore che si muove lungo i filamenti di F-actina in direzione dell’estremità barbed (positiva).

In figura: schema della produzione di frammenti S1 di meromiosina pesante HMM medianete digestione enzimatica di molecole di Miosina II.

Assemblaggio dell’actina in vitro –

Esperimenti in vitro di assemblaggio dell’actina hanno evidenziato che l’allungamento dei filamenti di actina per aggiunta di G-actina procede fino a raggiungere uno stato stazionario (steady point), dove la lunghezza dei filamenti resta costante in quanto la velocità di aggiunta di unità monomerica di G-actina all’estremità positiva è uguale a quella di rilascio di unità di G-actina dall’estremità negativa.

Proteine che legano l’actina – (a)

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.

1 – Proteine di nucleazione (complesso Arp2/3, formina)

2 – Proteina che sequestrano i monomeri (timosine)

3 – Proteine di incappucciamento (CapZ – estremità barbed o +) (tropomodulina estremità pointed o -)

4 – Proteine che promuovono la polimerizzazione dei monomeri (profilina)

Proteine che legano l’actina – (b)

5 – Proteine che depolimerizzano i filamenti di actina (cofiline)

6 – Proteine che formano legami crociati (filamina – reti lasse tridimensionali)

7 – Proteine che formano fasci compatti paralleli (villina)

8 – Proteine che tagliano i filamenti (gelsolina)

9 – Proteine che legano proteine di membrana (vinculina, spectrina, distrofina)

Microvilli

Sono delle estroflessioni digitiformi della membrana plasmatica sorrette da una serie compatta di filamenti paralleli di actina che si osservano nella porzione apicale delle cellule dell’intestino. Hanno il ruolo di aumentare la superficie di assorbimento e mediante coordinati movimenti di flessioni rinnovano il liquido extracellulare da assorbire.

In figura: immagine al microscopio elettronico di microvilli (a sinistra) e schema di uno di essi. Notare anche l’abbondante glicocalice che sovrasta i microvilli.

Movimento di vescicole actino-mediato e contrazione

Nelle cellule non sarcomeriche ai fasci paralleli di actina si possono legare molecole di miosina I (differiscono dalla Miosina II principalmente per la mancanza della lunga coda).

Tali strutture actino-miosiniche possono operare la contrazione del citoplasma (1), veicolare vescicole (2) o flettere la membrana plasmatica, come ad esempio nei microvilli (4). Nelle cellule sarcomeriche ai fasci paralleli di actina si legano le molecole di Miosina II.

Tale struttura actino-miosinica opera la contrazione del sarcomero (3) (il sarcomero sarà discusso in dettaglio nel tessuto muscolare).

Da notare in figura che sia la Miosina I sia la miosina II si muovono lungo i microfilamenti di actina verso l’estremità positiva barbed.

Movimento ameboide

La coordinata trasformazione in sol-gel della rete actinica e l’emanazione di prolungamenti citoplasmatici (filopodi e lamellipodi) sono alla base movimento ameboide delle cellule.

Movimento ameboide e ciclosi

La trasformazione gel-sol oltre che del movimento ameboide, è anche responsabile del fenomeno della ciclosi, che è tipico delle cellule vegetali.

Legame a proteine di membrane

I filamenti di actina si legano alla membrana plasmatica tramite uno svariato numero di proteine che fanno da ponte a proteine transmembrana, quale ad esempio le integrine, le quali a loro volta si legano a specifici componenti della matrice extracellulare. Nella figura sono rappresentate le proteine coinvolte nel “contatto focale”, un tipo di adesione cellulare alla matrice extracellulare.