Lo scheletro cellulare si presenta come una rete tridimensionale che si estende in tutta la cellula. Per comporla troviamo tre strutture diverse che si intrecciano, molto diverse tra loro sia a livello di composizione molecolare che per forma. Oltre che fra di loro prendono contatto con la membrana che protegge il nucleo e con la membrana plasmatica.
Le Tre Strutture del Citoscheletro
I microfilamenti, struttura flessibile e contrattile, sono composti da actina, un peptide sferico di 7 nm di diametro. Nella forma monomerica è la G-actina, ma quando più unità si legano fra di loro formando i microfilamenti si parla di F-actina. Molto più spessi in termini di diametro nonché parte della più grande delle tre strutture sono i microtubuli, formati da α-tubulina e β-tubulina, sempre di aspetto sferico che però si uniscono fra loro formando un eterodimero. Dopodiché l’ α/β tubulina che risulta si assembla creando una struttura cilindrica cava all’interno.
Rimangono da definire i filamenti intermedi, di diametro simile ai microfilamenti perché varia fra gli 8 e i 12 nm. Hanno un aspetto fibroso e non presentano proteine globulari come le due strutture viste in precedenza. Sono invece costituite da proteine con dominio a bastoncello, molto variegate fra di loro.
Microfilamenti: Struttura Flessibile e Contrattile
Al microscopio ottico per colorare questa parte del citoscheletro si utilizzano anticorpi anti-actina che li fanno apparire di un rosso intenso. Ogni microfilamento appare come una doppia elica che si assembla a partire da centri di nucleazione dove ci sono actina, ATP e ioni magnesio (Mg2+). L’elica forma un avvitamento ogni 70 nm, quindi ogni 10 molecole di G-actina.
La stabilità dei microfilamenti è regolata dalle ABP (Actine Binding Protein), la cui attività è a sua volta modulata dalla concentrazione di calcio presente nella cellula. Le ABP hanno un doppio ruolo: possono sia permettere la polimerizzazione dell’actina che tagliare o smontare un microfilamento in base alle necessità cellulari. Questa componente del citoscheletro è la più elastica oltre a essere dotata di attività contrattile. Grazie a questa capacità consentono alle cellule di compiere degli spostamenti, ossia i movimenti ameboidi. Si generano facendo fluire il citoplasma in un punto della cellula e creando un prolungamento nella direzione verso cui spostarsi.
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Sempre i microfilamenti però hanno un ruolo rilevante anche nel processo della divisione cellulare della mitosi. Contribuiscono a formare la struttura ad anello che precede la comparsa del solco di scissione, dove la cellula madre si separa per dare vita alle cellule figlie.
Il Citoscheletro Rigido dei Microtubuli
Si tratta di filamenti formati da eterodimeri disposti sempre con lo stesso orientamento. Oltre alle due forme di tubulina nominate in precedenza però nella cellula possiamo trovarne anche un terzo tipo, la γ-tubulina, che aiuta nella polimerizzazione dei microtubuli. Questa comincia dalla nucleazione, ossia dall’unione degli eterodimeri formando catene lineari dette protofilamenti. Il cilindro finale che sarà il microtubulo vero e proprio è il risultato dell’unione di 13 protofilamenti che formano una cavità circolare. Possono essere singoli, o unirsi formando doppiette e triplette, dove però un solo microtubulo ha 13 protofilamenti e gli altri 10 o 11. Il loro assemblamento è mediato dalle MAP (Microtuble Associated Proteins).
Non si tratta di strutture stabili e fisse, ma vengono continuamente assemblate e disassemblate a partire dal Centro Organizzatore dei Microtubuli (MTOC). Qui troviamo i centrioli e i corpi centriolari, dove c’è la γ-tubulina nominata prima. La polimerizzazione è inibita dalla presenza di ioni calcio mentre è promossa dagli ioni magnesio e dal GTP. Una volta assemblata questa componente del citoscheletro risulta rigida e resistente alla compressione. In questo modo può dirigere i movimenti dei cromosomi durante la meiosi e la mitosi, quando si posizionano prima al centro e poi ai poli opposti della cellula in divisione.
Il Ruolo dei Filamenti Intermedi
L’ultima componente del citoscheletro da analizzare è costituita dai filamenti intermedi. A differenza dei due precedenti sono composti da proteine non globulari ma filamentose α-elicoidali, che possono variare fra le cellule a seconda del tipo di tessuto di cui fanno parte. Inoltre mancano in alcuni eucarioti, perché per esempio le cellule fungine ne sono sprovviste.
Le proteine dei filamenti intermedi hanno nella loro struttura un dominio a bastoncello coiled-coil parallelo alle due α-eliche dove troviamo sette amminoacidi ripetuti. Alcuni di questi danno luogo a interazioni idrofobiche fra le eliche dando stabilità al filamento. Finora basandosi sulle sequenze amminoacidiche i biologi hanno identificato 65 diverse proteine. L’assemblaggio dei filamenti intermedi prevede prima la formazione di omo o eterodimeri, dopodiché con l’unione sfalsata e antiparallela di due dimeri si forma un tetramero. La successiva aggregazione dei tetrameri compone dei protofilamenti che si uniscono in protofibrille, le unità funzionali del filamento intermedio.
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Il ruolo fondamentale di questa componente del citoscheletro è dare resistenza meccanica alle cellule. Non a caso le proteine dei filamenti intermedi rappresentano un terzo della componente proteica delle cellule epiteliali (cheratine, desmine).
Il citoscheletro è un insieme di strutture atte al sostentamento della cellula in risposta a stimoli esterni quali resistenza a compressioni e trazioni, assistenza in processi come movimento e divisioni cellulari. I microfilamenti e i microtubuli sono gli elementi finalizzati specialmente alle attività “dinamiche”, legate quindi a motilità e “cambiamenti interni”. I filamenti intermedi sono strutture fibrose implicate nella resistenza a stimoli di natura fisica: trazione, compressione ed elasticità.
Vengono definiti “intermedi” in quanto il loro diametro è di circa 10nm, ovvero una dimensione appunto intermedia rispetto le altre due componenti sopracitate. Non sono presenti in tutte le cellule, ma ad esempio mancano nei protozoi. La peculiarità di tali strutture è che per ogni tipo di tessuto sono costituiti di materiali differenti.
La determinazione dell’assemblaggio dei filamenti intermedi è genetica: vi è quindi un gene per ogni classe diversa di filamenti che codifica per la sua polimerizzazione. La polimerizzazione comincia da due monomeri, le possibili tipologie le vedremo più avanti, che si associano parallelamente così da formare una particolare α-elica detta coiled-coil. Tramite un’associazione lineare si ha un allungamento: si crede che i vari tetrameri si dispongano testa coda cosi da formare un protofilamento.
Tipi di Filamenti Intermedi e Loro Funzioni
- Cheratine: Sono polipeptidi che caratterizzano i filamenti intermedi delle cellule epiteliali di tutti i tessuti di rivestimento e protezione esterni quali unghie, capelli, epidermide, zoccoli e corna di varia natura. Nel processo di assemblaggio sono necessarie due cheratine di tipo diverso: una acida ed una neutrobasica che quindi devono contemporaneamente essere presenti nella cellula.
- Vimentina: È una proteina largamente diffusa in tutto l’organismo senza particolari preferenze tissutali. È collegata a nucleo, reticolo endoplasmatico rugoso e apparato di Golgi. Se in una cellula manca la vimentina, questa risulta estremamente fragile anche nei confronti di stimoli mediocri.
- Desmina: Si trova principalmente nei tessuti muscolari di ogni tipo.
- Proteina acida gliale (GFAP): È una proteina tipica del sistema nervoso centrale.
Neurofilamenti
In questa classe troviamo i neurofilamenti. Essi si trovano specialmente nei neuroni e possono essere, in base al loro peso molecolare, suddivisi in tre categorie: NFL, NFM, NFH.
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- Neurofilamenti leggeri (NFL, 60 kDa): sono caratterizzati della capacità di polimerizzare in maniera autonoma e formare omopolimeri.
- Neurofilamenti intermedi (NFM, 150 kDa) e quelli pesanti (NFH, 210 kDa): possono formare dei dimeri in cui uno dei due monomeri è necessariamente un filamento leggero.
Lamine
Di questa classe fanno parte le lamìne. Esse sono proteine citoplasmatiche che formano un complesso polimerico in grado di connettere la membrana nucleare al genoma in esso contenuto. Esistono le lamìne A e le lamìne B. Queste ultime sono sempre legate alla membrana nucleare; le A sono legate alle B e così continuano alternandosi fino al materiale genetico. Fosforilando le lamìne si ha la sfaldatura della membrana nucleare, fondamentale per la corretta bipartizione del materiale genetico in divisione cellulare.
I filamenti intermedi, come già detto, sono estremamente specifici per il tessuto in cui si trovano. Grazie a questa peculiarità l’analisi della loro struttura può essere utilizzata per identificare la provenienza di un tumore. Il loro non corretto funzionamento porta non solo a deficit legati alla resistenza cellulare, ma anche a deficit fisiologici. Un non funzionamento della lamìna A porta alla celebre progeria. Il gene responsabile della sintesi della proteina è il LMNA. In caso di mutazione, una citosina sostituita da una timina, si forma una proteina che non può differenziarsi nella lamìna A detta progerin.
Filamenti Intermedi: Dettagli Molecolari e Funzioni Specifiche
Dal punto di vista molecolare sono, come le altre classi del citoscheletro, costituiti da componenti elementari. In particolare queste unità sono piccoli frammenti di filamento che si allineano (tra l’altro, questi frammenti di filamenti intermedi per essere portati a destinazione dalla sede di sintesi devono affidarsi al sistema motorio dei microtubuli con le dineine e chinesine) e vengono assemblati per formare il filamento intermedio (10-12 nm di diametro circa).
Un particolare tipo di filamento intermedio si trova all’interno del nucleo e probabilmente è l’unica componente citoscheletrica presente all’interno del nucleo, le altre infatti sono tutte limitate al citoplasma: un reticolo che si chiama lamina nucleare. In certe cellule i filamenti intermedi tendono a convergere su certi punti lungo la membrana plasmatica. Anche l’actina si comporta così qualche volta, ma nei filamenti intermedi questo comportamento è molto caratteristico.
In particolare i filamenti intermedi si inseriscono nella membrana da una parte, attraversano la cellula per una certa distanza e terminano in un altro punto della membrana, da questo punto poi possono partire altri filamenti intermedi che si suddividono in piccoli fasci e ciascuno di questi va ad ancorarsi in punti precisi della membrana plasmatica.
Rispetto ai microtubuli e ai microfilamenti, i filamenti intermedi sono più stabili, meno dinamici, e, una volta completata la loro architettura, non vanno incontro a continui meccanismi di polimerizzazione e depolimerizzazione.
Fibra del citoscheletro di 10 nm di diametro, probabilmente presente soltanto nelle cellule degli organismi pluricellulari. L’organizzazione dei filamenti intermedi, e la loro associazione con la membrana plasmatica, suggerisce che la loro funzione più importante sia quella di fornire un sostegno meccanico alla membrana, nelle regioni in cui essa viene a contatto con altre cellule o con la matrice extracellulare.
Non hanno funzione di movimento; non si conoscono, infatti, movimenti della cellula che dipendano dai filamenti intermedi, né motori proteici che scivolino su di essi.
Le proteine che costituiscono i filamenti intermedi sono notevolmente diverse tra loro per sequenza degli amminoacidi e per peso molecolare; tra di esse vi sono le cheratine, le laminine, la vimentina e la desmina. Le laminine vengono espresse in tutte le cellule, mentre gli altri tipi sono tessuto-specifiche (per es., le cheratine vengono espresse nelle cellule epiteliali).
Benché i filamenti intermedi siano polimeri dinamici che rapidamente scambiano le loro subunità con quelle di un pool solubile, esse sono più stabili dei microfilamenti e dei microtubuli, e il loro assemblaggio sembra procedere attraverso diverse strutture intermedie che si associano mediante interazioni laterali e interazioni estremità contro estremità.
La loro organizzazione in reticoli e fasci è mediata da varie proteine a essi associate, dette IFAP (Intermediate filament associated protein), che formano legami crociati sia tra gli stessi filamenti intermedi, sia tra i filamenti e altre strutture cellulari come la membrana plasmatica, la membrana nucleare, i microtubuli e i microfilamenti. Sono state identificate soltanto alcune IFAP, ma tutte differiscono dalle proteine che si associano agli altri filamenti cellulari, in quanto nessuna si comporta come un motore proteico.
Importanza Clinica
Conoscere i vari tipi di proteine che costituiscono i filamenti intermedi è utile anche per la diagnosi e il trattamento dei tumori. Le cellule dei tumori maligni della mammella, per es., contengono cheratina e ciò fa supporre che queste cellule tumorali si originino da tessuto epiteliale e non mesenchimale.
È noto, infine, che le principali malattie degenerative della pelle, dei muscoli e dei neuroni sono causate dalla disgregazione dei filamenti intermedi, dall’interruzione delle loro connessioni con le altre strutture cellulari.
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