11

Citoscheletro

Microtubuli

BUSB 2011

22

33

44

FUNZIONE MICROTUBULI(G. Karp: Biologia cellulare e Animale, EdiSES, 1998)

Scheletro interno o impalcatura che fornisce un supporto strutturale e aiuta il mantenimento della posizione degli organelli citoplasmaticiParte del meccanismo che sposta materiali e organelli da una parte all’altra della cellulaElementi motori di ciglia e flagelliComponenti principali del meccanismo responsabile della mitosi e della meiosi (fuso mitotico)

5

Microtubuli e organizzazione del citoplasma Microtubuli e organizzazione del citoplasma -- 11

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK28420/figure/A4196/?report=objectonly

Microtubuli e organizzazione delMicrotubuli e organizzazione del citoplasmacitoplasma ‐‐ 22

(A) Schema di una cellula illustrando la tipica disposizione dei microtubuli (verde), reticolo endoplasmatico (blu) e apparato di Golgi (giallo). Il nucleo è evidenziato in marrone e il centrosoma in verde chiaro.

(B) Cellula marcata con anticorpi contro il reticolo endoplasmatico (panello superiore) o microtubuli (panello inferiore). Proteine motore tirano il RE lungo i microtubuli, estendendolo come un reticolato a partire dal suo collegamento all’involucro nucleare.

(C) Cellula marcata con anticorpi contro l’apparato di Golgi (panello superiore) o contro i microtubuli (panello inferiore). In questo caso delle proteine motore muovono l’apparato di Golgi verso l’interno fino alla sua posizione vicino al centrosoma.

Microtubuli: Microtubuli: organizzazione di assoni

e dendritiorganizzazione di assoni

e dendriti

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK28122/figure/A574/

http://scientia.wikispaces.com/Organization+of+the+Nervous+System

http://kentsimmons.uwinnipeg.ca/cm1504/cytoskeleton.htm

Microtubuli: Flagelli e ciliaMicrotubuli: Flagelli e cilia

Microtubuli: Eucarioti unicellulari ciliatiMicrotubuli: Eucarioti unicellulari ciliati

Cellule ciliate dellCellule ciliate dell’’epitelio respiratorioepitelio respiratorio

http://faculty.une.edu/com/abell/histo/histolab3c.htm

http://alexandria.healthlibrary.ca/documents/notes/bom/unit_2/L-

32%20Histology%20of%20the%20Respiratory%20System%201.xml

Schema dellSchema dell’’epitelio respiratorioepitelio respiratoriocellule ciliatecellule ciliate

http://greaterimmunity.com/Files/respiratory_immunity.html

Microtubuli: Cellule eucariotiche flagellate Microtubuli: Cellule eucariotiche flagellate --11

Microtubuli: Cellule eucariotiche flagellate Microtubuli: Cellule eucariotiche flagellate --22

Fuso mitotico - 1

http://ehumanbiofield.wikispaces.com/Chromosomes+HW4+MC

Fuso mitotico - 2

http://www.microscopyu.com/staticgallery/featuredmicroscopist/deerinck/deerinckimage13.html

1616

Microtubuli

Polimerizzazione

Microtubuli_comp2011Microtubuli 17Microtubuli 17

Polimerizzazione dei MT

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21522/figure/A5432/

1818

INSTABILITAINSTABILITA’’DINAMICA DEI DINAMICA DEI MICROTUBULIMICROTUBULI

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26862/?rendertype=figure&id=A2975

1919

Cinetica di crescita dei Microtubuli

2020

L’instabilità dinamica è dovuta alle differenzastrutturali fra le estremità in crescita e in

accorciamento - 1

A. Se la concentrazione libera di tubulina in soluzione si trova fra i valori critici per l’estremità positiva e quella negativa, l’estremità di un singolo microtubulo può subire transizioni fra uno stato di accrescimento e uno di accorciamento. Un microtubulo in accrescimento ha subunità contenenti GTP alla sua estremità, formando un cappello a GTP. Se l’idrolisi del nucleotide ha luogo più rapidamente dell’aggiunta di una nuova subunità, il cappello viene perso e il microtubulo inizia ad accorciarsi, un evento chiamato “catastrofe”. Ma in ogni caso continueranno ad aggiungersi all’estremità in accorciamento delle subunità con GTP, e se un numero sufficiente di subunità viene aggiunto e si forma un nuovo cappello, la crescita del microtubuli riprende, un evento detto “salvataggio”.

B. Modello per le consequenze strutturali dell’idrolisi dell’GTP sulla rete di microtubuli. L’aggiunta di subunità di tubulina contenente GTP all’estremità di un protofilamento provoca la crescita in conformazione lineare che si può rapidamente impacchettare nella parete cilindrica del microtubulo. L’idrolisi del GTP dopo l’assembalggio provoca l’alterazione delle conformazione delle subunità e tende a forzare i protofilamenti ad assumere una forma incurvata che è meno suscettibile ad impacchettarsi nella parete del microtubulo.

2121

L’instabilità dinamica è dovuta alle differenzastrutturali fra le estremità in crescita e in

accorciamento - 2

C. In un microtubulo intatto, i protofilamenti fatti da subunità contenenti GDP sono costretti in una conformazione lineare dai diversi legami laterali all’interno della parete del microtubulo, a causa della presenza di un cappello stabile di subunità contenenti GTP. Tuttavia, la perdita del cappello di GTP permette alle subunitàcontenenti GDP di rilassarsi ad assumere la loro conformazione più incurvata. Ciò porta al progressivo disassemblamento del microtubulo. Sopra gli schemi di un microtubulo in crescita e in accorciamento, le fotografie in microscopia elettronica mostranoreali microtubuli in ciascuno di questi stati. Notare in particolare l’incurvatura, la disintegrazione dei protofilamenti contenentiGDPad’una estremità del microtubulo in accorciamento.

2222

Microtubuli

Proteine associate

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2424

2525

Cell overexpressing MAP2

Cell overexpressing tau

Citoscheletro degli assoni e dei dendriti

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK28122/figure/A574/

Didascalia fig. Citoscheletro assone e dendritiI citoscheletri degli assoni e dei dendriti differiscono sia in composizione che in organizzazione. Con un eccezione, tutte le proteine citoscheletriche sono sintetizzate su polisomi liberi nel corpo cellulare, e successivamente trasportate ai loro diversi compartimenti cellulari.

L’eccezione è la MAP2, che è la principale proteina associate ai microtubuli dei dendriti. Mentre una certa quantità di MAP-2 èsintetizzata nel corpo cellulare, il mRNA della MAP2 è specialmente abbondante nel compartimento dendritico e si ritiene che una frazione significativa venga sintetizzata in quella sede.

Si pensa che i microtubulimicrotubuli dei corpi cellulari, dendriti e assoni vengano nucleati nel “microtubule-organizing center”(MTOC), e successivamente rilasciati nei dendriti o nell’assone. Nel dendrite, i microtubuli spesso hanno polarità miste, con estremità sia (+) che (-) distali rispetto al corpo cellulare. La conseguenza funzionale di tale organizzazione è incerta ma potrebbe spiegare perchè la forma dei dendriti si affusoli sempre di pù man mano essi si allontano dal corpo cellulare.Viceversa, i microtubuli assonali sono orientate con la loro estremità (+) situate distalmente al corpo cellulare e mostrano una distribuzione uniforme lungo l’assone.Nonostante una certa quantità di proteina tau possa trovarsi nei corpi cellulari e nei dendrite, i microtubuli assonali hanno una gran quantità di proteina tau e la tau assonale è fosforilata diversamente.La MAP2 sembra essere assente dall’assone.I neurofilamentineurofilamenti vengono largamente esclusi dai compartimenti dendritici ma sono abbondanti nei grandi assoni. La spaziatura dei neurofilamenti è sensibile al livello di fosforilazione,Sia i microtubuli che i neurofilamenti si fermano ed iniziano nell’assone piuttosto che proseguire all’interno verso il corpo cellulare.I microfilamentimicrofilamenti presentano un’organizzazione pù dispersa e possno essere difficilmente visualizzabili nel neurone maturo. Essi sono più abbondanti vicino alla membrana plasmatica ma sono inoltre abbondanti nei terminali presinatici e nelle spine dendritiche.

GA: apparato di Golgi.

2828

http://neurologicalcorrelates.com/wordpress/wp-content/uploads/2008/01/tangles_big.jpg

Microtubuli

Proteine motore

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3232http://www.nature.com/nature/journal/v422/n6933/fig_tab/nature01601_F5.html

Role of cytoskeletal motors beyond membrane transport.From the following article:Molecular motorsManfred Schliwa and Günther WoehlkeNature 422, 759-765(17 April 2003)

1, Retrograde transport of centrosomalcomponents.

2, Anterograde and retrograde transport of intermediate filaments.

3, Anterograde and retrograde transport of ribonucleoprotein (RNP) complexes.

4, Myosin, kinesin and dynein motors interact with components of the microtubule plus-end complex

5, Anchorage of dynein at the actin-rich cell cortex.

6, Interaction of a kinesin-like protein with actin.

7, Catenin-mediated anchorage of

dynein at adherens junctions.

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Modello generale per il trasporto mediato da chinesina e da dineina in una cellula tipica

L’insieme dei microtubuli, con le loro estremità (+) che puntano verso la periferia della cellula, irradia da un MTOC “Microtubule-Organizing Center”, centro organizzatore dei microtubuli) nella regione del Golgi.

Il trasporto anterogrado mediato da chinesina convoglia mitocondri (trasportati dalla proteina KIF 1b), lisosomi e un assortimento di vescicole di membrana verso il reticolo endoplasmatico (ER) o la periferia della cellula.

Il trasporto retrogrado dipendente dalla dineina citosolica convoglia elementi del ER, endosomi tardivi e lisosomi fino al centro della cellula.Molecular Cell Biology Chapter 19. Cell Motility and Shape II: Microtubules and Intermediate Filaments Section 19.3. Kinesin, Dynein, and Intracellular Transport (Vecchia edizione)

3434

Movimento assonale ‐ 1

Un tipico neurone di Vertebrato

La freccia indica la direzione in cui i segnali vengono convogliati. Il singolo assone conduce i segnali dal corpo cellulare all’esterno, mentre i multipli dendriti ricevono segnali dagli assoni di altri neuroni. I terminali nervosi finiscono sui dendriti o sul corpo cellulare di altri neuroni o di altri tipi cellularicome ad esempio il muscolo o le cellule ghiandolari.

3535

Movimento assonale veloce

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Didascalia figura precedente

Illustrazione schematica di materiale associato a membrane nel trasporto assonale veloce. Il movimento assonale veloce rappresenta il movimento di organelli circondati da membrane lungo i microtubuli assonali sia in direzione anterograda che retrograda. Sono illustrati due principali classi di organelli racchiusi da membrane che sono sintetizzati e impacchettati mediante vie diverse. I polipeptidi delle vescicole sinaptiche sono tradotti su ribosomi legati al reticolo endoplasmatico con un processo in cui le proteine di membrana sono orientate in modo corretto all’interno del doppio strato lipidico e i polipeptidi da secrezione entrano nel lume del reticolo endoplasmatico. Questi polipeptidi sono ulteriormente processati all’interno dell’apparato di Golgi, dove hanno luogo le modificazioni appropriate post-traduzionali e lo smistamento dei polipeptidi destinati all’assone. Una volta che questi polipeptidi sono impacchettati in organelli vescicolari, e le molecole motore appropriate sono presenti, gli organelli sono trasportati lungo l’assone utilizzaanfo i microtubuli assonali come rotaie a velocità di 200-400 nm al giorno. Si ritiene che il movimento in direzione anterograda sia mediato dal motore molecolare chinesina, mentre la forza necessaria per muovere in verso retrogrado gli organelli dovrebbe essere generata dalla dineina citoplasmatica. Al contrario della sintesi dei polipeptidi vescicolari, i polipeptidi mitocondriali, che sono codificati dal genoma nucleare, sono sintetizzati su ribosomi citoplasmatici e contengono una sequenza “target” che indirizza i polipeptidi ai mitocondri. In seguito all’assemblaggio, i mitocondri si muovono lungo l’assone a velocità di circa 50-100 mm al giorno. E’possibile anche individuare mitocondri che si muovono indietro verso il corpo cellulare, ossia in direzione retrograda. La morfologia dei mitocondri trasportati in modo retrogrado è nettamente diversa da quelle dei mitocondri che si muovono in direzione anterograda e si pensa che essi rappresentino organelli degeneranti che non sono metabolicamente attivi. RER: reticolo endoplasmatico ruvido (“rough”).

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Movimento assonale lento

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Didascalia figura precedente

Illustrazione schematica del movimento degli elementi citoscheletrici nel trasporto assonale lento. Il trasporto assonale lento rappresenta il movimento di costituenti citoplasmatici, incluso elementi citoscheletrici e enzimi solubili del metabolismo intermediario, a velocità di 0.2-2 mm al giorno, che sono almeno due ordini di grandezza (102, ossia 100 volte) piùlenti di quelli osservati nel trasporto assonale veloce.Come proposto nell’ipotesi strutturale e supportato da prove sperimentali, si presume che i componenti del citoscheletro siano trasportati lungo l’assone in forme polimerica, e non come subunità polipeptidiche individuali. I polipeptidi del citoscheletro sono tradotti su polisomi citoplasmatici e quindi assemblati in polimeri prima del trasporto lungo l’assone in direzione anterograda. Contrariamente al trasporto assonale veloce, nessuncostituente del trasporto lento sembra essere trasportato in direzione retrograda. Nonostante la composizione dei polipeptidi nel trasporto assonale lento sia stata estesamente caratterizzata, le proteine motore responsabili del movimento di questi componenti citopalsmatici non sono ancora state identificate.

Basic Neurochemistry Part Four. Growth, Development and Differentiation 28. Axonal Transport Discovery and Conceptual Development of Fast and Slow Axonal Transport

3939

Microtubuli

Centrosoma, centrioli

4040

CENTROSOMA: Centro principale di organizzazione dei microtubuli (MTOC) nelle cellule animali. Comprende due centrioli circondati da una matrice elettron-densa, il materiale pericentriolare (PCM).

CENTRIOLO: Il centriolo canonico è un cilindro che comprende 9 triplette di microtubuli, ha circa ~0.5 μm di lunghezza e ha appendici nelle estremità distali dopo maturazione. Vi sono variazioni in questa struttura, in cui le triplette sono sostituite da singolette o doppiette e non vi sono appendici.

CORPO BASALE: Una struttura che si trova alla base delle cilia e flagelli degli eucarioti che organizza l’assemblaggio dell’assonema. I centrioloi possono dare origine a corpi basali o vice versa. La struttura del corpo basale è la stessa del centriolo; inoltre, i corpi basali hanno una zona di transizione nell’estremitàdistale che è contigua all’assonema.

centrale di microtubuli (9+2). I microtubuli centrali possono essere assenti nelle cellule che non si muovono (9+0).

4141

Centrosoma

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MICROTUBULE ORGANIZING CENTERS (MTOCs)(Centri di Organizzazione dei Microtubuli)

Controllano il numero e la polarità dei microtubuli che si formanoControllano il numero di protofilamenti che formano la parete dei microtubuli (ad es. 13 o 11, come nell’assonema o nei centrioli e corpi basali)Controllano il momento e il luogo dove i microfilamenti vengono assemblatiHanno in comune la proteina γ‐tubulina nel materiale pericentriolare, critica per l’assemblaggio dei microtubuli

G. Karp: Biologia cellulare e Animale, EdiSES, 1998

CentrioloCentriolo

Struttura cava, cilindrica che si trova nel centrosoma o MTOC della maggior parte delle cellule eucariotiche.Due centrioli formano una zona centrale a forma di L che è composto di corti microtubuli e da diverse proteine accessorie.Il più “vecchio” dei due centrioli, chiamato “centriolo madre” inizia l’assemblaggio del più giovane, o “centriolo figlio”, durante la fase di duplicazione dei cromosomi che precede la divisione cellulare.I centrioli sono coinvolti nell’assemblaggio del fuso mitotico e della citocinesi, fasi in cui aiutano ad organizzare il materiale pericentriolare contenente diversi γ−TuRC.Tuttavia, i centrioli non nucleano direttamente i microtubuli. Si pensa che l’inizio della formazione dei microtubuli abbia luogo nel materiale pericentriolare e che essi si leghino alle appendici del centriolo “madre”.Una struttura specializzata simile al centriolo, il corpo basale, è un componente essenziale alla base di tutte le cilia e flagelli.

http://manual.blueprint.org/Home/glossary-of-terms/mechano-glossary--c/glossary-centriole

44

4545

http://courses.washington.edu/conj/cell/cell.htm

http://micro.magnet.fsu.edu/cells/centrioles/centrioles.html

CentrioliCentrioli

Iniziazione dellIniziazione dell’’assemblaggio dei MTsassemblaggio dei MTs

http://manual.blueprint.org/Home/glossary-of-terms/mechano-glossary--m/mechano-glossary-microtubules/glossary-tubulin/glossary-microtubule-initiation

La nucleazione dei MTs è sfavorevole nelle condizioni normali che si trovano nella maggior parte delle cellule viventi.

Perciò i MTs sono nucleati da un complesso di γ-tubulina e di altre componenti proteiche note come il “γ-tubulin ring complex”(γ-TuRC).

Il MTOC contiene numerosi γ-TuRC e questa regione della cellula è il sito principale di nucleazione dei MTs.

Il γ-TuRC nuclea e incapuccia le estremità(-) e (+) dei nuovi filamenti fornendo siti di legame stabili per i dimeri di tubulina.

I dimeri di tubulina usano sopratutto interazioni longitudinali per legarsi fra di loro e al γ−TuRC durante la fase di nucleazione.

Man mano la lunghezza del protofilamento aumenta, le interazioni laterali fra i protofilamenti creano una stabilità addizionale che porta ad un MT chiuso.

http://manual.blueprint.org/Home/glossary-of-terms/mechano-glossary--c/glossary-centriole

Nelle cellule che non si stanno dividendo, il MTOCè noto come centrosoma, che consiste in una copia a forma di L di centrioli e di materiale centriolareassociato.

Il “più vecchio” dei due centrioli ha proteine aggiuntive che formano come delle appendici lungo la superficie esteriore.

Il materiale pericentriolare contiene numerosi γ-TuRC che nucleano la disposizione di mcirotubuli.

I centrili hanno i MTs organizzati in una struttura simile a quella del corpo basale che si trova alla base di cilia e di flagelli.

Struttura del centrosomaStruttura del centrosoma

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21580/figure/A5417/?report=objectonly

(a) Nelle cellule animali in interfase, le estremità (−) della maggior parte dei MT si trova vicino al MTOC. Allo stesso mdo, i MT dei flagelli e delle cilia hanno le loro estremità (−) in continuitàcon il corpo basale, che funge come il MTOC per queste strutture.

(b) Quando le cellule entrano in mitosi, la rete dei MTs si riarrangia, formando un fuso mitotico. Le estremità (−) di tutti i MT del fuso puntano verso uno dei due MTOCs, o poli, come vengono chiamati nelle cellule mitotiche.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21580/figure/A5417/?report=objectonly

(c) Nelle cellule nervose, le estremità (−) dei MT assonali sono orientate verso la base dell’assone. Tuttavia, i MT dei dendriti hanno polarità miste.

(d) Nelle cellule vegetali, che contengono numerosi MTOCs, i MTs si allineano lungo la corteccia cellulare. Reti di MYs incapucciano le estremità in crescita di una cellula vegetale.

5151

Microtubuli

Cilia, flagelli, assonema

5252

5353

http://kentsimmons.uwinnipeg.ca/cm1504/cytoskeleton.htm

5555

Corpuscoli basali e altri MTOCs ‐1

I microtubuli che formano l’assonemas di un ciglio o di un flagello prendono origine da una struttura detta corpo basale che si trova alla base dell’organello.

I corpi basali hanno la stessa struttura di un centriolo e infatti corpi basali e centrioli danno orgini gli uni agli altri.

Il flagello di uno spermatozoo, ad es., si forma da un corpo basale derivato da un centriolo che faceva parte del fuso mitotico dello spermatocita da cui lo spermatozoo ha preso origine.

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Movimenti di cilia e flagelli

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Struttura di cilia e flagelli

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http://kentsimmons.uwinnipeg.ca/cm1504/cytoskeleton.htm

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Corpuscoli basali e altri MTOCs ‐2

Altri tipi di cellule hanno tipi differenti di MTOC. Nei funghi, l’MTOC principale appare come una struttura discoidale, detta corpo polare del fuso ed é inserita nell’involucro nucleare. I microtubuli che si estendono dal corpo polare del fuso verso l’esterno, formano parte del citoscheletro citoplasmatico, mentre i microtubuli che crescono verso l’interno fanno parte del fuso mitotico (che in questi organismi si forma all’interno del nucleo).

Le piante sono prive sia di centrosomi che di centrioli; il principale MTOC di una cellule vegetale é costituito da porzioni di materiale situato sulla superficie esterna dell’involucro nucleare da cui emergono i microtubuli del citoscheletro:

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Microtubuli

Fuso mitotico

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Fuso mitotico

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Formazione del fuso mitotico

I centrioli e i centrosomi si duplicano durante l’interfase.

Durante la profase della mitosi, i centrosomi duplicati si separano e si muovono verso le estremità opposte del nucleo. L’involucro nucleare si disaggrega, e i microtubuli si riorganizzano per formare il fuso mitotico.

I microtubuli del cinetocore si legano ai cromosomi condensati, mentre i microtubuli polari si sovrappongono al centro della cellula, e i microtubuli astrali si estendono verso la periferia della cellula.

Nella metafase i cromosomi condensati si allineano al centro del fuso.

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Microtubuli

Farmaci

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Colchicina e tassolo: Farmaci specifici per i microtubuli

Questi e altri farmaci che interferiscono con l’assemblaggio e il disassemblaggio normale dei microtubuli hanno un effetto antimitoticoche è particolarmente devastante nelle cellule in rapida divisione, come le cellule tumorali (e cellule normali quali quelle del midollo osseo, dell’intestino e o dell’epidermide).

Molecular Cell Biology 19. Cell Motility and Shape II: Microtubules and Intermediate Filaments 19.2. Microtubule Dynamics and Associated Proteins

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