INTRODUCEREOrganizarea celulară la eucariote, adoptarea unei geometrii variabile şi mişcările

executate depind de CITOSCHELET - o reţea intricată de proteine filamentoase care se extinde în întreaga citoplasmă.

În celulele animale o funcţie de o importanţă deosebită este menţinerea volumului celular în limite normale, în absenţa peretelui celular. Deşi nu demult citoscheletul era comparat, la scară, cu scheletul osos uman, astăzi concepţia include proprietăţile dinamice ale citoscheletului, astfel încât comparaţia se extinde la sistemul osteo-muscular uman.

Interiorul unei celule se află într-o continuă mişcare iar elementele citoscheletului reprezintă suportul acestor mişcări: pentru schimbarea poziţiei organitelor în celulă, segregarea cromosomială în timpul mitozei, separarea celulelor fiice prin apariţia şanţului de diviziune. Citoscheletul pare a fi o noutate la nivelul eucariotelor; lipseşte la procariote iar la eucariote joacă un rol crucial. Celula eucariotă este asemenea unei companii care realizează o mare varietate de produse şi care posedă o înaltă compartimentare şi specializare şi în acelaşi timp interconexiuni deosebite prin sisteme de transport. Citoscheletul controlează atât localizarea organitelor cât şi translocarea acestora.

Citoscheletul este o reţea formată din trei tipuri de proteine filamentoase:- filamente de actină- microtubi- filamente intermediare

Fiecare tip de filament este format din tipuri diferite de subunităţi proteice: filamentele de actină au la bază actina, microtubii au la bază tubulina iar filamentele intermediare sunt formate de o familie de proteine fibroase.

1

MICROFILAMENTELE DE ACTINĂ

Actina există în celulă sub două forme: actina G – forma globulară şi actina F, forma fibrilară organizată în microfilamente.Actina este una din cele mai abundente proteine în celulele eucariote.La păsări şi mamifere s-au descris 6 tipuri diferite de actină:

- 3 tipuri de -actine, fiecare din ele fiind caracteristică unui anumit tip de muşchi;

- 2 tipuri de actine nemusculare denumite -actină şi -actină, găsindu-se în aproape toate celulele nemusculare;

- un tip de -actină, specifică muşchiului neted intestinal.

Actina globulară este formată dintr-un singur polipeptid cu greutate moleculară de 45000 Da, de formă globulară, cu lungime de 6 nm şi lăţime de 4 mn. Actina G are locuri de cuplare pentru mai multe substanţe: pentru profilină (o proteină care inhibă polimerizarea), pentru ioni cum sunt Ca sau Mg care controlează polimerizarea, pentru ATP (care furnizează energia pentru polimerizare) şi pentru miozină (mai exact pentru capul moleculei de miozină).Actina fibrilară (actina F sau microfilamentele de actină) este formată prin polimerizarea actinei G, în prezenţa actinei G, datorită energiei determinate de hidroliza ATP. Polimerizarea actinei G pentru a forma actina F are loc în două etape:

1. faza iniţială, denumită faza de lag, în care polimerizarea are loc cu o viteză scăzută

2. faza de creştere rapidă, în care, prin energia furnizată de hidroliza ATP, monomerii de actină G se adaugă la filamentul de actină în creştere. Procesul de polimerizare se opreşte în momentul în care concentraţia monomerilor din filament o egalează pe cea a monomerilor din soluţia rămasă.

3. un filament de actină poate fi distrus prin procese inverse de depolimerizare.Filamentele de actină interacţionează cu cele de miozină în celulele musculare. În celulele nemusculare filamentele de actină interacţionează cu molecule izolate de miozină. În celulele nemusculare, microfilamentele de actină intră în compoziţia specializărilor plasmalemei cum ar fi microvilii şi stereocilii, sau participă la formarea joncţiunilor nemusculare.Fenomenul de polimerizare este influenţat de medicamente cum ar fi citochalazinele care inhibă procesul. Alte substanţe cum ar fi faloidina inhibă depolimerizarea.

2

MiozinaMiozina reprezintă una din proteinele asociate filamentelor de actină fie în

celulele musculare fie în cele nemusculare.

3

MICROTUBIIA doua categorie de structuri implicate în motilitatea celulară şi subcelulară şi determinismul formei celulare este reprezentată de microtubi. Microtubii sunt polimeri alcătuiţi din subunităţi de tubulină şi care, alături de filamentele intermediare umplu citosolul cuprins între nucleu şi citoplasmă. Deşi se completează morfologic, microtubii şi filamentele intermediare au funcţii diferite în celulă.

Microtubii sunt reponsabili de o multitudine de mişcări celulare, ca de exemplu, mişcările cililor şi flagelilor, transportul vezicular intracelular, creşterea la nivelul conului de creştere neuronal, iar la unele protiste, de capturarea hranei din mediul extern.

Toate mişcările rezultă din polimerizarea şi depolimerizarea microtubilor şi din acţiunea proteinelor motrice asociate microtubilor, kinezina şi dineina.

În unele cazuri, microtubii au funcţii pur structurale, jucând un rol important în determinismul plasticităţii eritrocitare.

Microtubii sunt polimeri formaţi din subunităţi globulare de tubulină. Aceste subunităţi sunt dispuse în forma unui cilindru de 24 nm diametru, de 2 ori mai mare decât cel al filamentelor intermediare şi de 3 ori mai mare decât cel al microfilamentelor. Având lungimi variabile, microtubii sunt structuri mult mai rigide decât alte elemente citoscheletale, datorită arhitecturii lor tubulare, mult mai complexă decât a microfilamentelor.

Tubulinele. Microtubii sunt alcătuiţi din subunităţi dimerice de monomeri de -tubulină şi -

tubulină.

4

Microtubi. Microscopie electronică

Fiecare monomer tubulinic are formă globulară, cu un diametru de 4 nm. Heterodimerul are o lungime de 8 nm. Fiecare heterodimer leagă 2 molecule de GTP. Primul situs de legare situat la nivelul -tubulinei, leagă GTP ireversibil şi nu îl hidrolizează în timp ce al doilea situs, situat pe -tubulină, leagă GTP reversibil şi îl poate hidroliza la GDP. Acest al doilea situs de cuplare al GTP este denumit situs de schimb, deoarece GDP poate fi înlocuit de GTP. Hidroliza GTP legat la -tubulină este legată de fenomenul de polimerizare, de adiţie a subunităţilor tubulinice la capetele microtubilor.Un microtub este compus din 13 protofilamente dar pot exista şi variaţii, la diferite specii, între 11-15 protofilamente. Adesea, protofilamentele se asociază în structuri de tip dublet sau triplet, cum ar fi cazul cililor vibratili şi flagelilor (dublete) sau centriolilor (triplete). Un dublet de microtubi este format din microtubii A şi B. Microtubul A este complet, format din 13 protofilamente, în timp ce microtubul B constă din 10 protofilamente care formează un tub prin fuzionarea cu peretele tubului A. Un triplet de microtubi are în plus 10 protofilamente adăugate la un microtub B dintr-un dublet.

Asamblarea şi dezasamblarea microtubilor.Microtubii se asamblează prin procese de polimerizare ale dimerilor tubulinici .

După asamblare, stabilitatea microtubilor depinde de temperatură: la 4°C, microtubii depolimerizează în dimeri stabili iar la 37°C, în prezenţa GTP, dimerii tubulinici

5

Microtub. Schemă.Tubulinele dispuse în heterodimeri. Tubulinele din heterodimerii adiacenţi sunt puţin decalate, inducând aparenţa de spirale de monomeri şi . Peretele microtubilor are aspect de tablă de şah

polimerizează. Asamblarea microtubilor este asemănătoare cu cea a filamentelor de actină.

Asamblarea microtubilor este dependentă de concentraţie: la concentraţii ale dimerilor de tubulină peste Cc se produce polimerizarea iar la concentraţii ale dimerilor sub Cc se produce depolimerizarea. Centrii de organizare ai microtubilor (MTOC).(centrozomii)

Structura MTOC.O analiză atentă arată că reţeaua de organizare a microtubilor este radiară, cu

punct de plecare perinuclear. Acest punct de plecare este reprezentat de centrozom, denumit şi centru de organizare al microtubilor (MTOC – MicroTube Organizing Center). MTOC apare pe electronofotografii ca un material amorf, electronodens situat în citosol. Termenul de MTOC descrie structurile utilizate de celulele interfazice pentru a organiza microtubii. În cele mai multe cazuri MTOC este un centrozom. În schimb, unele celule epiteliale au MTOC care nu seamănă cu centrozomii.

Rolul major al MTOC este de suport de nucleere pentru majoritatea microtubilor, reprezentând şi un situs de control al asamblării. La nivelul MTOC, microtubii se prezintă cu capătul (-), ceea ce le permite creşterea radiară către plasmalemă. MTOC conţin o pereche de centrioli înglobaţi într-o substanţă amorfă. Centrozomii sunt situaţi în centrul MTOC dar nu iau contact direct cu capetele microtubilor citosolici.Funcţiile microtubilor. Implicarea în transportul vezicular dintre diverse compartimente

Microtubii sunt structuri dinamice implicate în transportul proteic şi în determinarea polarităţii unor tipuri de celule. Microtubii au dispoziţii diferite în celulele epiteliale polarizate în interfază.

O reţea densă de microtubi scurţi şi dispuşi aleator este localizată între membrana apicală şi aparatul Golgi. În fibroblaste, de exemplu, complexul Golgi este concentrat în apropierea MTOC. În timpul mitozei, complexul Golgi se dispersează în multiple vezicule în citosol. Când microtubii citosolici se reorganizează, veziculele Golgi se deplasează de-a lungul microtubilor către MTOC, unde se reagregă pentru a determina complexe largi membranare. Microtubii sunt asociaţi şi reticulului endoplasmatic.

Altă mănunchiuri de microtubi sunt dispuse longitudinal în axul apico-bazolateral. Microtubii sunt orientaţi cu capetele (-) spre membrana apicală şi cu cele (+) spre membrana bazolaterală. Organizarea spaţială neobişnuită a microtubilor are implicaţii importante în transportul vezicular ghidat între compartimentele celulare membranare.

Filamentele intermediare.Filamentele intermediare (FI) formează a treia componentă fibrilară a

citoscheletului celular. Numele lor derivă din observaţia că diametrul lor (de circa 10 nm) este

intermediar între al microfilamentelor (cca. 7 nm) şi cel al microtubilor (24 nm). FI se găsesc în aproape toate celulele eucariote, cu preponderenţă în celulele epiteliale şi

6

neuroni, unde sunt de 10 ori mai abundente decât în alte tipuri celulare. Modul lor de organizare într-o reţea ce străbate întreaga citoplasmă, mod de organizare oarecum asemănător celui al microtubilor sugerează că funcţia FI este de a fortifica structurarea intracelulară precum şi a celulelor în ţesuturi. Rolul suportiv jucat de FI este evidenţiat în cazurile extreme cum sunt ghearele sau firele de păr, vestigii ale celulelor epidermice. FI sunt importante mai ales în vecinătatea membranei, acolo unde participă la medierea contactului intercelular sau celule-matrice extracelulară (MEC).

Există o serie de caracteristici fizice şi biochimice care deosebesc FI de microtubi şi microfilamente: FI sunt extrem de stabile; chiar la concentraţii saline mari sau după extracţie cu

detergenţi, filamentele rămân polimerizate; în consecinţă metodele de purificare, care utilizează ca agent ureea, vor extrage FI dintre proteinele deja solubilizate.

ca şi structură, FI sunt structuri fibrilare -helicale care vor asambla filamente. din punct de vedere al asamblării, FI nu pot cupla nucleotide, deci polimerizarea lor va

fi independentă de ATP sau GTP.Cu toate deosebirile prezentate, există o serie de puncte comune care se vor

observa în termeni de structură şi funcţie în descrierea de mai jos.

Clasificarea filamentelor intermediare.FI reprezintă o superfamilie de proteine -helicale care, pe baza similitudinilor de

secvenţă pot fi grupate în 5 clase (vezi tabelul alăturat)

FI PM Nr. polipeptide Distribuţie tisulară

TIPUL Ikeratine acide 40-57 >15 epitelii

TIPUL IIkeratine bazice 53-67 >15 epitelii

TIPUL IIIDesminăProteină fibrilară glială acidăVimentinăPeriferină

5350

5757

11

11

muşchicelule gliale şi astrocitemezenchimneuroni

TIPUL IVNF-LNF-MNF-HInternexinăNestină

6210211066240

11111

Neuroni maturi din SN central şi perifericSNC în dezvoltarecelule neuro-epi-

7

teliale stem

TIPUL VLaminina ALaminina BLaminina C

706767

111

În toate celulele

NF = neurofilamente; L, H, M = low, medium, high, se referă la greutăţile molecularePM = pondere (greutate) moleculară

8