CURS 3Citoscheletul celular şi motilitatea celulară.

CUPRINS• COMPONENTELE CITOPLASMEI• CITOSCHELETUL • TIPURI DE FILAMENTE CITOSCHELETICE

– FILAMENTELE DE ACTINĂ– MICROTUBULII– FILAMENTELE INTERMEDIARE

• ORGANITELE DE COORDONARE A MIŞCĂRII CELULARE: CENTROZOMUL ŞI CORPII BAZALI.

• MIŞCĂRILE CELULARE: – CONTRACŢIA MUSCULARĂ– MIŞCAREA CILILOR ŞI FLAGELILOR.

COMPONENTELE CITOPLASMEI

• Citoplasma reprezintă regiunea celulei dintre membrana celulară şi nucleu.

• Include:– citosolul– citoscheletul– organitele– incluziunile celulare

• Citoplasma este organizată spaţial de o reţea de filamente numită CITOSCHELET

Abundenţa de structuri din citoplasma

celulei eucariote

CITOSCHELETUL

• Citoscheletul este o reţea de filamente proteice• Structură dinamică!• Conferă formă celulelor animale• Responsabil de mişcările celulare:

– Deplasarea celulelor pe suprafeţe– Contracţia musculară– Schimbări în forma celulelor– Transportul organitelor în citoplasmă– Segregarea cromozomilor în timpul mitozei

• Există trei tipuri de filamente ale citoscheletului– Filamentele de actină (microfilamentele) determină

forma celulei şi participă la locomoţia întregii celule (în anumite tipuri celulare);

– Microtubulii – determină poziţia organitelor celulare şi direcţionează transportul intracelular;

– Filamentele intermediare – conferă rezistenţă mecanică ţesuturilor.

• Funcţionarea filamentelor citoscheletului depinde de un set de proteine accesorii care:– ataşează filamentele între ele sau de alte structuri

celulare; – acestea includ proteine motorii care deplasează

organitele de-a lungul filamentelor sau chiar filamentele.

Filamente de actina (microfilamente)

Microtubuli

Filamente intermediare

-7 nm-Citoscheletul membranar-Desmozomi in centura-Miofibrile-Pseudopode

-25 nm-Citoscheletul celular –deplasarea organitelor-Centrioli, fusul de diviziune-Cili, flageli

-8-12 nm-Desmozomi in pata, hemidesmozomi (keratina)-Neurofibrile-Lamina nucleara

COMPONENTELE CITOSCHELETULUI

FILAMENTELE CITOSCHELETULUI

FILAMENTELE DE ACTINĂ – cunoscute de asemenea ca actina F (filamentară) sau microfilamente sunt polimeri dublu-helicoidali ai proteinei actină G (globulară)

• Au diametru de 7-9 nm• Au originea sub membrana

celulară unde formează, pe faţa internă a membranei – cortexul celular → determină forma celulei→ determină mişcările

suprafeţei celulare

ACTINA → 2 forme:

• ACTINA globulară (G) = monomerul de actină – moleculă asimetrică cu diametrul de 5.5 nm; ACTINA fibrilară (F) forma polimerizată a actinei G cu o grosime de 7-9 nm; dublu helix alcătuit din molecule de actină G uniform orientate→ Filamentul de actină are structură polară cu două capete diferite structural:

• Capătul „minus” – relativ inert, cu creştere lentă• Capătul „plus” – cu creştere rapidă.

• Filamentele de actină care se găsesc totdeauna asamblate în reţele sau mănunchiuri.

• Sunt alcătuite din molecule de actină G uniform orientate→ Filamentul de actină are structură polară cu două capete diferite structural:

• Capătul „minus” – relativ inert, cu creştere lentă• Capătul „plus” – cu creştere rapidă.

• Filamentele de actină, care se găsesc totdeauna asamblate în reţele sau mănunchiuri, determină variate procese de membrană (permanente sau tranzitorii):

• Microvilii – prelungiri subţiri, digitiforme, se formează pe suprafaţa celulelor prin asamblarea mănunchiurilor de actină, ancorate în corticala celulară

• Lamelipodiile – extensii plate, se formează pe suprafaţa celulei, susţinute de o reţea apalatizată de filamente de actină

• Inelul contractil – invaginare a suprafeţei celulare, apare în timpul diviziunii celulare, produsă de mănunchiuri contractile de actină (asociate cu proteina motoare – miozina).

• Corticala celulară – în toate celulele – reţea de filamente sub plasmalemă

Proteinele accesorii ale filamentelor de actină• Fimbrina şi α-actinina – cele mai utilizate proteine

ce leagă actina în mănunchiuri. Fimbrina – concentraţii crescute în microvili şi pseudopode; α- actinina – concentrată în mănunchiurile contractile.

• Filamina – proteină formatoare de gel (reţele) ubicuitară.

• Miozina – proteina motoare din structurile contractile (miofibrile, inelul contractil) – responsabilă pentru mişcările acestora.

• Tropomiozina – se leagă de-a lungul filamentelor de actină – reglează interacţiunea actină-miozină.

Interacţiuni între actină şi proteinele accesorii

MICROTUBULII • Cilindri lungi alcătuiţi din

proteinele tubuline;• Diametrul exterior – 25 nm;• Mai rigizi decât filamentele de

actină;• Au originea la nivelul

centrozomului;• Un microtubul – cilindru gol

alcătuit din 13 protofilamente paralele, fiecare compus din alternanţă de α-tubulină şi β-tubulină

→ Microtubulii prezintă polaritate structurală – cu α-tubulinele expuse la un capăt (capătul „minus”, cu creştere lentă) şi β-tubulinele expuse la celălat capăt (capătul „plus” cu creştere rapidă).

• Centrozomul este centrul major de organizare a microtubulilor în celulele animale– În interfază este localizat lângă

nucleu (de aceea se mai numeşte şi centru celular)

– Capătul cu creştere lentă (minus) al microtubulilor este înglobat in matricea centrozomului

• Corpii bazali – în cili şi flageli, sub plasmalemă (structura unui centriol)

ORGANITELE DE COORDONARE A MIŞCĂRII CELULARE: CENTROZOMUL ŞI CORPII BAZALI

Structura centrozomului:– 2 centrioli – formă cilindrică, dispunere

perpendiculară; fiecare centriol = 9 triplete de microtubuli

– matricea centrozomului (centrosferă)– aster

Schema electronooptică a centriolilor (9 triplete de microtubuli)

Aspect electronooptic al centrosomului (centrul celular)

• Microtubulii formează:– Structuri dinamice –

citoscheletul celulelor în interfază, fusul de diviziune;

– Structuri stabile – prelungirile celulelor nervoase şi ciliate, centriolii centrozomului şi corpii bazali ai cililor

• MT stabili → asociaţi cu proteine accesorii (MAPs = MT associated proteins)

Proteinele accesorii ale microtubulilor

• MAPs au două domenii → unul se leagă de microtubuli, celălalt stabileşte distanţa de împachetare; inhibă disocierea tubulinei

• Proteine HMW (high-molecular-weight proteins MAP-1 şi MAP-2)

• Proteine tau→ în neuroni

• Proteinele motoare → folosesc energia din hidroliza ATP pentru a se deplasa, într-un singur sens, de-a lungul microtubulilor:

• kinezine• dineine

FILAMENTELE INTERMEDIAREsunt structuri fibroase alcătuite din tipuri variate de proteine

• Au aproximativ 10 nm diametru;– F.I. citoplasmatice –

străbat citoplasma conferind rezistenţă mecanică celulelor,

– F.I. nucleare – formează o reţea pe faţa internă a membranei nucleare.

Asamblarea filamentelor intermediare

• Diferenţă faţă de actină şi tubuline care sunt proteine globulare şi se asamblează cap-coadă!

• Monomerii F.I. molecule lungi – se asamblează predominant prin contacte laterale → structură răsucită, asemănătoare unei frânghii – nu semai dezasamblează

→ Structuri stabile, fără polaritate, fără domenii pentru asocierea cu proteine motoare

• Filamentele intermediare sunt bine reprezentate în citoplasma celulelor care sunt supuse stresului mecanic intens:– în epitelii – sunt ataşate în celulele învecintate prin

joncţiunile de ancorare – filamente de keratină;– se găsesc de-a lungul axonilor celulelor nervoase –

neurofilamente;– se găsesc în toate tipurile de fibre musculare –

filamente de desmină.• În toate celulele – lamina nucleară – reţea formată

din lamine → pe faţa internă a membranei nucleare

MIŞCĂRILE CELULARE• Celulele au dezvoltat două mecanisme de bază

pentru a genera mişcări:– Un mecanism este reprezentat de asamblarea şi

dezasamblarea microfilamentelor şi a microtubulilor

– Al doilea mecanism necesită o clasă de proteine numite proteine motoare.

• Există două sisteme motoare principale implicate în mişcările celulare – fiecare necesită atât un anumit element al citoscheletului cât şi o proteină motoare:– sistemul actină-miozină,– sistemul tubulină-dineină.

• Proteinele motoare asociate cu actina sunt membri ai familiei MIOZINELOR.

• Prima proteină motoare identificată a fost miozina din muşchiul scheletic, responsabilă pentru generarea forţei în CONTRACŢIA MUSCULARĂ

• Aceasta miozină, numită miozina II este o proteină alungită formată din:– două lanţuri grele, şi– câte două copii a două lanţuri uşoare.

MIŞCĂRILE ÎN SISTEMUL ACTINĂ-MIOZINĂ

MIOZINA II• Fiecare lanţ greu are:

• un cap globular ce conţine mecanismul de generare a forţei de contracţie – situs de legare pentru actină şi activitate ATP-azică

• o porţiune liniară lungă – prin care se unesc lanţurile grele între ele şi apoi în filamentul gros de miozină

• Lanţurile uşoare se găsesc în regiunea capului moleculei.

• Moleculele de miozină II se unesc prin porţiunile liniare cu capetele moleculelor proiectate în afara filamentului → „filamentul gros” de miozină – filament bipolar (capetele miozinelor orientate opus in cele două jumătăţi)

CONTRACŢIA MUSCULARĂ

• Contracţia musculară reprezintă cea mai cunoscută şi mai bine studiată formă de mişcare la animale.

• Contracţia depinde de alunecarea, cu consum de ATP, a filamentelor de actină printre ansambluri de filamente de miozină → formează miofibrilele – structuri cilindrice de 1-2 μm diametru şi lungime mult mai mare (pot atinge centimetri).

Miofibrilele constau din numeroase repetări ale unor unităţi contractile mici numite sarcomere.

• Scurtarea sarcomerelor – contracţia – este produsă de deplasarea filamentelor de miozină printre filamentele de actină, fără schimbări in lungimea filamentelor.

• Filamentele groase, bipolare se deplasează către capătul plus al celor două seturi de filamente subţiri cu orientare opusă

capătul plus →

10–7 Ca2+

↓10–6 Ca2+

troponina

tropomiozina

MIOZINA

ACTINA

• Influxul nervos → depolarizarea fibrei musculare, care se transmite la reticulul sarcoplasmic şi eliberează ionii de Ca2+

• Proteinele reglatoare troponina şi tromomiozina sunt influenţate de creşterea concentraţiei de Ca2+ → eliberează situsurile de legare ale actinei pentru miozină

• Capetele de miozină se ataşează de actină şi se deplasează cu consum de ATP către capătul plus al filamentelor

• La fiecare ciclu de contracţie miozina avansează cu o moleculă de actină G

• Sistemele ce conţin microtubuli şi proteine motoare sunt substratul unor importante mişcări celulare, cum sunt:– Mişcările organitelor dintr-o locaţie în alta în

citoplasmă;– Mişcările cililor şi flagelilor;– Segregarea cromozomilor în timpul diviziunii

celulare.

MIŞCĂRILE ÎN SISTEMUL TUBULINĂ-DINEINĂ(KINEZINĂ)

MIŞCĂRILE ORGANITELOR• Proteinele motoare se deplasează de-a lungul

microtubulilor spre diferite destinaţii în celulă, având ataşate organite specifice delimitate de membrană.

• Proteinele motoare asociate microtubulilor sunt de două tipuri:– Kinezinele – care se mişcă spre capătul plus al MT

(spre plasmalemă)– Dineinele – care se deplasează către capătul minus al

MT (spre centrozom)

MIŞCAREA CILILOR ŞI FLAGELILOR

• Cilii sunt prelungiri filiforme cu diametrul de ~0.25μm ce au ca miez un mănunchi de microtubuli.

• Funcţia primară a cililor este să deplaseze fluide pe suprafaţa celulelor, sau să propulseze celulele prin fluide (ca flagelul spermatozoizilor)

Pe suprafaţa celulelor din aparatul respirator, numeroşi cili (109/cm2) propulsează mucusul cu particule nedorite către căile respiratorii superioare

• Mişcarea cililor şi flagelului este produsă prin îndoirea miezului lor – numit axonemă.

• Axonema este alcătuită din microtubuli şi proteine asociate.

• Microtubulii sunt modificaţi şi aranjaţi într-o structură specifică – nouă dublete aranjate în jurul unei perechi de microtubuli centrali.

• Flagelii şi cilii se dezvoltă din corpii bazali (înrudiţi cu centriolii).

• Aceştia au nouă triplete de microtubuli – se găsesc sub plasmalemă.

• În timpul formării cilului, fiecare dublet al axonemei se dezvoltă din doi microtubuli ai tripletelor corpilor bazali.

• Cea mai importantă dintre proteinele accesorii din cili este dineina ciliară, ale cărei capete globulare interacţionează cu microtubulii învecinaţi pentru a genera mişcarea.

• Dineina se deplasează către baza cilului (capătul minus al MT) – datorită legăturilor ce ţin uniţi microtubulii din axonemă aceştia nu alunecă unii printre alţii → îndoirea cilului.

Numiţi tipuri de filamente ale citoscheletuluiR: microfilamente, microtubuli, filamente intermediare

Prelungirile celulare, cum sunt cilii conţin actină (Adevărat/Fals)R: Fals cilii conţin microtubuli

Actina G reprezintă monomerul filamentelor de actină. (Adevărat/Fals)

R: Adevărat

Numiţi proteine motoare asociate cu filamentele de actină.R: miozine

RECAPITULARE:

Din câte protofilamente este format un microtubul?R: 13

MAPs (Proteine asociate MT) stabilizează microtubulii în neuroni (Adevărat/Fals)R: Adevărat

Deplasarea organitelor se face totdeauna către capătul plus al MT. (Adevărat/Fals)R: Fals se face către ambele capete, depinde de tipul proteinei motoare

În timpul contracţiei musculare, filamentele de miozină şi actină nu îşi schimbă dimensiunile(Adevărat/Fals)

R: Adevărat ele alunecă unele printre altele

Numiţi structuri ce conţin microtubuli dinamiciR: citoscheletul celular în interfază, fusul de diviziune în diviziunea celulară

Filamentele intermediare participă la mişcările celulare. (Adevărat/Fals)R: Fals – filamentele intermediare nu au domenii de legare pentru proteine motoare

Filamentele intermediare se aseamănă cu microtubulii, fiind structuri dinamice. (Adevărat/Fals)

R: Fals FI nu sunt dinamice, odată asamblate nu se mai dezasamblează – excepţie lamina nucleară

Numiţi tipuri de proteine motoare asociate microtubulilorR: kinezine, dineine