Diapositive sui microfilamenti di actina

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Transcript Diapositive sui microfilamenti di actina

09/05/2014

Citoscheletro

 ‐

Microfilamenti

BUSB

PROPRIETA’   DEI   MICROTUBULI,   FILAMENTI   INTERMEDI   E   FILAMENTI   DI   ACTINA

Da   G.

  Karp,   BIOLOGIA   CELLULARE   E   MOLECOLARE,   3a   ed,   CORRETTA 1

09/05/2014

Microfilamenti

I  

filamenti   di   actina

(

microfilamenti

)   consistono   di   subunità   della   proteina   actina   collegate   in   polimeri   formati   da   filamenti   doppi   attorcigliati   come   una   corda.

  ‐‐‐‐

LEGAMI   NON ‐ COVALENTI

Hanno   un   diametro   di   circa   5 ‐ 10   nm,   sono   dotati   di  

grande   flessibilità

e   formano   una   grande   diversità   di  

reti   bi ‐ o   tri ‐ dimensionali

.

Anche   se   i   filamenti   a   base   di   actina   si   possono   trovare   quasi   dappertutto   nella   cellula,   essi   spesso  

si   concentrano

nelle   zone   spigolose   della   cellula,   appena  

sotto   la   membrana   plasmatica

.

  In   questa   sede   possono   irrigidire   i   contenuti   liquidi   del   citoplasma,   formando   la  

corteccia   cellulare

,   spesso   dando   alla   membrana   plasmatica   delle   cellule   animali   la   loro   forma   caratteristica: Estensioni   sottili,   appuntite:  

MICROSPINE

Lamelle:  

LAMELLIPODI

Pieghe   o   infossature   della   membrana   plasmatica,   simili   a   quelle   che   si   formano   durante   la   divisione   cellulare   (

citochinesi

) 2

http://www.basic.northwestern.edu/g ‐ buehler/glossary.htm

Corteccia

 

cellulare

09/05/2014

Monomero

 

di

 α‐

actina

 

(g

actina)

 ‐

1

La   molecola   di   actina   è   ripiegata   in  

due   domini  

che   sono   stabilizzati   dal  

legame   con   un   nucleotide   adeninico (ATP   o   ADP)  

che   si   inserisce   fra   di   essi.

Il   polipeptide   di   375   residui   si   incrocia   due   volte   fra   i   due   domini,   con   i   N ‐ e   C ‐ terminali   localizzati   vicino   uno   all’altro.

I   due   domini   sono   ripiegati   in   modo   simile,   suggerendo   che   il   gene   dell’actina   è   sorto   per   duplicazionedi   un   gene   ancestrale.

http://www.med.upenn.edu/dominguez/Gallery.html

3

Monomero

 

di

 α‐

actina

 

(g

actina)

 ‐

2

L’actina   si   lega   all’adenosina   trifosfato   (

ATP

)   o   all’adenosina   difosfato   (

ADP

)   ed   a   un   catione   divalente,  

Ca 2+

o  

Mg 2+

, con   affinità   nanomolare.

L’affinità   dell’actina   per   l’ATP   è   maggiore   che   per   l’ADP,   e   così,   data   la   maggiore   concentrazione   di   ATP   nelle   cellule,  

l’actina   non   polimerizzata   è   satura   di   ATP

.

Il   nucleotide   legato   viene   scambiato   molto   lentamente   con   il   nucleotide   del   mezzo

.

Proteine   che   legano   i   monomeri   di   actina   possono  

inibire

oppure  

accelerare   lo   scambio   di   nucleotidi

.

Il   nucleotide   legato   stabilizza   la   molecola   ma   non   è   necessario   per   la   polimerizzazione   in   vitro.

L’ATP ‐ actina   e   la   ADP ‐ actina   polimerizzano   con   velocità   diverse.

La

 

struttura dei filamenti di

  

actina

09/05/2014 4

L’intrappolamento

 

dell’ADP

 

in

 

un

 

filamento

 

di

 

actina

Una   molecola   di   actina   ha   una   struttura   che   è   simile   a   quella   dell’enzima   ubiquitario   esochinasi,   con   domini   che   sono   imperniati   attorno   al   sito   di   legame   con   l’ATP.

 

L’ATP   legato   viene   idrolizzato   ad   ADP   immediatamente   dopo   che   la   molecola   viene   incorporata   nel   filamento   di   actina

.

  Affinchè   l’ADP   sia   sostituito   con   ATP,   il   cardine   dovrebbe   aprirsi.

  Ma   nel   filamento   di   actina  

i   due   domini   di   ogni   molecola   di   actina   sono   trattenuti   da   interazioni   con   le   subunità   vicine,   che   quindi   mantengono   il   cardine   chiuso   e   intrappolano   l’ADP   nel   filamento   di   actina   finchè   il   filamento   non   depolimerizza

.

 

Assemblaggio

 

e

 

disassemblaggio

 

dei

 

microfilamenti

 

(1)

Prima   di   potere   essere   incorporata   in   un   filamento,  

una   molecola   di   actina   globulare   lega   una    molecola   di   ATP

.

La   molecola   di   actina   è   una   ATPasi  

(come   la   tubulina   è   una   GTPasi ).

L’ATP   associata   al   monomero   di   actina   viene   idrolizzata   ad   ADP  

in   un   momento   successivo   alla   sua   incroporazione   nel   filamento   in   crescita.

Perciò  

la   maggior   parte   del   filamento   di   actina   consiste   di   subunità   di   actina ‐ ADP

.

09/05/2014 5

La

 

F

actina

 

ha

 

una

 

polarità

 

strutturale

 

e

 

funzionale

Tutte   le   subunità   di   G ‐ actina   che   si   inseriscono   in   un   filamento   sono  

orientate   nello   stesso   senso

.

Quindi   il   filamento   avrà   una   «

polarità

»:  

un’estremità   del   filamento   è   diversa   dall’altra   estremità

.

Una   delle   estremità  

favorisce   l’aggiunta   di   subunità   di   actina

:   detta  

estremità   (+).

Nell’altra   è  

favorita   la   dissociazione   di   subunità

:  

estremità   ( ‐ )

.

Nell’estremità   (+)   la   fenditura   che   lega   l’ATP   della   subunità   terminale   di   actina   è   in   contatto   con   l’unità   adiacente.

Nell’estremità   ( ‐ )   la   tasca   è   esposta   alla   soluzione   circonstante.

Lodish,   7° ed.

Assemblaggio

 

e

 

disassemblaggio

 

dei

 

microfilamenti

 

(2)

La   fase   iniziale   della   polimerizzazione   avviene   lentamente   perchè   ha   bisogno   che   si   formino   piccoli   aggregati   di   subunità   che   fungono   da   innesco   per   la   polimerizzazione    –

fase   di   nucleazione

.

La  

fase  

seguente   di  

allungamento  

avviene   molto   rapidamente.

Una   delle   estremità   del   filamento  

ha   maggiore   affinità   per   le   subunità

e   le   incorpora   ad   una   velocità   5 ‐ 10   volte   superiore   (

estremità   «più»

)   rispetto   all’altra   subunità   (

estremità   «meno»

).

Mediante   «

decorazione

»  

con   teste   della   proteina   motore   miosina

(frammento   S1)   si   vede   che  

l’estremità   sfrangiata  

(a   barbigli;   «più»)   è   l’estremità   a   crescita   più   rapida,   mentre  

l’estremità   «appuntita

»   è   quella   a   crescita   lenta).

09/05/2014 6

La

 

decorazione

 

dei

 

filamenti

 

di

 

actina

 

con

 

teste

 

(S1)

 

di

 

miosina

 

permette

 

di

 

individuare

 

l’estremità

 

appuntita

 

(

)

 

e

 

l’estremità

 

a

 

barbigli/sfrangiate

 

(+)

Un   filamento di  

actina

“ decorato”   con   teste di  

miosina

.

  (

Sinistra

):   Fotografia al   microscopio elettronico.

  (

Destra

)   I   frammenti   di   testa   di   miosina   producono   il   pattern   a   testa   di   freccia   visibili   nella   fotografia   al   microscopio o   estremità   sfrangiata Mathews   et   al:   Biochemistry,   3rd   Ed.,   Addison ‐ Wesley   Publishing   Co 09/05/2014 7

09/05/2014

La   sequenza teporale della polimerizzazione dell’actina in   provetta.

 

(A)La   polimerizzazione inizia quando si aumenta la   concentrazione salina in   una soluzione di   subunità di   actina pura.

(B)In   questo caso la   polimerizzazione inizia nello stesso modo,   ma   invece di   monomeri di   actina si aggiungono frammenti preformati che agiscono come   nuclei   di   polimerizzazione per   la   crescita dei filamenti.

   http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26862/figure/A2965 /

Schema   dell’assemblaggio   dell’actina   in   vitro

.

  Tutte   le   subunità   aranciona   appartengono   al   filamento   preformato   originario,   mentre   le   rosse   erano   presenti    in   soluzione   all’inizio   dell’incubazione.

  Quando   la   concentrazione   di   monomeri   ha   raggiunto   uno   stato   stazionario   le   unità   vengono   aggiunte   all’estremità   «più»   alla   stessa   velocità   con   cui   vengono   rilasciate   dall’estremità   «meno».

  Perciò   le   subunità   «filano»   («treadmilling»)   attraverso   il   filamento   in   vitro.

  (N.B.

  Nella   figura   a   sinistra   non   sono   distinte   le   subunità   che   legano   ATP   da   quelle   che   legano   ADP).

8

Estremità   ‐ Estremità  

+

09/05/2014

“Treadmilling”

Processo   mediante   il   quale  

un  

monomero

incorporato  

in   una   estremità   di   filamenti   di   F ‐ actina   per   polimerizzazione  

si   muove   lungo   il   filamento   finchè   non   viene   perso   dall’altra   estremità   per   depolimerizzazione

.

  Esiste   un   equilibrio   fra   la   polimerizzazione   ad   un’estremità   (dipendente   dalla   concentrazione   di   monomeri   liberi)   e   la   depolimerizzazione   dall’altra   estremità.

  Questo   cambiamento   di   posizione   delle   estremità   in   crescita   e   in   accorciamento   dei   filamenti   di   actina   permette   un   certo   grado   di  

flessibilità   nella   forma   e   posizione   delle   reti   di   filamenti   di   actina  

all’interno   di   una   cellula) .

9

Actina

Proteine

 

associate (incluso

 

proteine

 

motore) PROTEINE

 

CHE

 

LEGANO

 

L’ACTINA

09/05/2014 10

09/05/2014 http://jcs.biologists.org/content/suppl/2012/05/15/125.5.1073.DC1/JCS093799Panel2.jpg

Proteine

 

che

 

inducono

 

la

 

formazione

 

di

 

fasci

 

di

 

actina

I   filamenti   di   actina   possono   formare   due   tipi   di   fasci   mediante   l’azione   di   proteine   diverse: La  

fimbrina

ha   due   domini   adiacenti   di   legame   con   l’actina   (ABD;   “actin ‐ binding   domains”)   e   induce   la   formazione   di   legami   crociati   nell’actina   producendo  

fasci   paralleli   impacchettati   molto   strettamente  

in   cui   i   filamenti   sono   distanziati   di   circa   14   nm.

Vice   versa,   i   due   domini   separati   di   legame   con   l’actina   dei   dimeri   dell’  

α‐ actinina

formano   legami   incrociati   nei   filamenti   di   actina   tali   da   produrre  

fasci   contrattili   distanziati   in   modo   più   lasso  

in   cui   i   filamenti   sono   separati   da   circa   40   nm.

Sia   la   fimbrina   che   l’

α

‐ actinina   contengono   due  

domini   di   legame   con   il   Ca 2+   correlati,  

e   l’  

α

‐ actinina    contiene   quattro   domini   distanziatori   (“spacer”)   ad  

α

‐ elica.

11

09/05/2014 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26809/figure/A3023 / http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26809/figure/A3024 / 12

09/05/2014 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26809/figure/A3026 / Frammentazione   e   incappucciamento http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26809/figure/A3031 / 26 13

Actina

Formazione

 

di

 

fasci

 

e

 

gel

09/05/2014 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26809/figure/A3022 / 14

09/05/2014

Microfilamenti

Nucleazione

Microfilamenti

 

_

 

Nucleazione

La

 

posizione

 

dei

 

filamenti

 

di

 

actina

 

nella

 

corteccia

 

e

 

la

 

loro

 

direzione

 

è

 

controllata

 

di

 

piccoli

 

siti

 

di

 

nucleazione

 

sulla

 

membrana

 

stessa.

 

Siti

 

diversi

 

e

 

zone

 

differenti

 

della

 

membrana

 

organizzano

 

i

 

filamenti

 

di

 

actina

 

in

 

modi

 

diversi

 

e

 

la

 

corteccia

 

complessivamente

 

è

 

molto

 

sensibile

 

a

 

segnali

 

esterni

 

che

 

arrivano

 

sulla

 

superficie

 

esterna

 

della

 

membrana

 

plasmatica.

  15

Nucleazione

 

dei

 

microfilamenti

 ‐

1

Mentre   la  

nucleazione

dei   microtubuli   avviene   nella   profondità   del   citoplasma,   quella   dell’actina   ha   luogo  

frequentemente   sulla   o   vicino   alla   membrana   plasmatica

: La   maggiore   concentrazione   di   actina   nella   maggior   parte   delle   cellule   si   trova   alla   periferia   cellulare:  

CORTECCIA   CELLULARE

.

Qui   i   filamenti   di   actina   determinano   la   forma   e   i   movimenti   della   superficie   cellulare: Microvilli Filopodi Lamellipodi,   ecc.

Nucleazione

 

dei

 

filamenti

 

di

 

actina

 ‐

2

La   nucleazione   spontane   di   nuovi   filamenti   a   partire   dai   monomeri   di   actina   è   intrinsecamente   sfavorevole   e   ulteriormente  

inibita

dalla  

profilina

,   quindi   le   cellule   usano  

fattori   di   nucleazione   per   specificare   dove e   quando si   formano   i   nuovi   filamenti

: Formine Complesso   Arp2/3 Spire 09/05/2014 16

Nucleazione

 

– 3

(Pollard   et   al.,   2° ed)

Segnali   esterni  

frequentemente   regolano   la   nucleazione   dei   filamenti   di   actina   sulla   membrana   plasmatica,   permettendo   alla   cellula   di  

cambiare   la   sua   forma   e   rigidità   rapidamente   in   risposta   a   cambiamenti   dell’ambiente   esterno

.

  La   nucleazione   può   essere   catalizzata   da   diversi   tipi   di   fattori   di   regolazione:

Complesso   ARP Formine

09/05/2014

Complesso

 

di

 

nucleazione

 

ARP

 ‐

(Alberts,   5° ed.)

1

Complesso   proteico   che   include   due   “

Actin ‐ Related   Proteins

”   (ARPs)   ciascuna   delle   quali   ha   un’omologia   di   circa   45%   con   l’actina.

Il   complesso   ARP  

(o   complesso   ARP   2/3)  

nuclea   la   crescita   dei   filamenti   a   partire   dall’estremità   ( ‐ ),   permettendo   un   rapido   allungamento   dell’estremità   (+)

.

Il   complesso  

può

inoltre  

collegarsi   lateralmente   ad   un   altro   filamento   di   actin

a   così   costruendo   una   sorta   di   ragnatela   di   filamenti   di   actina.

17

Complesso

 

di

 

nucleazione

 

ARP

 ‐

(Alberts,   5° ed.)

2

Negli   animali,   il  

complesso   ARP  

è   associato   a  

strutture   sul   fronte   di   avanzamento    delle   cellule   migratorie

.

E’   localizzato   in   regioni   dove   ha   luogo   una   rapida   crescita   dei   filamenti   di   actina   (es.

  lamellipodi).

Molecola   di   segnalamento   intracellulare  

e   componenti   della   faccia   citosolica   della   membrana   plasmatica   regolano   la   sua   attività   di   nucleazione.

L’attivazione   regolata   del   complesso   ARP   nelle   cellule   animali   tende   a   portare   alla   formazione   di   reti   ramificate   di   actina,   formando   una  

struttura   gelificata

.

09/05/2014 18

Formine

Grande   famiglia   di   proteine   dimeriche   (circa   15   formine   distinte   nel   genoma   del   topo).

Ogni   subunità   delle   formine   ha   un   sito   di   legame   per   il   monomero   di   actina  

e   il  

dimero   di   formina  

sembra  

nucleare   la   polimerizzazione  

catturando   due   monomeri.

Man   mano   che   i   filamenti   nucleati   crescono   il   dimero   di   formina   rimane  

associato   all’estremità   (+)  

in   rapida   crescita,   ma   sempre   permettendo   il   legame   di   nuove   subunità   a   quella   estremità   per   allungare   il   filamento.

09/05/2014 19

Seminario Modelli   di   nucleazione   dell’actina Firat ‐ Karalar EN,   Welch   MD.

  New   mechanisms   and   functions   of   actin   nucleation.

   Curr Opin Cell   Biol.

  2011   Feb;23(1):4 ‐ 13 .

  Seminario

I nucleatori dell’actina

 

sono

 

coinvolti:

• Traffico   di   membrane   (internalizzazione   della   membrana   nell’endocitosi,   trasporto   di   vescicole   nell’endocitosi,   trasporto   tra   reticolo   endoplasmatico   e   Golgi)   con   cambiamenti   di   forma   dinamici   e   rimodellamento   delle   membrane.

• Protrusione   del   fronte   di   avanzamento   delle   cellule   migranti • Divisione   cellulare Firat ‐ Karalar EN,   Welch   MD.

  New   mechanisms   and   functions   of   actin   nucleation.

  Curr Opin Cell   Biol.

  2011   Feb;23(1):4 ‐ 13 .

  09/05/2014 20

09/05/2014 Seminario Firat ‐ Karalar EN,   Welch   MD.

  New   mechanisms   and   functions   of   actin   nucleation.

  Curr Opin Cell   Biol.

  2011   Feb;23(1):4 ‐ 13 .

  Seminario

Protrusione

 

del

 

fronte

 

di

 

avanzamento

• Nelle cellule   migranti,   la   polimerizzazione dell’actina nelle protrusion   piatte della membrane   chiamate lamellipodi e   nelle protrusion   a   forma   di   dita,   dette filipodi fornisce la   forza di   guida per   la   protrusion   del   fronte di   avanzamento.

• I   modelli più noti hanno proposto che i lamellipodi sono composti da   reti di   filament   a   forma   di   Y   nucleate   dal   complesso Arp2/3   mentre i filopodi sono nucleate   dale   formine.

• Studi recenti stanno mettendo in   discussion   queste ipotesi in   quanto i meccanismi molecolari della nucleazione dell’actina dovrebbero essere complicati e   coinvolgere la   partecipazione di   diversi nucleatori.

Firat ‐ Karalar EN,   Welch   MD.

  New   mechanisms   and   functions   of   actin   nucleation.

  Curr Opin Cell   Biol.

  2011   Feb;23(1):4 ‐ 13 .

  21

09/05/2014 Seminario Firat ‐ Karalar EN,   Welch   MD.

  New   mechanisms   and   functions   of   actin   nucleation.

  Curr Opin Cell   Biol.

  2011   Feb;23(1):4 ‐ 13 .

http://jcs.biologists.org/content/suppl/2012/05/15/125.5.1073.DC1/JCS093799Panel4.jpg

  Seminario

Divisione

 

cellulare

• La   nucleazione dell’actina gioca anche ruoli cruciali e   diversificati nei diversi stadi della divisione cellulare.

• I   meglio studiati sono l’assemblaggio dell’

anello contrattile

,   essenziale per   la  

citocinesi

.

• Ricerche recenti hanno evidenziato ruoli inaspettati per   l’actina in   altri aspetti della divisione cellulare,   che includono la   separazione dei centrosomi,   e   il posizionamento asimmetrico del   fuso e   dei cromosomi negli oociti,   nonchè la   segregazione di   aggregati proteici nei lieviti.

  Firat ‐ Karalar EN,   Welch   MD.

  New   mechanisms   and   functions   of   actin   nucleation.

  Curr Opin Cell   Biol.

  2011   Feb;23(1):4 ‐ 13 .

  22

Seminario Firat ‐ Karalar EN,   Welch   MD.

  New   mechanisms   and   functions   of   actin   nucleation.

  Curr Opin Cell   Biol.

  2011   Feb;23(1):4 ‐ 13 .

  09/05/2014 Microfilamenti

MICROVILLI

23

09/05/2014 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26809/figure/A3025 /

Organization   of   microvilli

The   core   actin filaments   of   microvilli   are   crosslinked into   closely   packed   bundles   by   fimbrin and   villin.

  They   are   attached   to   the   plasma   membrane along   their   length   by   lateral   arms,   consisting   of   myosin I   and   calmodulin .

  The   plus   ends   of   the   actin   filaments   are   embedded   in   a   cap   of   unidentified   proteins at   the   tip   of   the   microvillus .

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9908/figure/A1776/ 24

Seminario Stevenson   2012:   http://jcs.biologists.org/content/suppl/2012/05/15/125.5.1073.DC1/JCS093799Panel8.jpg

09/05/2014 http://jcs.biologists.org/content/suppl/2012/05/15/125.5.1073.DC1/JCS093799Panel1.jpg

25

Proteine

 

associate

 

all’actina

Proteine

 

motore

09/05/2014 26

09/05/2014

Le

 

tre

 

più

 

comuni

 

classi

 

di

 

miosine

Lodish   et   al.,   7° ed.

27

09/05/2014 http://jcs.biologists.org/content/115/21/3983/F1.large.jpg

28

09/05/2014

Miosine

 ‐

a

attorno 29

Miosine

b

09/05/2014

Miosine,

 

c

30

Struttura

 

della

 

miosina

 

II

 

(1)

La  

miosina   II

è   il   motore   molecolare   che   genera   la   forza   nei   vari   tipi   di  

tessuti   muscolari  

ed   anche   in   una   varietà   di   processi    non   muscolari   quali   la  

citocinesi

.

Tutte   le   molecole   di   miosina   II   contengono    una  

coda

lunga,   a   forma   di   bastoncello,    con   attaccate   ad   una   estremità   

due   teste   globulari

.

Struttura

 

della

 

miosina

 

II

 

(2)

Le  

teste

sono   il   

sito   di   legame   con   i   filamenti   di   actina,   idrolizzano   l’ATP  

e  

subiscono   i   cambiamenti   conformazionali   richiesti   per   la   generazione   di   forza

.

Il  

collo

probabilmente   agisce   come   il   braccio   di   una   leva   che   amplifica   i   cambiamenti   conformazionali   della   testa.

Le  

code

fibrose  

mediano   l’assemblaggio   della   miosina   in   filamenti   bipolari

.

La   maggior   parte   delle  

miosine   non   convenzionali   

ha  

una   sola   testa   e   domini   di   coda   variabile

ed   è   impegnata   nella  

motilità   cellulare  

e   nel  

trasporto   di   organelli

.

09/05/2014 31

09/05/2014

Actina

Contrazione

 

muscolare

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26853/figure/A4167 / 32

Struttura

 

generale

 

del

 

muscolo

 

scheletrico

Il  

tessuto   muscolare   scheletrico  

è   composto   da   fasci   di   cellule   muscolari   multinucleate,   o  

miofibre

.

  Ogni   cellula   muscolare   ha   un   citoplasma   infarcito   di   fasci   di   filamenti   di   actina   e   di   miosina   organizzate   in  

miofibrille

che   si   estendono   per   tutta   la   lunghezza   della   cellula.

Organizzati   sequenzialmente   si   trovano   catene   di  

sarcomeri

,   le  

unità   funzionali   della   contrazione

.

  L’organizzazione   interna   dei   filamenti   dà   alle   cellule   muscolari   la   tipica   morfologia   striata.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21670/figure/A5200/?report=objectonly

Ogni

 

filamento

 

spesso

 

contiene centinaia

 

di

 

molecole

 

di

 

miosina

09/05/2014 Le   singole   molecole   di   miosina   sono   raggruppate   mediante   legami   di   idrogeno   e   interazioni   idrofobiche Univ   Arapaho 33

09/05/2014

Muscolo scheletrico

E’   composto da   una disposizione ordinata di   actina e   miosina I  

filamenti spess

i sono di  

miosina II

I  

filamenti sottili

sono di  

actina

filamentosa Il  

sarcomero

è   una unità funzionale che si ripete: Bande A   e   zona H   zone   (miosina) Bande I   e   disco   Z   (actina) 34

Sarcomero

(dal   Greco   sárx =   “carne",   méros =   "parte")   I   sarcomeri   danno   ai   muscoli   cardiaco   e   scheletrico   la   loro   apparenza   striata   tipica.

Un   sarcomero   è   definito   come   il   segmento   fra   due  

linee   Z

vicine   (

dischi   Z

;   dal   Tedesco   "

Z

wischenscheibe",  

il   disco   fra  

le   bande   I

)

.

  In   microscopia   elettronica   pappare   come   una   serie   di   bande   scure.

Attorno   alla  

linea   Z

vi   è   la  

banda   I

(da  

i

sotropica

).

Dopo   la  

banda   I

c’è   la  

banda   A

(da  

a

nisotropica

).

  Così   designata   dalla   sue   proprietà   al   microscopio   polarizzatore.

All’interno   della  

banda   A

vi   è   una   zonas   più   chiara,   la  

banda   H

Tedesco   “

h

eller”,  

più   chiara

).

  (dal   Finalmente,   all’interno   della   zona   H   vi   è   una   sottile  

linea   M

(dal   Tedesco   "

M

ittelscheibe",   il   disco   in  

mezzo

al   sarcomero)   formato   da   elementi   che   intercollegano   gli   elementi   del   citoscheletro.

I   filamenti spessi di   miosina e di   actina sull’altro   i filamenti sottili scivolano uno

Contrazione

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21670/figure/A5208/?report=objectonly 09/05/2014 35

09/05/2014 Uni   Texas http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26888/figure/A3070/?report=objectonly 36

09/05/2014 I   filamenti   spessi   di   miosina   II   sono   trattenuti   fra   i   filamenti   sottili   dalla  

titina

,   una   proteina   gigantesca   che   funziona   come   una   molla con   diversi   siti   per   altre   molecole   incluso   l’actina.

http://www.bms.ed.ac.uk/research/others/smaciver/Myosin%20II.htm

The   titin ‐ nebulin filament   system   stabilizes   the   alignment   of   thick   and   thin   filaments   in   skeletal   muscle

(a)   A   titin filament   attaches   at   one   end   to   the   Z   disk   and   spans   the   distance   to   the   middle   of   the   thick   filament.

  Thick   filaments   are   thus   connected   at   both   ends   to   Z   disks   through   titin.

  Nebulin is   associated   with   a   thin   filament   from   its   (+)   end   at   the   Z   disk   to   its   ( − )   end.

  The   large   titin and   nebulin filaments   remain   connected   to   thick   and   thin   filaments   during   muscle   contraction   and   generate   a   passive   tension   when   muscle   is   stretched.

  (b)   To   visualize   the   titin filaments   in   a   sarcomere,   muscle   is   treated   with   the   actin ‐ severing   protein   gelsolin,   which   removes   the   thin   filaments.

  Without   a   supporting   thin   filament,   nebulin condenses   at   the   Z   disk,   leaving   titin still   attached   to   the   Z   disk   and   thick   filament.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21670/figure/A5210/?report=objectonly 37

Ruolo del

 

Calcio

La   contrazione muscolare è   scatenata da   un   aumento del   Ca 2+ citosolico (proveniente dai depositi intracellulari di   Ca 2+ all’interno del   reticolo sarcoplasmatico) 09/05/2014 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26888/figure/A3072/?report=objectonly 38

Controllo

 

della

 

contrazione

 

del

 

muscolo

 

scheletrico

 

da

 

parte

 

della

 

troponina

(

A

)   Un   filamento   sottile   di   una   cellula   di   muscolo   scheletrico,   mostrando   le   posizioni   della  

tropomiosina

e   della  

troponina

lungo   il   filamento   di   actina.

  Ogni   molecola   di   tropomiosina   ha   sette   regioni   regolarmente   distanziate   con   sequenze   simili   di   aminoacidi;   si   ritiene   che   ciascuna   di   queste   si   leghi   ad   una   subunità   di   actina   nel   filamento.

  (B)   Un   filamento   sottile   illustrato   trasversalmente,   che   illustra   il   modo   come   si   pensa   che   il   Ca 2+ (legato   alla   troponina)   rilasci   il   blocco   della   troponina   dall’interazione   fra   actina   e   testa   della   miosina.

  http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26888/figure/A3013/?report=objectonly 09/05/2014 http://www.proprofs.com/flashcards/upload/a7091936.jpg

39

09/05/2014 40

09/05/2014 http://www.colorado.edu/intphys/Class/IPHY3430 ‐ 200/image/12 ‐ 3f.jpg

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21670/figure/A5212/?report=objectonly 41

Muscolo   cardiaco Seminario 09/05/2014 Seminario 42

Seminario Seminario Contrazione   del   muscolo   liscio 09/05/2014 43

09/05/2014

Actina

Citocinesi,

 

citodieresi

Citocinesi

Dopo il completamento della

mitosi

(divisione nucleare)   un  

anello contrattile

,   che consiste in   filamenti di  

actina

e  

miosina II

divide   la   cellula in   due.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9961/figure/A1802/?report=objectonly 44

http://www.nature.com/nature/journal/v422/n6933/fig_tab/nature01599_F1.html#figure ‐ title Seminario Actina

STEREOCILIA

Seminario 09/05/2014 45

Seminario Stereocilia,   cellule   capellute   dell’orecchio   interno 09/05/2014 Seminario Actina

LISTERIA

:

 

UN

 

BATTERE

 

CHE

 

SFRUTTA

 

LA

 

POLIMERIZZAZIONE

 

DELL’ACTINA

 

PER

 

INVADERE

 

LA

 

CELLULA

 

EUCARIOTICA

46

09/05/2014 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26833/figure/A4663 /

Didascalia

 

della

 

figura

 

precedente

Il   movimento basato sull’actina della

Listeria   monocytogenes

all’interno e   fra cellule   dell’ospite

(A) Questi batteri inducono l’assemblaggio di   code   ricche di   actina nel citoplasma della cellula dell’ospite,   che permettono ad   essi di   muoversi rapidamente.

  I   batteri mobile   si propagono da   cellula a   cellula formando protrusioni racchiuse da   membrane   che vengono incorporate   dalla cellule   vicine.

(B) Fotografia in   microscopia di   fluorescenza dei batteri che si muovono in   una cellula che è   stata marcata per   evidenziare sia i batteri che i filament   di   actina.

  Notare la   coda   tipo cometta dei filamenti di   actina

(verde)

dietro ogni batterio in   movimento (rosso).

  Le   regioni di   sovrapposizione fra fluorescenza verede e   rossa appaiono gialle.

  http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26833/figure/A4663 / 47

09/05/2014 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK28296/figure/A4294/ 48

09/05/2014 Mouse   Macrophage   infected   with  

Listeria   monocytogenes

http://www.google.com/imgres?q=Listeria+mono&hl=en&biw=1366&bih=556&gbv=2&tbm=isch&tbnid=38p h=813&ei=zpqWT 05&ty=81 ‐ ‐ Y92PucHE5M:&imgrefurl=http://www.csbc.vcu.edu/Fawcett&docid=uE2331MeQbAcPM&imgurl=http://www.vcu.edu/csbc/Fawcett/images/Listeria.png&w=805& KcOozN4QTvrelG&zoom=1&iact=rc&dur=601&sig=110960502338450089650&page=4&tbnh=163&tbnw=160&start=47&ndsp=18&ved=1t:429,r:8,s:47,i:198&tx=1 Seminario

La   Listeria   monocytogenes

esprime proteine della superficie cellulare e   secrete   che permettono

l’adesione alla cellula ospite

,   la  

fuga dal   vacuole   fagocitico

e  

locomozione nel citosol   della cellula invasa.

Le   internaline A   (InlA)   e   InlB mediano il collagmento della L.

  monocytogenes alla superficie delle cellule   ospite,   e   la   listeriolysin O   (LLO)   lisa la   membrane   dei fagosomi.

La   proteina “actin ‐ assembly ‐ inducing”   (ActA)   è   espresso   in   modo polarizzato e   catalizza la   polimerizzazione dell’actina,   che propusiona i batteri attraverso la   cellula e   verso   le   cellule   vicine.

  Per   sfuggire al   vacuole   secondario nella cellula invasa,   la   L.

  monocytogenes esprime la   fosfolipasi specifica per   la   PlcB,   una zinco ‐ metalloproteinase   secreta e   la   LLO.

http://www.nature.com/nri/journal/v4/n10/fig_tab/nri1461_F1.html

49

Uni   Texas Seminario

Actina

Strisciamento

 

cellulare (“Cell

 

crawling”)

Seminario 09/05/2014 50

Filamenti

 

di

 

actina

 

e

 

movimento

 

cellulare

09/05/2014 Seminario

Strisciamento

 

cellulare

http://www.biophysik.uni

‐ bremen.de/radmacher/research/cellmigration.html

Il   movimento   di   striscimento   di   una   cellula   lungo   una   superficie   può   essere   visto   come   tre   stadi   di   movimenti   coordinati:   (1)   estensione   del   fronte   di   avanzamanto,   (2)   legame   del   fronte   di   avanzamento   al   substrato,   e   (3)   retrazione   dell’estremità   posteriore   verso   il   corpo   cellulare.

(Cooper) 51

http://www.nsf.gov/news/mmg/media/images/actin_macrophage_h.jpg

09/05/2014 52

Seminario 09/05/2014 53

09/05/2014 Actina

ATTIVAZIONE

 

PIASTRINICA

Seminario Seminario http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26809/figure/A3032/ 54

09/05/2014

Actina

Giunzioni

 

aderenti

Adherens   junctions   of   hepatocytes.

Hepatocyte   cells   plated   on   collagen   and   stained   the   next   day   to   image   newly   formed   cell ‐ cell   contacts.

  F ‐ actin   (green),  β‐ catenin   (red),   cadherin   (dark   blue),   nuclei   (cyan).

  The   overlap   of  β‐ catenin   and   cadherin   seen   as   magenta   represents   adherens   junctions   that   have   formed   between   apposing   cells.

  These   cells   were   imaged   using   a   Nikon   A1Rsi   confocal   microscope   at   100x   magnification.

  [Image   captured   by   Jeffrey   Robens,   Mechanobiology   Institute,   Singapore].

http://static.mechanobio.info/Home/list ‐ of ‐ figures/image ‐ cabinet/cell_junction_staining.jpg

55

09/05/2014

Adherens junctions   link   actin   filaments   between   cells.

This   diagram   specifically   depicts   adherens junctions   (red   rectangles)   connecting   actin   filaments   (red   lines)   across   polarized   epithelial   cells.

  In   these   cells,   this   results   in   the   formation   of   contractile   bundles   of   actin   and   myosin   filaments   near   the   apical   surface  ‐ this   forms   a   structure   called   the   adhesion   belt   (arrows).

  Other   junctions   termed   desmosomes   (large   blue   rectangles)   and   hemi ‐ desmosomes   (small   blue   rectangles)   link   intermediate   filaments   (blue   lines)   between   cells.

http://www.mechanobio.info/Home/glossary ‐ of ‐ terms/General/adherens ‐ junction

Formazione

 

strutture

 

tubulari durante

 

lo

 

sviluppo

 

embrionale

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26857/figure/A3487/?report=objectonly 56

Stereocilia,   cellule   capellute   dell’orecchio   interno 09/05/2014 Actina  ‐ veleno

FALLOIDINA

57

Falloidina

(alcaloide   estratto   dal   fungo   velenoso   Amanita   phalloides) Si   lega   nel   senso   della   lunghezza   dei   microfilamenti   ed  

inibisce   la   depolimerizzazione

.

I   filamenti   di   actina   si   stabilizzano   con   effetti   tossici   dramatici   per   le   cellule.

Legata   a   marcatori   fluorescenti   viene   usata   in   istochimica   per   mettere   in   evidenza   i   microfilamenti.

09/05/2014 http://www.cytoskeleton.com/actin ‐ staining ‐ techniques 58

Actina/Falloidina

Alexa 488

 

(ecc blu)

09/05/2014 Microfilamenti

TENSEGRITA’

http://jcs.biologists.org/content/116/7.cover

‐ expansion Seminario 59

TENSEGRITA’

Seminario Donald   E.

  Ingber.

  The   architecture   of   life.

  Sci Am.

  278:   48 ‐ 57,   1998.

• www.childrenshospital.org/research/ ingber/PDF/1998/SciAmer ‐ Ingber .pdf

A   universal   set   of   building   rules   seems   to   guide   the   design   of   organic   structures—from   simple   carbon   compounds   to   complex   cells   and   tissues

La  

TENSEGRITA’

‐ un   sistema   architteturale   nelle   strutture   che  

le   stabilizza   mediante   bilanciamento   fra   forze   di   compressione   e   di   tensione  

– fornisce   la   forma   e   irrobustice   sia   le   forme   naturali   che   artificiali.

  Il   citoscheletro   di   una   cellula   viva   é   un’impalcatura   composta   da   filamenti   e   microtubuli   intercollegati.

  La   relazione   dinamica   di   questi   elementi   strutturali   ricorda   una   scultura   di   Kenneth   Snelson,   in   cui   lunghe   barre   di   sostegno   sono   collegate   da   cavi.

  09/05/2014 Dr.

  Ingber's ideas   about   tensegrity were   first   inspired   by   a   sculpture   by   Kenneth   Snelson.

  Above   is   Snelson's work   "Easy   Landing." 60

Sculture

 

di

 

tensegrità

 

di

 

Kenneth

 

Snelson

 ‐

1

Needle   Tower   Kröller ‐ Müller   Museum   nel   Nationaal   Park   De   Hoge   Veluwe.

  90   x   18   x   18   feet,   30   x   6   x   6m.

  The   Netherlands.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5d/Kenneth_Snelson_Needle_Tower.JPG

http://kennethsnelson.net/category/sculptures/outdoor ‐ works/

Sculture

 

di

 

tensegrità

 

di

 

Kenneth

 

Snelson

 ‐

2

09/05/2014 http://kennethsnelson.net/sculpture/outdoor/images/dragon_new.jpg

61

Su   una superficie flessibile – aggrotata il nucleo è   tondo Su   una superficie rigida il nucleo è   appiattito http://www.scienceforums.net/topic/37584 ‐ art ‐ is ‐ life ‐ cell ‐ tensegrity ‐ artefact ‐ of ‐ fact/ 09/05/2014 http://web1.tch.harvard.edu/research/ingber/Tensegrity.html

62

09/05/2014 63