I filamenti intermedi sono componenti importanti del sistema citoscheletrico della cellula. Possono stabilizzare organelli, come il nucleo, o possono essere coinvolti in giunzioni specializzate. Si distinguono dai “filamenti sottili” per le loro dimensioni (8-10 nm) e per il fatto che i filamenti sottili sono ovviamente mobili. Tuttavia, prove recenti indicano che i filamenti intermedi possono anche avere proprietà dinamiche. Vedere la barra laterale per alcune fotografie.
I filamenti intermedi sono uno dei tre tipi di elementi citoscheletrici. Gli altri due sono i filamenti sottili (actina) e i microtubuli. Spesso i tre componenti lavorano insieme per migliorare l’integrità strutturale, la forma della cellula e la motilità delle cellule e degli organelli. I filamenti intermedi sono stabili e durevoli. Hanno un diametro di 8-10 nm (di dimensioni intermedie rispetto ai filamenti sottili e ai microtubuli). Sono prominenti nelle cellule che resistono alle sollecitazioni meccaniche e sono la parte più insolubile della cellula. I filamenti intermedi possono essere dissociati dall’urea.
Ci sono cinque diversi tipi di filamenti intermedi:
- Tipo I e II: cheratina acida e cheratina basica, rispettivamente. Prodotti da diversi tipi di cellule epiteliali (vescica, pelle, ecc.).
- Tipo III. I filamenti intermedi sono distribuiti in diversi tipi di cellule, tra cui: Vimentina nei fibroblasti, nelle cellule endoteliali e nei leucociti; desmina nei muscoli; fattore acido fibrillare gliale negli astrociti e in altri tipi di glia, e peripherin nelle fibre nervose periferiche.
- Tipo IV Neurofilamento H (pesante), M (medio) e L (basso). I modificatori si riferiscono al peso molecolare delle proteine NF. Un altro tipo IV è “internexin” e alcuni IV non standard si trovano nelle fibre del cristallino dell’occhio (filensina e fachinina).
- Il tipo V sono le lamine che hanno una sequenza di segnale nucleare in modo da poter formare un supporto filamentoso all’interno della membrana nucleare interna. Le lamine sono vitali per la riformazione dell’involucro nucleare dopo la divisione cellulare.
Polimerizzazione del filamento intermedio.
Il monomero:
Ogni monomero del filamento intermedio consiste in un dominio alfa-elicoidale ad asta, che collega i terminali amminico (testa) e carbossilico (coda). La figura qui sotto (16-12 da Alberts et al Biology of the cell, Garland Publishing, N.Y. 1996) mostra alcuni esempi di monomeri.
Formazione del protofilamento
Le aste si avvolgono intorno a un altro filamento come una corda per formare un dimero. I terminali N e C di ogni filamento sono allineati. Alcuni filamenti intermedi formano omodimeri; altri formano eterodimeri.
Questi dimeri formano poi tetrameri sfalsati che si allineano testa-coda. Si noti che i terminali carbossilico e amminico si proiettano da questo protofilamento. Questo tetramero è considerato la subunità di base del filamento intermedio.
Il filamento finale di 10 nm è una serie elicoidale di questi tetrameri.
Regolazione dell’assemblaggio o disassemblaggio dei filamenti intermedi.
La maggior parte dei filamenti intermedi sono completamente polimerizzati. Tuttavia, ci sono prove che anche queste strutture stabili hanno proprietà dinamiche. C’è qualche tetramero libero nel citoplasma, come se questa fosse la subunità di base per l’assemblaggio di nuovi filamenti. Inoltre, se si fosforilano i residui di serina nei terminali amminici si può causare il disassemblaggio.
Aggiungi tetramero etichettato a una cellula che produce quel tipo di filamento intermedio. Si può osservare il tetramero incorporarsi nel sistema citoscheletrico e l’etichetta si vede in una matrice lineare o a ghirigori. Se lo si aggiunge a una cellula che non produce normalmente il tetramero, allora non si aggiungerà e il sistema citoscheletrico non si “accenderà”.
Questo può essere testato con il recupero della fluorescenza dopo il photobleaching (FRAP)
Questa tecnica usa la luce laser UV per sbiancare un’area di etichetta in una cellula. Poi, si può cronometrare il recupero dell’etichetta sia in seguito all’introduzione di nuovo materiale etichettato, sia attraverso il semplice movimento dell’etichetta nella struttura. Nel caso dei filamenti intermedi, la FRAP permette di rilevare l’incorporazione di tetrameri marcati in un punto sbiancato del citoscheletro. Si possono confrontare i tempi di incorporazione di diversi tipi di tetrameri in diversi tipi di filamenti intermedi. Si può anche osservare la motilità di queste strutture. Il documento che sarà letto per questa lezione mostra esempi di entrambi questi tipi di test. Nella cellula qui sotto, una macchia scura si forma dopo il photobleaching del laser. La macchia è più piccola dopo 30 minuti e quasi sparita dopo 2 ore.
Proteine associate al filamento intermedio
Le proteine associate al filamento intermedio possono legare i filamenti in modo incrociato (per migliorare la stabilità), o possono legare i filamenti ad altre strutture. Alcuni esempi sono visti qui sotto.
- Plectin: Collegamenti incrociati con i microtubuli
- Ricettore B della vitamina: si lega alla membrana nucleare interna
- Ankyryn: lega l’actina ai filamenti intermedi alla base della cellula
- Desmoplakin: lega i filamenti intermedi al sito del desmosoma
Tipi di filamenti intermedi
Lamine
Nell’evoluzione, le Lamine furono probabilmente i primi filamenti intermedi realizzati.Hanno un dominio dell’asta molto lungo e portano un segnale di trasporto nucleare perché risiedono nel nucleo appena sotto l’involucro nucleare. Sono continui, tranne che per una rottura nei siti del complesso del poro nucleare.
Sopra si vede che formano una matrice reticolare (da Albertset al, Garland Press, NY). La figura a sinistra è una micrografia elettronica dell’area contenente le lamine, appena dentro l’involucro nucleare. Sono difficili da distinguere dalla vicina eterocromatina densa.
Le lamine sono fosforilate alla fine della profase e questo le fa smontare quando anche l’involucro nucleare si rompe. Poi, il fosfato viene rimosso appena prima che il nucleo della cellula figlia si formi e i filamenti di lamina si riassemblano intorno ad ogni serie di cromosomi, sotto la membrana nucleare interna di ogni cellula figlia. Si può bloccare questo processo aggiungendo anticorpi alle lamine prima che si formino le membrane nucleari.
Giunzioni specializzate
I filamenti intermedi di tipo I e II sono cheratine acide e basiche, rispettivamente. I loro monomeri si trovano nelle stesse cellule e i dimeri devono contenere uno di ogni tipo (un eterodimero). Se si danno monomeri etichettati di un solo tipo, poche cellule aggiungeranno l’etichetta al sistema citoscheletrico. Tuttavia, se si danno monomeri di entrambi i tipi, i sistemi citoscheletrici della cheratina saranno pesantemente etichettati.
Le cheratine hanno anche sottotipi che sono unici per diverse cellule epiteliali (vescica, pelle, ecc.) o anche diversi sottoinsiemi di un tipo di cellule (come le cellule epidermiche basali). Questo è utile per individuare l’origine delle cellule in un tumore, specialmente le cellule che hanno metastatizzato.
Negli epiteli, i filamenti intermedi delle cheratine formano giunzioni che tengono insieme le cellule (desmosomi), o attaccano le cellule alla matrice (emidesmosomi). Nelle cellule muscolari, i filamenti intermedi che formano il desmosoma sono le “desmine”.
Desmosomi: Due placche su cellule adiacenti (contenenti desmoplakin e altre proteine) sono collegate da molecole di cadherina. Queste molecole sono collegate dal calcio. I filamenti intermedi si avvolgono nelle placche diffondendosi nel citoplasma. Questo collega strutturalmente due cellule. Cheratine
Le cellule qui sopra sono della pelle e le cellule sembrano avere spine proiettate che toccano le spine delle cellule adiacenti. In realtà questi sono siti di connessione del desmosoma che è una giunzione vitale nella pelle. La tecnica di fissazione ha causato il restringimento delle cellule, lasciando visibili i siti di connessione. Una micrografia elettronica che mostra un desmosoma è vista a sinistra. I filamenti intermedi si avvolgono in modo quasi parallelo.
I pazienti che producono anticorpi contro le molecole di cadherina avranno desmosomi deboli o assenti e la pelle formerà vesciche. Queste aree piene di fluido si troveranno nelle regioni in cui si trovano le cellule con le spine.
Hemidesmosomi: Sono siti di connessione alla base di una cellula epiteliale con la matrice. La vignetta qui sotto mostra i componenti. I filamenti intermedi sono bloccati in una placca (come la placca del desmosoma) e le molecole di Integrina (recettori per le proteine della matrice) aiutano a collegare il sito con la matrice.
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Filamenti intermedi di tipo III
Tipo trovato in una varietà di tipi cellulari. Ognuno di essi è unico per quel tipo di cellula ed è usato per identificare il tessuto che contiene quel tipo di cellula. La vimentina si trova nelle cellule derivate dal mesoderma: fibroblasti, cellule endoteliali, globuli bianchi;
Desmina si trova nelle cellule muscolari, collega i dischi Z e può collegare il centro delle unità contrattili. Si trova anche in connessione con i desmosomi in giunzioni specializzate (muscolo cardiaco).
La proteina acida fibrillare gliale si trova nelle cellule gliali del sistema nervoso centrale.
Filamenti intermedi di tipo IV
Includono i neurofilamenti L, M, o H (chiamati così per il basso, medio o alto peso molecolare. Questi neurofilamenti sono collegati da ponti trasversali di plectina tra loro e ai microtubuli. Questo aumenta la forza e la distanza.
Le proteine dei neurofilamenti aumentano il diametro dell’assone e quindi influenzano la sua funzione (gli assoni più grandi conducono più velocemente).
Per ulteriori informazioni, contattare:
Gwen Childs, Ph.D,FAAA
Professore e Presidente
Dipartimento di Neurobiologia e Scienze dello Sviluppo
Università dell’Arkansas per le Scienze Mediche
Little Rock, AR 72205
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