Matricea citoplasmatica

CURS

Matricea citoplasmatica

Citoplasma = mediul celular cuprins intre membrana nucleara si membrana celulara. Are 2 componente: matricea citoplasmatica si citoplasma structurala.

1972: Porter et al. descriu in structura matricei citoplasmatice:

citosolul = componenta lichida a matricei citoplasmatice, avand 55-75% apa si 45-25% reziduu uscat care contine:

o       toti monomerii proteici care polimerizati realizeaza citoscheletul

o       aminoacizi, monozaharide, lipide, ATP

o       enzime ale unor reactii metabolice importante

o       ribozomi liberi (cu ARN r, m si t) - contine 15% din totalul ARN celular

citoscheletul

reteaua microtrabeculara = ansamblu de structuri filamentoase (Φ = 4-6 nm) cu lungimi variabile in functie de starea celulei

o       Roluri:

mecanic: aceste filamente formeaza o retea cu ochiuri neregulate care sustine toate elementele citoscheletului si organitele celulare; tot ea mentine si adapteaza forma celulara la momentul functional

metabolic: pe retea se prind protein-enzimele de la nivelul citosolului cu un capat, realizandu-se astfel o trecere coordonata a substratului prin dreptul enzimei

regleaza starea de hidratare a celulei: daca aceasta se hiperhidrateaza ochiurile se maresc si apa nu patrunde prin endomembrane, invers, ochiurile se strang si tot nu sunt afectate organitele.

Citoscheletul

Format din:

microfilamente de actina si miozina

filamente intermediare

microtubuli

Actina = proteina structurala care reprezinta 25% din totalul proteinelor structurale in fibra musculara si 12% in celulele nemusculare.

6 tipuri in celulele eucariote: α₁, α₂, α₃, α₄, β, γ care difera prin 25 de reziduri aminoacidice

structura actinei este inalt conservata de-a lungul evolutiei

α₁, α₂, α₃, α₄ se gaseste in celulele musculare

β, γ se gaseste in celulele nemusculare

in matricea citoplasmatica se gasesc 2 forme:

o       monomer globular - actina G in citosol; are un capat N-terminal pozitiv si unul CO-terminal negatic; fiecare monomer leaga cap-coada un al monomer si astfel rezulta un trimer

o       polimer filamentos - actina F

Polimerizarea actinei la nivel celular

1. Nucleatie = formarea trimerilor
2. Asamblarea trimerilor in actina F care ia forma de dublu helix datorita faptului ca fiecare monomer se roteste in jurul axului propriu cu 160°. Actina F are polaritate pozitiva, respectiv negativa la capete ceea ce foloseste la: asamblarea in citoschelet, cresterea si descresterea microfilamentului care are lungime variabila si stabilirea unei miscari relative a miozinei fata de actina (se deplaseaza de la "-" la "+").

Pe un filament, la capatul "+" sunt adaugati monomeri care leaga ATP, iar la capatul "-" monomeri care leaga ADP. Astfel, din punct de vedere teoretic, la capatul "+" polimerizarea este superioara depolimerizarii, in vreme ce la capatul "-" situatia este inversa. Practic, in celula polimerizeaza doar capatul "+" si depolimerizeaza doar capatul "-" pentru ca e nevoie de o anumita concetratie ionica pentru fiecare capat, insa in celula nu exista decat una medie.

Proteinele asociate actinei in polimerizare si depolimerizare

1. Timozina - se leaga la monomerii cu ADP, blocandu-le atasarea la capatul "+"
2. Profilina - poate bloca monomerii cu ADP sa se ataseze la capatul "+", poate facilita transformarea ADP in ATP stimuland atasarea la capatul "+", poate lega IP3 din membrana celulara, asadar profilina reprezinta un reglator molecular al starii de polimerizare in functie de factori extracelulari cum ar fi, spre exemplu, concentratia de calciu.
3. Gelsolina - apartine proteinelor capetelor; fragmenteaza filamentul in doua sau mai multe portiuni si se leaga la capatul "+" avand astfel rol in depolimerizare

Proteinele asociate actinei in asamblarea microfilamentelor la nivelul citoscheletului

Asamblarea este coordonata de proteinele asociate prin marimea si flexibilitatea lor si se poate realiza:

in retea tridimensionala, cu ajutorul moleculelor mari si flexibile

in bandelete vilare si contractile prin proteinele cu molecula mica, rigida

Bandeleta vilara - descoperita in structura microvilului; este formata dintr-un fascicul de 20 microfilamente de actina dispuse paralel la o distanta mica mentinuta de o proteina denumita fimbrina = dimer globular cu locus de atasare pentru filament si ionul de calciu; se gaseste in structura filopodiilor

Bandeleta contractila - formata din microfilamente dispuse la o distanta de doua ori mai mare decat cele din bandeleta vilara; proteina asociata este α-actina = dimer in care fiecare subunitate are o componenta filamentoasa care leaga calciul si una globulara; in cadrul ei are loc interactiunea actina-miozina. Se gaseste in zonula adherens (desmozomi), in inelul de contractie din telofaza care separa cele 2 celule fiice si in jonctiuni focale

Reteaua tridimensionala - organizata de filamina, proteina care este inlocuita de spectrina in hematie si de fodrina si disfodrina in muschi [Defect genetic la nivelul disforinei provoaca maladia Aran-Duchenne; se manifesta doar la baieti, incepand cu varsta de 5 ani; mor la 20 de ani prin insuficienta respiratorie]

Aceste asamblari formeaza diferentierile celulare:

permanente: microvili, stereocili

temporare - pseudopode, filopodii (microspini), lamelipodii

Microvili - se gasesc la polul apical al enterocitelor si la nivelul nefrociteor; masoara 0,1-1 μm; sunt prelungiri in deget de manusa ale membranei celulare cu un ax citoplasmatic. Pot fi egali ca dimensiuni => platou striat sau inegali (cum sunt in nefrocite) => margine in perie; cresc suprafata de absorbtie.

Structura: membrana + ax citoplasmatic cu o bandeleta vilara unde microfilamentele de actina se prind cu capatul "-" la membrana din varful microvilului. Capatul "+" se prinde de reteaua terminala de la baza microvilului formata din spectrina. Fimbrina care solidarizeaza filamentele s.n. vilinfimbrina. Intre membrana laterala si bandeleta s.g. molecule sub forma de virgula, miozina I care cheleaza Ca. Ele interactioneaza cu actina, determinand miscare de la - la +.

Stereocili - microvili mai lungi (10x) localizati la polul apical al celulelor din caile genitale masculine si feminine si la polul apical al celulelor senzoriale; au rol senzorial si in miscare iar din punct de vedere structural se aseamana unui microvil

Pseudopode - emise de celulele sistemului imun; realizeaza diapedeza, fagocitoza si pinocitoza; in axul lor citoplasmatic se gaseste o retea tridimensionala de microfilamente de actina

Filopodii - prelungiri cu aspect de spin emise de celulele sistemului imun care au in ax bandeleta vilara

Lamelipodii - prelungiri cu aspect de foi la nivelul fibroblastelor care au in ax o retea tridimensionala.

2. Miozina - reprezinta 12% din totalul proteinelor structurale in celulele musculare si 5% in celulele nemusculare; este de 10 tipuri dintre care cele mai importante sunt: mizona 2 din muschi, miozina 1 din celulele nemusculare si miozina 10 din tesutul nervos.

Organizarea miozinei 2

hexamer cu greutate moleculara foarte mare fata de actina (900 kDa vs 40 kDa) format din 2 lanturi grele de 40 kDa dispuse helicoidal si 4 lanturi usoare de 16-20 kDa

jumatate din cele doua lanturi grele formeaza bastonasul moleculei de miozina

la capatul N-terminal al bastonasului apar 2 capete globulare, fiecare formate din jumatate de lant greu si doua lanturi usoare care pot fi:

o       reglatoare (regleaza interactiunea cu actina)

o       esentiale (leaga ATP cu actiune ATP-azica)

scindarea enzimatica cu tripsina duce la 2 fragmente:

o       meromiozina usoara (LMM) = ¾ din bastonas

o       meromiozina grea (HMM) = ¼ din bastonas + cele 2 capete globulare

la continuarea scindarii HMM se obtin:

o       subfragmentul S1 cu 2 capete globulare ce interactioneaza cu fiecare monomer din actina F1

o       subfragmentul S2 = ¼ din bastonas la care se leaga alte molecule de miozina usoare => microfilamentul format din sute de molecule de miozina; microfilamentele se unesc pe linia M (situata la jumatatea benzii H) prin capetele C-terminale

Organizarea in sarcomere

1. central: disc intunecat (anizotrop) format din actina si miozina care are pe mijloc zona H luminoasa, pe mijlocul careia se gaseste banda M
2. de o parte si de alta: cate un disc clar format din actina care are pe mijloc membrana Z intunecata; actina are capatul "-" pe membrana Z, in vreme ce capatul "+" ramane liber printre filamentele de miozina; filamentele de actina sunt paralele si echidistante.

In sarcomer, fibrilele sunt mentinute la lungime constanta

Proteine asociate actinei si miozinei in structura sarcomerului

1. Pentru actina: nebulina se dispune helicoidal in jurul filamentului si se fixeaza pe membrana Z
2. Pentru miozina: titina care reprezinta axul central care se prinde cu un capat pe membrana Z si cu unul pe M; pe el se polimerizeaza miozina

Proteine reglatoare

1. Tropomiozina - are aspect de bastonas si l=40 nm; se ataseaza in santul dublului helix al actinei F
2. Troponina - 3 subunitati: T care interactioneaza cu tropomiozina, C care cheleaza calciul si I care inhiba interactiunea actina-miozina acoperind locusul de legare cu miozina. La legarea calciului, complexul de 3 subunitati gliseaza si se descopera locul de legare.

In celula nemusculara

Miozina 1 este un tetramer care nu polimerizeaza; moleculele sunt individuale si au aspect de virgula. Prin bastonas se ataseaza la organite sau vezicule, iar prin portiunea globulara interactioneaza cu actina deplasandu-se de la - la +, ceea ce produce miscarea organitelor. In aceste interactiuni sunt implicate: calmodulina, care inlocuieste troponina si cheleaza Ca si tropomiozina.