Mikrotubuli

Mikrotubuli er intracellulære strukturer som består av en klasse proteiner som kalles tubuliner . De er stive, labile og polare komplekser, dannet av heterodimerer på linje i hule rør med en tilsynelatende diameter på omtrent 25 nm . Mikrotubulene utgjør, sammen med mikrofilamentene og mellomfilamentene , cytoskjelettet . Som alle cytoskjelettkomponenter er mikrotubuli først og fremst involvert i å opprettholde celleform: dessuten spiller de en viktig rolle i intracellulær transport og celledeling. [1]

Historie

De første observasjonene av mikrotubuli dateres tilbake til det tidlige tjuende århundre , da filamentøse strukturer ble observert, kalt med den generiske termen fibrillae i flageller og mitotiske spindler ; Det var imidlertid nødvendig å vente til 1953 for to forskere, Eduardo De Robertis og C. Franchi, ved bruk av de første elektronmikroskopene , for å tydelig observere disse filamentene i aksonemet til myeliniserte fibre og, i 1963 , Myron C. Ledbetter og Keith R. Porter utdypet sine studier ved å bekrefte allestedsnærværet og gi en nøyaktig beskrivelse av mikrotubuli, så vel som det nåværende navnet.

Sted

Mikrotubuli er mer konsentrert i den sentrale delen av cellen; herfra går de til periferien i alle retninger, uten imidlertid å nå plasmalemmaet , hvorfra de forblir adskilt av den aktiniske cortex. [1]

Opprinnelse

Mikrotubuli oppstår først og fremst på nivået av en cellestruktur, som er sentriolen (organellen som finnes i midten av cellen), den viktigste MTOC.

Rundt sentriolen er det materiale av proteinnatur, definert som perisentriolært materiale. Viktig i dette materialet er tilstedeværelsen av ringer, som er dannet av en isoform av tubulin, eller γ-tubulin. Ringene er dannet av 13 molekyler av γ-tubulin: hvert γ-tubulin er stedet for initiering av polymeriseringen av α- og β-tubulin-dimerene til protofilamentet. [2]

Området av cellen som dannes av sentriolen og det perisentriolære materialet kalles sentrosomet: herfra starter alle mikrotubuli, som så strekker seg i alle retninger av cellen.

Siden de går fra sentriolen og deretter beveger seg bort og skiller seg fra hverandre, er de mer konsentrert i sentriolområdet: dette er grunnen til at immunfluorescens fremstår mer markert i denne sentrale delen av cellen.

Struktur

Mikrotubulene består av heterodimerer av to globulære polypeptider med dimensjoner på 4 nm x 5 nm x 8 nm og 55 000 Da molekylvekt; de to underenhetene er begge en del av tubulinfamilien og er α-tubulin og β-tubulin.

Dimerene polymeriserer i 13 side-ved-side, spiral-forskjøvede protofilamenter, og danner en hul sylinder med en ytre diameter på 25 nm og en indre diameter på omtrent 15 nm. Polymerisasjonen følger et mønster i henhold til polaritet, og orienterer hode-mot-hale med α-underenheten mot den ene enden, den terminale -, β-underenheten mot den motsatte terminalen +, og bestemmer et strukturelt og kjemisk mangfold mellom de to endene.

Dette arrangementet skyldes et tredje protein, γ-tubulin: interaksjonen mellom γ- og α-underenhetene, kalt kjernedannelse, produserer en polymerisasjonsreaksjon. Kjernedannelse skjer i "MicroTubules Organization Centers" (MTOC), hovedsakelig sentriolene og kinetokorene til sentromeren til de mitotiske kromosomene, der γ-tubulin er tilstede i sirkulære strukturer kalt "γ-tubulin ringkompleks" (γTyRC). [1]

Identifikasjon av mikrotubuli ved immunfluorescens

Denne typen reaksjon kan være nyttig for å observere fordelingen av det mikrotubulære apparatet inne i cellen ved å spesifikt merke tubulinene, dvs. de proteinene som utgjør mikrotubuli. For å gjøre dette kan du bruke et spesifikt primært anti-tubulin-antistoff og deretter et annet antistoff, kalt sekundært antistoff, knyttet til et fluorescerende molekyl, ofte fluoresceinet som avgir i det synlige spekteret av grønt. Sistnevnte vil gjenkjenne antistoffet. primær og følgelig er tubulinene tilstede. [1]

Funksjoner

Mikrotubuli har en rekke trofiske og mekaniske funksjoner: de utgjør det indre stillaset til sentrioler, flageller og flimmerhår og er ansvarlige for transitt av organeller og vesikler inne i cellen. Under celledeling danner mikrotubuli den mitotiske spindelen som er avgjørende for å utføre nedbrytningen av kromosomsettene mellom dattercellene.

Mikrotubuli brukes til å bestemme den intracellulære bevegelsen, samt å bygge et slags stillas for cellen. Mikrotubuli i seg selv har ikke en motorisk aktivitet, men for å sikre bevegelse må de assosieres med motoriske proteiner med funksjonen til ATPase. Disse er i stand til å dele ATP som produserer energien som er nødvendig for å samhandle med tubulinene og bevege seg langs mikrotubulene, og drar med seg makromolekyler, partikler eller vesikler knyttet til dem. Mikrotubulene utgjør derfor en slags spor rettet fra midten av cellen mot alle retningene disse forskyvningene skjer.

Det er flere familier av motorproteiner som kan ha en preferansetrend. Noen av disse beveger seg fra den positive enden til den negative enden av mikrotubuli og kalles dyneiner . Andre beveger seg på den annen side fra den negative enden til den positive enden og kalles kinesins .

Aktive bevegelser av vesikler langs sporene representert av mikrotubuli spiller en viktig rolle, for eksempel i kjertelsekresjon. [1]

Forlengelse

Mikrotubuli, nær dens to ender, kan bli utsatt for forlengelse og forkortning. Mellom de to endene er det imidlertid en der forlengelse råder og en annen der forkorting råder: den ene enden vil være mer sannsynlig enn den andre for å forlenge eller forkorte.

Forlengelsen av mikrotubuli skjer ved tilsetning av α- og β-tubulin-dimerer, mens forkortningen skjer ved å fjerne disse dimerene.

Dimerer av α og β tubulin polymeriserer i en av de to endene. Derfor sies mikrotubuli å ha en polaritet; ekstremiteten der dimerer for det meste tilsettes (som fører til forlengelse av mikrotubuli), kalles den positive polen eller den positive enden. Fenomener med depolymerisering, eller fjerning av dimerer, forekommer i stedet på den motsatte enden, vanligvis vendt mot opprinnelses-MTOC. Denne siste enden kalles den negative polen eller den negative enden av mikrotubuli.

Skillet mellom en positiv og en negativ ende skyldes en presis grunn: polymeriseringen av α- og β-tubulin-dimerene skjer i nærvær av magnesiumion (Mg2+) og GTP.

Det hender at α-β-dimerer binder GTP, og danner α-β-tubulin-GTP-dimeren.

Når α-β dimeren binder GTP, er den relatert til andre tubulin dimerer, så polymerisering skjer. Etter en viss tid hydrolyseres imidlertid GTP til BNP, slik at det dannes en α-β-tubulin-GDP dimer. I dette tilfellet, det vil si at når dimeren binder BNP, er den mindre lik de andre tubulin-dimerene og vil derfor ha en tendens til å løsne seg fra dem. Siden det tar litt tid å konvertere GTP til GDP, er det klart at de første dimerene som har dannet seg vil ha dannet BNP først sammenlignet med de nye, mens de siste dimerene som har dannet seg fortsatt vil ha GTP bundet til seg selv. De gamle dimerene vil da ha bundet BNP, de nye vil fortsatt binde GTP. Det kan derfor utledes at den gamle delen vil være mer utsatt for depolymerisering, da dimerene har mindre affinitet til å binde seg til hverandre. Så det vil være regionen der det er sannsynlig at forkortning vil forekomme, ettersom det er dimerer som mister sin affinitet for de andre dimerene. Den motsatte regionen, den nylig syntetiserte, har i stedet fortsatt bundet GTP, så den er fortsatt i stand til å binde andre dimerer. [1]

Dynamisk likevekt

På grunnlag av ovenstående er mikrotubuli i cytoskjelettet preget av en iboende dynamisk ustabilitet, da de kontinuerlig er utsatt for å bli forlenget (polymerisasjon) eller forkortet (depolymerisering), avhengig av cellens behov.

Dynamisk ustabilitet avhenger av konsentrasjonen av GTP og (Mg2+):

En ytterligere modulator av den dynamiske likevekten er den lokale konsentrasjonen av (Mg2+), som cellen raskt kan endre når den trenger å omforme sitt mikrotubulære cytoskjelett.

Et ekstremt tilfelle oppstår når GTP-konsentrasjonen er lav i lang tid: i dette tilfellet har alle tubulin-dimerene bundet BNP. Av denne grunn vil det være fullstendig demontering av mikrotubuli, som deretter forsvinner (faktisk snakker vi om en katastrofe for mikrotubuli).

Mikrotubuli når vanligvis den såkalte dynamiske likevekten, der lengden på mikrotubuli forblir konstant (antall dimerer som polymeriserer ved +-enden er lik antall dimerer som depolymeriserer på --enden; begrepet "dynamisk" betyr indikerer nøyaktig at selv om mikrotubuli ikke varierer i lengde, forblir ikke dimerene som utgjør den de samme. [2]

Klassifisering

Det finnes flere isotyper av tubulin med ulike funksjoner; de humane isoformene av tubulin er 6 for α-tubulin og 7 for β-tubulin, uttrykt av like mange gener på forskjellige nivåer i forskjellige vev og celler. Basert på deres rolle kan fire typer mikrotubuli identifiseres:

Gruppe Rolle
Stabil MT-bestanddelen flimmerhår, flageller og sentromerer.
Stabilisert MT som er enige om, i de differensierte cellene, å opprettholde et arrangement av de gjenværende cellulære organene tilpasset cellulære behov og aktiviteter.
Ustabil MT som finnes i cellene som nettopp er frigjort fra M-fasen av cellesyklusen og som på grunn av prosessen med dynamisk ustabilitet, som armer som strekker seg og trekker seg raskt tilbake, reorganiserer den cellulære morfologien.
Labili MT som organiserer den mitotiske spindelen og blir en del av cellens reproduksjonssystem; har to hagler.

Mikrotubulusassosierte proteiner (MAPs)

Det samme emnet i detalj: Proteiner assosiert med mikrotubuli .

De funksjonelle forskjellene til mikrotubuli skyldes flere egenskaper, inkludert tilstedeværelsen av proteiner assosiert med mikrotubuli (MAP), som konverterer det ustabile nettverket av mikrotubuli til en relativt permanent ryggrad med proteiner som kapsler inn endene av mikrotubuli, og forhindrer dens depolymerisering.

MAP-er har affinitet for tubulin: derfor assosieres de med mikrotubuli og stabiliserer den, og forhindrer tubulin i å løsne.

Når deres stabiliseringsoppgave for mikrotubuli er fullført, må MAP-ene kunne løsne seg fra selve mikrotubuli: For å gjøre dette griper MAP-kinasene inn, som legger fosfatgrupper til MAP-ene. De fosforylerte MAP-ene mister affinitet for mikrotubuli, så de løsner fra dem: på denne måten kan mikrotubuli igjen forlenges eller forkortes, avhengig av cellulære behov.

Blant de viktigste MAP-ene finner vi: MAP-1, MAP-2, TAU og MAP-4.

Virkning av narkotika

Noen medikamenter virker ved å endre dynamikken til mikrotubuli; de inkluderer legemidler av taxolklassen som brukes i kampen mot kreft, som paklitaksel .

Mebendazol skader og forhindrer utviklingen av mikrotubiler i noen familier av ormer ; for dette tilhører den anthelmintiske medisiner . Mebendazol har også blitt testet i kampen mot lungekreft og binyrebarkkreft (kreft i binyrene ).

Beslektede sykdommer

Patologier som påvirker mikrotubuli er taupatier : dette er sykdommer som stammer fra en feil interaksjon mellom TAU-protein og mikrotubuli. [3]

Spesielt gjennomgår TAU-proteinet post-translasjonelle modifikasjoner (som hyperfosforylering eller acetylering ), som fører til at det folder seg feil og aggregerer, og danner nevrofibrillære floker.

Spesielt involverer hyperfosforyleringen av TAU-proteinet, som er tilstede i aksonene til nevroner, permanent løsgjøring av mikrotubuli fra selve proteinet, som er mindre lik dem: når de finner seg fratatt deres støttende "hette", er mikrotubuli ikke motstandsdyktig og deretter demonteres de. Dette er hva som skjer ved Alzheimers sykdom : i denne patologien, siden det ikke er flere mikrotubuli, er transporten av nevrotransmittere (som normalt ble transportert gjennom vesikler, takket være mikrotubuli) ikke lenger til stede. På denne måten er det ikke lenger en kommunikasjon mellom en nevron og en annen. Sammen med avsetning av ekstracellulære amyloidfibriller bidrar dette fenomenet til skade på nervevevet som er grunnlaget for de forverrede symptomene som er typiske for disse pasientene. [1]

Merknader

  1. ^ a b c d e f g Sergio Adamo, Histology , 7. ed, Piccin, 2018, ISBN  978-88-299-2813-2 , OCLC  1045938698 . Hentet 22. juni 2022 .
  2. ^ a b Monica Mattioli Belmonte, Menneskelig histologi: med 840 figurer og tabeller , Idelson-Gnocchi, 2020, ISBN  978-88-7947-725-3 , OCLC  1277488963 . Hentet 22. juni 2022 .
  3. ^ Ishani Pidara og Koyuki Yamada, The Structure of Tau Proteins and Its Rolle in Neurodegenerative Disease , i The FASEB Journal , vol. 36, S1, 2022-05, DOI : 10.1096 / fasebj.2022.36.s1.r4663 . Hentet 22. juni 2022 .

Eksterne lenker