Atlante di istologia vegetale e animale

I microtubuli sono componenti del citoscheletro con importanti funzioni nella fisiologia cellulare. L’impalcatura di microtubuli del citoplasma è altamente plastica grazie alla capacità di polimerizzazione e depolimerizzazione dei microtubuli. Tuttavia, non tutti i microtubuli cellulari si trovano in questa fase di contrazione o di crescita. Cilia, flagelli e centrioli/corpi basali sono strutture cellulari contenenti microtubuli molto stabili (numero e lunghezza) e altamente organizzati. In questa pagina ci occupiamo di ciglia e flagelli.

1. Cilium

Le ciglia sono sottili e lunghe sporgenze cellulari di circa 0,25 µm di diametro e circa 10-15 µm di lunghezza, che si possono trovare nelle cellule animali e in alcune specie eucariotiche unicellulari. Di solito sono strettamente impacchettate sulla superficie libera delle cellule epiteliali (Figure 1 e 2), come l’epitelio delle vie respiratorie, l’epitelio dei dotti riproduttivi, le branchie di pesci e bivalvi, eccetera. Le ciglia sono strutture mobili e la loro funzione principale è quella di muovere il liquido circostante, come il muco della superficie delle vie respiratorie, l’acqua intorno all’epitelio delle branchie, ma anche l’ovocita nel dotto di Falloppio femminile. Molti organismi unicellulari possono muoversi spinti dalle ciglia, e altri possono usarle per generare vortici d’acqua per catturare il cibo. Le cilia nodali dell’embrione sono state implicate nell’avvio dell’asse sinistra-destra durante lo sviluppo embrionale dei vertebrati. Il movimento delle ciglia è come un battito, che imprime il liquido parallelamente alla superficie cellulare.

Figura 1. Immagini al microscopio elettronico a scansione che mostrano il canale centrale del midollo spinale di una lampreda. Si possono osservare molte ciglia (a maggiore ingrandimento in B) e piccoli microvilli nel dominio apicale delle cellule ependimali.

Figura 2. Immagini al microscopio elettronico a trasmissione dell’epitelio respiratorio. Le cellule con citoplasma chiaro mostrano molte cilia nella loro superficie apicale.

Ci sono cilia che non possono muoversi, e quindi non sono destinate al movimento dei liquidi. Queste ciglia sono conosciute come ciglia primarie. La maggior parte delle cellule studiate finora (tranne i globuli rossi) portano ciglia primarie: cellule dell’ovidotto, neuroni, condrociti, cellule dell’ectoderma, cellule mesenchimali, cellule epiteliali urinarie, epatociti e anche cellule in coltura. Inizialmente, le ciglia primarie erano considerate ciglia non funzionali. Tuttavia, molti tipi di recettori e canali ionici sono stati trovati nella membrana ciliare, quindi sono stati considerati come strutture sensoriali delle cellule. Per esempio, i recettori olfattivi si trovano nelle cilia dei loro dendriti, e i segmenti esterni dei bastoncelli e dei coni della retina sono in realtà cilia modificate. Alcuni recettori sono più altamente imballati nella membrana ciliare che in altri domini della membrana plasmatica. Inoltre, all’interno delle ciglia c’è una grande varietà di molecole coinvolte in ruoli di trasduzione del segnale. Il più alto rapporto superficie/volume di un cilium rende le risposte molecolari intraciliari più intense ed efficienti che se fossero all’esterno del cilium. Oltre al segnale chimico, le ciglia primarie possono rilevare il movimento dei fluidi all’esterno della cellula e lavorare come meccanorecettori.

2. Flagello Flagello

Le flagelle sono simili alle ciglia, ma sono molto più lunghe, circa 150 µm, e leggermente più spesse. Sono molto meno numerosi delle ciglia nelle cellule. La funzione principale dei flagelli è quella di muovere la cellula. Il movimento del flagello è diverso da quello del cilio perché la direzione del movimento è perpendicolare alla superficie cellulare (non parallela), cioè la direzione dell’asse longitudinale del flagello. I flagelli possono essere frequentemente osservati in cellule mobili come organismi unicellulari e spermatozoi.

Struttura

Cilia e flagelli sono strutture complesse che contengono più di 250 proteine diverse. Entrambi condividono la stessa organizzazione centrale dei microtubuli e altre proteine associate, complessivamente note come assoneme, e limitate dalla membrana plasmatica (Figura 3). Oltre all’assonema, ci sono molte molecole solubili all’interno delle ciglia/flagelle che costituiscono la matrice. L’assonema è composto da 9 coppie di microtubuli intorno ad un’altra coppia centrale di microtubuli. Questa organizzazione può essere scritta come (9 x 2) + 2. Le ciglia primarie mancano di una coppia centrale di microtubuli. Ogni microtubulo della coppia centrale è composto da 13 protofilamenti, ma i microtubuli delle coppie periferiche condividono alcuni protofilamenti tra loro. Così, una coppia periferica è formata da microtubuli A e B. Il microtubulo A contiene 13 protofilamenti e il microtubulo B contiene 10 o 11 protofilamenti, condividendone 2 o 3 con il microtubulo A.

Figura 3. Principali componenti molecolari delle ciglia e dei flagelli. Nelle ciglia primarie, la coppia centrale è assente.

L’organizzazione dei microtubuli dell’assonema è il risultato di un’impalcatura di proteine. Dodici proteine sono già state trovate come costituenti dell’assonema coinvolte nel mantenimento dell’organizzazione dei microtubuli. Le coppie di microtubuli periferici vicini sono collegati tra loro da nexina. In ogni coppia, il microtubulo A è collegato da raggi proteici a un anello centrale che contiene la coppia o i microtubuli centrali. La dineina è una proteina motrice associata ai microtubuli periferici coinvolti nel movimento delle ciglia e dei flagelli.

Figura 4. Ultrastruttura di un cilium di una cellula ependimale del midollo spinale. (9+2)x2 significa 9 coppie periferiche e 1 coppia centrale di microtubuli.

I microtubuli sono polimerizzati dai corpi basali (figure 3 e 4). Il corpo basale è composto da 9 microtubuli tripletta che formano un cilindro (simile ai centrioli). Manca una coppia centrale di microtubuli, quindi è (9×3)+0. In ogni tripletta, solo un microtubulo (microtubulo A) ha una serie completa di protofilamenti, mentre i microtubuli B e C ne condividono alcuni tra loro. Dal corpo basale, i microtubuli A e B crescono e formano i microtubuli periferici dell’assonema. Appena sopra il corpo basale, c’è una regione delle cilia conosciuta come zona di transizione che contiene le 9 coppie periferiche e nessuna coppia centrale. Subito dopo la zona di transizione, c’è la piastra basale, dalla quale la coppia centrale di microtubuli viene polimerizzata per completare l’assonema. Tutti i microtubuli hanno l’estremità più verso la punta del cilium/flagellum. L’estremità prossimale del corpo basale (quella interna, o estremità negativa dei microtubuli) è ancorata al citoscheletro cellulare attraverso lunghe fibre proteiche chiamate radichette ciliari

Oltre all’assonema, le cilia/flagella hanno altri compartimenti. La membrana contiene molti recettori e canali per percepire l’ambiente, specialmente nelle ciglia primarie. La fase fluida dell’interno è chiamata matrice, che aiuta a mantenere organizzata l’intera struttura ed è responsabile della trasmissione delle informazioni raccolte dai recettori di membrana. Altre aree distinte sono il corpo basale situato alla base e la parte apicale del cilio/flagello, che contiene proteine che stabilizzano le estremità positive dei microbuli.

4. Movimento

Figura 6. Modelli per il movimento di cilium e flagelli. Essi generano diverse direzioni di movimento dei fluidi.

Quando il cilio/flagello si stacca meccanicamente dalla cellula, continua a muoversi fino a quando la riserva di ATP è esaurita. Ciò significa che il meccanismo di movimento è intrinseco (Figura 6). In realtà, il movimento è prodotto dallo scorrimento di una coppia periferica di microtubuli sul vicino. Le proteine Nexin e spoke impediscono la disorganizzazione dell’assonema, ma permettono questi movimenti. La dineina è la proteina motrice responsabile del movimento di scorrimento. L’energia è fornita dall’ATP. Le dineine sono ancorate con la loro parte globulare al microtubulo A di una coppia periferica e con la loro parte di coda al microtubulo B della coppia adiacente. Il meccanismo molecolare è simile a quello delle dineineine citosoliche, ma invece di trasportare un carico, muove un microtubulo. Per un movimento efficiente, è necessaria una coordinazione delle dineineine dell’assonema. Le onde di calcio all’interno della cilia/flagella possono coordinare l’attivazione delle dineine e cambiare la frequenza del movimento quando necessario. È da notare che non tutte le dineine devono essere attivate allo stesso tempo, ma in sincronia.

5. Formazione

Durante la differenziazione, le cellule producono tutte le ciglia e i flagelli necessari per la loro normale fisiologia. Ciò significa che tutti loro devono essere generati da zero. I microtubuli dell’assonema sono nucleati dai microtubuli A e B dei corpi basali, quindi è necessario un corpo basale per ogni cilium/flagello. Come si formano i corpi basali multipli? Ci sono almeno tre modi di produrre corpi basali: a) usando i centrioli come modelli per nucleare i corpi basali; b) da materiale amorfo noto come deuterosoma; c) nelle piante, ci sono aggregati proteici distinti che possono nucleare i corpi basali.

Numerose patologie umane sono conseguenza di difetti del cilio/flagella. Sono conosciute come ciliopatie, e includono lateralità casuale, chiusura errata del tubo neurale, polidattilia, patologie cistiche del rene, del fegato e del pancreas, degenerazione della retina, obesità e difetti cognitivi.

Bibliografia

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