Atlas de histologie vegetală și animală

Microtubulele sunt componente ale citoscheletului cu funcții importante în fiziologia celulară. Eșafodajul microtubular al citoplasmei este foarte plastic datorită capacității de polimerizare și depolimerizare a microtubulilor. Cu toate acestea, nu toți microtubulii celulari se află în acest stadiu de contracție sau de creștere. Cilii, flagelii și centriolii/corpurile bazale sunt structuri celulare care conțin microtubuli foarte stabili (număr și lungime) și foarte bine organizați. În această pagină ne ocupăm de cili și flageli.

1. Ciliul

Cilii sunt proeminențe celulare subțiri și lungi, cu un diametru de aproximativ 0,25 µm și o lungime de aproximativ 10 până la 15 µm, care pot fi găsite în celulele animale și în unele specii eucariote unicelulare. Ele sunt, de obicei, strâns strânse la suprafața liberă a celulelor epiteliale (figurile 1 și 2), cum ar fi epiteliul căilor respiratorii, epiteliul canalelor de reproducere, branhiile peștilor și ale bivalvelor etcetera. Cilii sunt structuri mobile, iar principala lor funcție este aceea de a deplasa lichidul din jur, cum ar fi mucusul de la suprafața tractului respirator, apa din jurul epiteliului branhial, dar și ovocitele din canalul Fallopian al femelei. Multe organisme unicelulare se pot deplasa propulsate de cili, iar altele îi pot folosi pentru a genera vârtejuri de apă pentru a prinde hrana. Cilii nodali embrionari au fost implicați în inițierea axei stânga-dreapta în timpul dezvoltării embrionare a vertebratelor. Mișcarea cililor este ca o bătaie, care impulsionează lichidul paralel cu suprafața celulară.

Figura 1. Imagini de microscopie electronică de scanare care prezintă canalul central al măduvei spinării de lamprei. Se pot observa mulți cili (la mărire mai mare în B) și microvilli mici la nivelul domeniului apical al celulelor ependimale.

Figura 2. Imagini de microscopie electronică de transmisie ale epiteliului respirator. Celulele cu citoplasmă clară prezintă mulți cili pe suprafața lor apicală.

Există cili care nu se pot mișca și, prin urmare, nu sunt destinați mișcării lichidelor. Acești cili sunt cunoscuți sub numele de cili primari. Majoritatea celulelor studiate până în prezent (cu excepția globulelor roșii) poartă cili primari: celulele oviductului, neuronii, condrocitele, celulele ectodermului, celulele mezenchimale, celulele epiteliale urinare, hepatocitele și chiar celulele cultivate. Inițial, cili primari au fost considerați ca fiind cili nefuncționali. Cu toate acestea, multe tipuri de receptori și canale ionice au fost descoperite în membrana ciliară, astfel încât acestea au fost considerate ca structuri senzoriale celulare. De exemplu, receptorii olfactivi se găsesc în cili ai dendritelor acestora, iar segmentele externe ale bastonașelor și conurilor retinei sunt de fapt cili modificați. Unii receptori sunt mai bine împachetați în membrana ciliară decât în alte domenii ale membranei plasmatice. În plus, în interiorul ciliilor există o mare varietate de molecule implicate în rolurile de transducție a semnalelor. Raportul mai mare suprafață/volum al unui ciliu face ca răspunsurile moleculare intraciliare să fie mai intense și mai eficiente decât dacă s-ar afla în afara ciliului. Pe lângă semnalul chimic, ciliile primare pot detecta mișcarea fluidelor în afara celulei și funcționează ca mecanoreceptori.

2. Flagelul

Flagelul este asemănător ciliilor, dar este mult mai lung, de aproximativ 150 µm, și ușor mai gros. Sunt destul de puțin numeroși decât cilia în celule. Funcția principală a flagelului este de a deplasa celula. Mișcarea flagelului este diferită de cea a ciliului deoarece direcția de mișcare este perpendiculară pe suprafața celulei (nu paralelă), adică în direcția axei longitudinale a flagelului. Flagelul poate fi observat frecvent în celulele mobile, cum ar fi organismele unicelulare și spermatozoizii.

Structura

Cilii și flagelul sunt structuri complexe care conțin peste 250 de proteine diferite. Ambele au în comun aceeași organizare centrală de microtubuli și alte proteine asociate, cunoscute în ansamblu sub numele de axoneme, și sunt limitate de membrana plasmatică (figura 3). În afară de axoneme, în interiorul ciliilor/flageloanelor există numeroase molecule solubile care constituie matricea. Axonemul este alcătuit din 9 perechi de microtubuli în jurul unei alte perechi centrale de microtubuli. Această organizare poate fi scrisă ca (9 x 2) + 2. Cilii primari sunt lipsiți de perechea centrală de microtubuli. Fiecare microtubul al perechii centrale este alcătuit din 13 protofilamente, dar microtubulii perechilor periferice împart unele protofilamente între ei. Astfel, o pereche periferică este formată din microtubuli A și B. Microtubulul A conține 13 protofilamente, iar microtubulul B conține 10 sau 11 protofilamente, împărțind 2 sau 3 cu microtubulul A.

Figura 3. Principalele componente moleculare ale ciliilor și flagelilor. La cilia primari, perechea centrală este absentă.

Organizarea microtubulară a axonemului este rezultatul unui eșafodaj de proteine. Douăsprezece proteine au fost deja găsite ca fiind constituenți ai axonemului implicați în menținerea organizării microtubulelor. Perechile de microtubuli periferici vecini sunt conectate între ele prin nexină. În fiecare pereche, microtubulul A este conectat prin raze proteice la un inel central care conține perechea sau microtubulii centrali. Dineina este o proteină motorie asociată microtubulilor periferici, implicată în mișcarea ciliilor și a flagelului.

Figura 4. Ultrastructura unui ciliu al unei celule ependimale din măduva spinării. (9+2)x2 înseamnă 9 perechi periferice și 1 pereche centrală de microtubuli.

Microtubulele sunt polimerizate din corpurile bazale (figurile 3 și 4). Corpul bazal este alcătuit din 9 microtubuli tripleți care formează un cilindru (similar centriolilor). Le lipsește o pereche centrală de microtubuli, deci este (9×3)+0. În fiecare triplet, doar un singur microtubul (microtubul A) are un set complet de protofilamente, în timp ce microtubulii B și C împart o parte dintre ei între ei. Din corpul bazal, microtubulele A și B cresc și formează microtubulele periferice ale axonemului. Chiar deasupra corpului bazal, există o regiune a ciliilor cunoscută sub numele de zonă de tranziție care conține cele 9 perechi periferice și nicio pereche centrală. Imediat după zona de tranziție, se află placa bazală, din care perechea centrală de microtubuli se polimerizează pentru a completa axonemul. Toate microtubulele au capătul pozitiv spre vârful ciliului/flagelului. Capătul proximal al corpului bazal (cel interior sau capătul minus al microtubulilor) este ancorat de citoscheletul celular prin intermediul unor fibre proteice lungi numite rădăcini ciliare

În afară de axoneme, cilia/flagela au și alte compartimente. Membrana conține numeroși receptori și canale pentru detectarea mediului înconjurător, mai ales în cazul ciliilor primari. Faza fluidă din interior se numește matrice, care ajută la menținerea organizată a întregii structuri și este responsabilă pentru transmiterea informațiilor culese de receptorii membranari. Alte zone distincte sunt corpul bazal situat la bază și partea apicală a ciliului/flagelului, care conține proteine care stabilizează capetele plus ale microbulilor.

4. Mișcarea

Figura 6. Mișcarea ciliilor și a flagelului. Modele pentru mișcarea ciliilor și a flagelilor. Acestea generează direcții diferite de mișcare a fluidelor.

Când ciliul/flagela sunt detașați mecanic de celulă, ei continuă să se deplaseze până când se epuizează stocul de ATP. Aceasta înseamnă că mecanismul de mișcare este intrinsec (figura 6). De fapt, mișcarea este produsă prin alunecarea unei perechi periferice de microtubuli peste vecinul. Proteinele Nexin și spoke împiedică dezorganizarea axonemului, dar permit aceste mișcări. Dinein este proteina motorie responsabilă de mișcarea de alunecare. Energia este furnizată de ATP. Dineinele sunt ancorate cu partea sa globulară de microtubulul A al unei perechi periferice și cu partea de coadă de microtubulul B al perechii alăturate. Mecanismul molecular este similar cu cel al dineinelor citosolice, dar în loc să transporte o încărcătură, mișcă un microtubul. Pentru o mișcare eficientă, este necesară o coordonare a dineinelor din axoneme. Undele de calciu din interiorul ciliilor/flagelelor pot coordona activarea dineinelor și pot modifica frecvența mișcării atunci când este necesar. Este de remarcat faptul că nu toate dineinele trebuie să fie activate în același timp, ci în sincronie.

5. Formarea

În timpul diferențierii, celulele produc toți cili și flagelii necesari pentru fiziologia lor normală. Aceasta înseamnă că toate acestea trebuie să fie generate de la zero. Microtubulii axonemelor sunt nucleați din microtubulii A și B ai corpurilor bazale, astfel încât este nevoie de un corp bazal pentru fiecare ciliu/flagel. Cum se formează mai multe corpuri bazale? Există cel puțin trei modalități de producere a corpurilor bazale: a) prin utilizarea centriolilor ca șabloane pentru nuclearea corpurilor bazale; b) din material amorf cunoscut sub numele de deuterosom; c) la plante, există agregate proteice distincte care pot nuclea corpuri bazale.

Numeroase patologii umane sunt consecința defectelor ciliului/flagelei. Acestea sunt cunoscute sub numele de ciliopatii și includ lateralitatea aleatorie, închiderea greșită a tubului neural, polidactilia, patologiile chistice ale rinichilor, ficatului și pancreasului, degenerarea retinei, obezitatea și defectele cognitive.

Bibliografie

Marshall WF, Nonaka S. 2006. Cilia: tuning in to the cell’s antenna. Biologie actuală. 16:R604-R614.

Satir P, Christensen ST. 2007. Privire de ansamblu asupra structurii și funcției ciliilor mamiferelor. Revistă anuală de fiziologie. 69:377-400.