motilità

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Definizione

sf. [dall'inglese motility, da motile, mobile (aggettivo)]. Capacità degli organismi viventi di eseguire movimenti; in particolare l'insieme dei movimenti spontanei di organi (per esempio motilità intestinale) condizionata dall'integrità del sistema nervoso e dalla funzionalità del sistema muscolare, generalmente riferito all'uomo.

Biologia

Le cellule contengono dei meccanismi complessi che ne permettono la motilità e questa caratteristica è uno dei passaggi cruciali dell'evoluzione. Con molta probabilità, infatti, le cellule primordiali avevano scarse caratteristiche motorie e venivano per lo più trasportate dal mezzo in cui vivevano; in seguito, con la specializzazione delle funzioni, le cellule hanno acquisito una grande capacità di muoversi autonomamente, per dirigersi in zone più favorevoli alla loro crescita e un raffinato sistema di trasporto e movimento delle sostanze al loro interno. L'evoluzione in organismi pluricellulari e complessi ha reso necessario che gruppi di cellule diverse raggiungano zone diverse durante l'embriogenesi e che le cellule deputate alla difesa contro le infezioni raggiungano e distruggano gli agenti patogeni. Anche le cellule che non si muovono hanno tuttavia la necessità di movimenti al loro interno, come, per esempio, le cellule del muscolo che vanno incontro a grossi cambiamenti durante la contrazione, o le cellule nervose che allungano i loro assoni. I movimenti non sono casuali ma sono il frutto di raffinati e precisi sistemi che sono strettamente controllati dalla cellula. I meccanismi del movimento hanno in generale necessità di energia che nella cellula è fornito dall'ATP ed esistono una serie di proteine che convertono l'energia di questa molecola in movimento. La struttura del citoscheletro è coinvolta in molti processi cellulari e rappresenta l'impalcatura della cellula; essa è tuttavia una struttura dinamica che va incontro a continui riarrangiamenti che producono movimento. L'intricata rete di fibre è composta dalla polimerizzazione di elementi base proteici che vengono assemblati e smontati in continuazione e fra le tre componenti di questa struttura, i microfilamenti, i filamenti intermediari e i microtubuli, solo i primi e gli ultimi sono coinvolti nella motilità cellulare.

Motilità cellulare: meccanismi di base

Le cellule hanno due meccanismi di base per il loro movimento: il primo è formato da una serie di proteine motori, che usano l'energia dell'idrolisi dell'ATP e che sono responsabili del trasporto di vescicole e organelli legati alla membrana lungo le fibre del citoscheletro e dello scorrimento delle fibre l'una sull'altra; il secondo meccanismo coinvolge la polimerizzazione della tubulina e dell'actina e il loro assemblaggio in reti e fasci fibrosi provocando grossi cambiamenti di forma alla cellula. L'actina è una delle proteine della cellula meglio conservate da un punto di vista evolutivo e contiene in sé caratteristiche molto importanti, come quella di legare in maniera specifica una molecola di ATP, ed esiste inoltre in due diversi stati: l'actina-G globulare, che polimerizzandosi si trasforma in actina-F, con fibre di circa 9 nm di diametro con una polarità direzionale e la cui polimerizzazione è accompagnata dall'idrolisi dell'ATP. L'actina che è contenuta nelle fibre della rete del citoscheletro è in equilibrio dinamico con l'actina monomerica contenuta nella cellula e questi filamenti, come quelli che compongono i fasci che spingono come dita la membrana cellulare in una determinata direzione, possono essere assemblati continuamente. Questi fasci di actina vengono tenuti insieme da proteine che fanno da ponte e alcune di queste sono dei veri e propri motori che spingono e fanno scorrere le fibre in una direzione. L'assemblaggio dei filamenti di actina comincia con la formazione di corti oligomeri che sono definiti i semi della crescita e poi prosegue in fibre più lunghe, in maniera direzionale dovuta all'asimmetricità delle molecole di actina. La lunghezza delle fibre è controllata da molecole che si legano specificamente all'actina, sia alla testa del filamento che sta crescendo, sia all'estremità opposta, e ciò impedisce alle fibre di crescere in maniera smisurata e mantiene inoltre le fibre assemblate per il tempo necessario senza depolimerizzarsi. Le fibre si attaccano alla membrana sulle proteine integrali e in questa maniera hanno dei punti fissi di spinta che usano per far avanzare la cellula. La locomozione cellulare è il risultato di movimenti generati in diverse parti della cellula e, per esempio, in un leucocita (la cellula che deve muoversi all'interno del corpo per cercare batteri che invadono i tessuti), i filamenti di actina producono una grande protrusione della membrana chiamata pseudopodio. Questa struttura si fissa al substrato e la parte di membrana che lo circonda viene riempita di citoplasma; la cellula avanza ripetendo questa operazione più volte. Il leucocita è una cellula che si muove velocemente un po' come le amebe, ma ci sono cellule che si muovono più lentamente come i fibroblasti. Questi ultimi estendono al di fuori della membrana dei filamenti chiamati filopodi o piccoli frammenti di membrana chiamati lammelopodi che si trovano nella porzione della cellula verso la direzione di avanzamento. Quando queste strutture contattano il substrato, la membrana forma delle zone compatte che si chiamano placche di adesione e che si trovano nella parte ventrale della cellula. Quando la cellula continua a muoversi, la parte che possiamo definire caudale si stacca e la parte frontale si attacca al substrato in un modo continuo. Questo movimento è provocato dal citoscheletro di actina ed è stato possibile descriverlo attraverso la microscopia a fluorescenza, colorando i filamenti di actina. Tuttavia la polimerizzazione e la depolimerizzazione dell'actina non sono sufficienti da sole a provvedere a tutti i movimenti della cellula. In questi tipi di motilità un altro protagonista essenziale è la miosina, una proteina che, usando l'ATP come energia, si comporta da vero e proprio motore cellulare. Questo enzima si può muovere lungo le fibre di actina accoppiando l'idrolisi dell'ATP a cambi di conformazione e, dal momento che converte l'energia chimica in energia meccanica, viene definito un enzima meccano-chimico e più semplicemente proteina motore.

Motilità cellulare: la miosina

La miosina è il motore, i filamenti di actina sono i percorsi lungo i quali la miosina si muove e l'ATP è il carburante necessario al movimento. La miosina è presente in tutte le cellule eucariotiche e ne conosciamo due tipi. La miosina 1, che è un monomero, e la miosina 2, che è invece un dimero formato da due monomeri che hanno la loro parte filamentosa avvolta a formare un'elica. La molecola è quindi costituita da due domini, uno lungo e filamentoso e l'altro che contiene le due teste globulari dei due monomeri. Le parti globulari si attaccano all'actina ed è in questa regione della proteina che avvengono i cambi conformazionali. Lo scorrimento della miosina sui filamenti di actina è uno degli aspetti fondamentali del movimento muscolare. Nei movimenti cellulari di tipo ameboide il vero motore che provoca l'allungarsi degli pseudopodi è la miosina. Il citoscheletro è formato anche da un'altra rete di filamenti, i microtubuli e i filamenti intermediari; queste due strutture, che si sovrappongono all'interno della cellula ma hanno funzioni differenti. sono anche esse polimeriche e sono formate gli uni da tubulina e gli altri da varie subunità proteiche. I microtubuli sono responsabili di molti movimenti cellulari come, per esempio, quello dei flagelli e delle cilia, e inoltre trasportano nel citoplasma varie vescicole membranarie. Questi movimenti sono il frutto della polimerizzazione e depolimerizzazione della tubulina e inoltre dell'azione di altre due proteine-motori come la dineina e la chinesina. Alcuni movimenti cellulari, come l'allineamento e separazione dei cromosomi all'interno della cellula, sono il risultato di un lavoro coordinato tra l'assemblaggio dei microtubuli e il lavoro delle proteine-motore. I microtubuli sono importanti anche nella formazione delle connessioni nervose; infatti, quando un neurone si connette con un altro, estrude dal citoplasma una protuberanza chiamata assone, che lo congiunge alla cellula bersaglio. Un microtubulo è composto da subunità che sono eterodimeri di a e b tubulina e ha una dimensione di 8 nm di lunghezza. Ciascun eterodimero lega due molecole del nucleotide GTP (molecola che è in grado di fornire energia chimica), ma nella subunità a questo legame è irreversibile, mentre nella subunità b la molecola di GTP può essere idrolizzata per essere trasformata in GDP, che può staccarsi e permettere il legame di una nuova molecola di GTP. L'assemblaggio dei microtubuli è legato al metabolismo di questo nucleotide. Vi è una direzionalità nell'assemblaggio dei microtubuli e ciò dipende dal fatto che si orientano in maniera definita rispetto al centro di crescita, o corpo basale, e quindi la crescita procede in una sola direzione. Nel caso di un organismo ciliato come la Clamidomonas, il corpo basale è un importante centro organizzativo non solo nell'assemblaggio dei microtubuli ma anche nel loro movimento. La stabilità dei microtubuli dipende da alcune variabili, che sono la temperatura e la concentrazione di tubulina presente; se non si raggiunge una massa critica di tubulina i microtubuli non possono essere assemblati. Il trasporto di sostanze lungo i microtubuli è importante per molti fenomeni biologici, come per esempio, il trasporto di vescicole piene di neurotrasmettitori lungo il cilindrasse per raggiungere le terminazioni sinaptiche.

Motilità cellulare: la chinesina, le dineine, il fuso mitotico

Questo tipo di trasporto è portato avanti dalla chinesina che, come la miosina, è un vero e proprio motore proteico. La struttura di questa proteina complessa è formata da un dimero di due catene pesanti lunghe, legate tra loro formando una lunga struttura a elica con due parti globulari a una estremità. All'estremità opposta la molecola è legata a una catena più leggera che fa da tramite con la membrana della vescicola. Anche la chinesina va incontro a grossi cambi conformazionali nelle due parti globulari che sono in grado di legare l'ATP ed è questa la regione che si lega ai microtubuli. La chinesina trasporta la vescicola “camminando” sul microtubulo con passi lunghi 8 nm in una direzione e deve perciò esistere un secondo gruppo di proteine che sono responsabili di muovere questa struttura nel senso opposto. Queste proteine molto complesse sono le dineine, che sono composte da una grande famiglia di molecole il cui meccanismo è ancora in fase di studio. Si sa tuttavia che sono organizzate in maniera polimerica e sono inoltre responsabili anche dei movimenti delle cilia e dei flagelli. Molti organismi vivono in mezzi fluidi e usano per muoversi cilia o flagelli che possono essere di dimensioni molto variabili. I meccanismi molecolari che regolano il loro movimento sono tuttavia molto simili. La struttura di queste cilia e flagelli è costituita da fasci ben organizzati di tubulina e il movimento è ben coordinato per permettere un avanzamento in una direzione dell'organismo. La struttura centrale si chiama assonema ed è costituita da fasci di microtubuli legati tra loro da molecole di dineina. Sezioni trasversali di queste strutture osservate al microscopio elettronico mostrano un'architettura molto simmetrica. Il movimento di queste strutture è provocato da uno scorrimento delle fibre di tubulina l'una sull'altra, causato dalla dineina. Anche la dineina usa l'ATP come fonte di energia. L'ultimo aspetto del movimento dei microtubuli all'interno della cellula è costituito dalla formazione del fuso mitotico durante la divisione cellulare. In questo processo biologico i cromosomi sono legati a una struttura chiamata cinetocoro e vengono segregati nelle due estremità opposte della cellula che si sta per dividere da una fitta rete di microtubuli. I cromosomi vengono allineati lungo il piano equatoriale del fuso con meccanismi non ancora conosciuti e vengono spinti in direzione opposte dalla crescita polarizzata delle fibre di microtubuli che si trovano attaccati al cinetocoro. I meccanismi di segregazione dei cromosomi lungo il fuso sono descritti da vari modelli che tendono a dividere le fasi di questo processo cellulare in diversi momenti. In una prima fase, i cromosomi sono spinti verso il centro e in una seconda i cromosomi sono invece tirati verso i poli opposti dalla depolimerizzazione dei microtubuli. L'ATP è infatti richiesto solo nella prima fase di questa reazione. Una volta che i cromosomi si sono separati ai poli, la cellula madre si divide in due cellule figlie.