Nelle cellule eucariote, la forma, l’architettura interna, la capacità di rispondere a forze esterne e di generare movimento sono garantite da un sistema di filamenti proteici organizzati in una rete tridimensionale che pervade il citoplasma (Figura 05.26-01). Questo reticolo, denominato citoscheletro, sostiene il volume cellulare e stabilizza l’assetto degli organuli, funzione cruciale soprattutto nelle cellule animali prive di parete cellulare. Benché batteri e archea possiedano omologhi funzionali di alcuni elementi citoscheletrici, l’elaborazione strutturale e regolativa del citoscheletro raggiunge la massima complessità nelle cellule eucariotiche, più grandi e altamente compartimentate.

A differenza di uno scheletro statico, il citoscheletro è intrinsecamente dinamico: le sue componenti si assemblano e si disassemblano in tempi brevi, consentendo rapidi cambiamenti morfologici durante migrazione cellulare, divisione mitotica e processi morfogenetici dello sviluppo embrionale. Agisce, per così dire, sia da “impalcatura” sia da “macchinario motore”: coordina lo scorrimento delle cellule su substrati, la contrazione dei tessuti muscolari e i movimenti coordinati di appendici come ciglia e flagelli. La sua attività è essenziale per fenomeni fisiologici quali la riparazione tessutale, la fecondazione e l’omeostasi tissutale.

Organizzazione generale e funzioni principali

Il citoscheletro integra la distribuzione degli organuli e crea percorsi lungo i quali avviene il trasporto intracellulare mediato da proteine motrici. Tale organizzazione sostiene la logistica interna di una cellula che, come un impianto manifatturiero, distribuisce materiali e segnali fra compartimenti specializzati. Durante la mitosi, dalla sua riorganizzazione emergono il fuso che separa i cromosomi e gli apparati che assicurano la citodieresi. Nelle cellule animali, la corteccia di actina sottostante la membrana plasmatica conferisce robustezza meccanica in assenza della parete; nelle cellule vegetali, pur in presenza della parete cellulare, il citoscheletro indirizza la deposizione di cellulosa e coordina flussi citoplasmatici che ottimizzano la distribuzione intracellulare:

• mantenimento della forma e della polarità cellulari, con adattamenti rapidi a stimoli meccanici e chimici;
• posizionamento e ancoraggio di organuli, incluso nucleo, apparato di Golgi e mitocondri;
• trasporto vescicolare direzionale lungo “binari” filamentosi, con selettività spaziale e temporale;
• separazione dei cromosomi e divisione del citoplasma durante il ciclo cellulare;
• generazione di forze per migrazione, contrazione, endocitosi ed esocitosi;
• funzione di sensore meccanico, con trasduzione di forze esterne in risposte biochimiche.

Componenti fondamentali e loro proprietà

Il citoscheletro è costituito da tre classi principali di filamenti, ciascuna con caratteristiche molecolari e meccaniche specifiche (Figura 05.26-02):

• Filamenti intermedi: polimeri di proteine fibrose appartenenti a diverse famiglie (es. cheratine, vimentina, neurofilamenti), con funzione primaria di resistenza alla trazione. Formano reti che assorbono carichi meccanici, stabilizzano la forma della cellula e rinforzano giunzioni intercellulari;
• Microtubuli: cilindri cavi costituiti da eterodimeri di tubulina α/β, organizzati in protofilamenti. Forniscono rigidità e direzionalità, fungendo da piste per il trasporto di organuli e vescicole e costituendo l’ossatura di ciglia e flagelli. La loro dinamica presenta “instabilità dinamica”, alternando fasi di crescita e retrazione regolate dall’idrolisi del GTP;
• Filamenti di actina: doppi eliche di actina globulare, particolarmente abbondanti nella corteccia cellulare. Sostengono la tensione superficiale della membrana e generano protrusioni motili; mostrano fenomeni di “treadmilling”, con aggiunta di subunità al polo barbed e perdita al polo pointed, modulati dall’idrolisi di ATP.

L’assemblaggio dei filamenti dipende da subunità proteiche che si associano in grandi numeri, spesso raggiungendo lunghezze tali da traversare l’intera cellula. La loro disposizione è continuamente rimodellata da proteine accessorie: fattori di nucleazione, proteine di cappaggio, severing e crosslinking orchestrano la formazione di fasci, reti e cortecce specializzate. Proteine motrici accoppiate all’idrolisi di nucleotidi, come chinesine e dineine sui microtubuli e miosine sull’actina, convertono energia chimica in lavoro meccanico direzionale, permettendo il trasporto vettoriale e la generazione di forza.

Implicazioni funzionali ed esempi

L’integrità citoscheletrica è indispensabile per processi su larga scala. Nei neuroni, ad esempio, i microtubuli orientati lungo gli assoni sostengono il traffico anterogrado e retrogrado di vescicole e mitocondri; nelle cellule epiteliali intestinali, i fasci di actina organizzano il core dei microvilli, aumentando la superficie di assorbimento; in tessuti esposti a stress meccanico, come epidermide e miocardio, i filamenti intermedi dissipano le forze evitando rotture cellulari. Appendici specializzate basate su microtubuli, come ciglia e flagelli, coordinano correnti di fluidi e motilità cellulare; reti di actina nella lamellipodia e nei filopodi promuovono lo spostamento strisciante su matrici extracellulari. Durante la mitosi, la riorganizzazione dei microtubuli genera il fuso che garantisce una corretta segregazione cromosomica, mentre un anello contrattile di actina-miosina guida la scissione del citoplasma.

In assenza di un citoscheletro funzionante, funzioni fondamentali risulterebbero compromesse: il trasporto intracellulare perderebbe direzionalità, la divisione cellulare fallirebbe nella corretta distribuzione dei cromosomi e i processi motori, dalla contrazione muscolare al movimento flagellare, non potrebbero avvenire. La cooperazione tra filamenti intermedi, microtubuli e actina, ognuno con la propria meccanica e le proprie subunità proteiche, consente alla cellula di integrare sostegno strutturale, organizzazione interna e motilità in un sistema unitario e adattabile.

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Cito­scheletro e organizzazione cellulare

Il citoscheletro dà forma alla cellula e le conferisce un’organizzazione interna e la capacità di movimento. Questa cellula animale in coltura è stata marcata così da mostrare due dei suoi principali sistemi citoscheletrici: i microtubuli (in verde) e i filamenti di actina (in rosso). I punti in cui i due sistemi si sovrappongono sono di colore giallo. Il DNA nucleare è colorato in blu.

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I tre tipi di filamenti del citoscheletro

I tre tipi di filamenti proteici che formano il citoscheletro differiscono per composizione, proprietà meccaniche e ruolo all’interno della cellula. Qui sono mostrati nelle cellule epiteliali, ma si trovano in quasi tutte le cellule animali.

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