Destino post-sintetico delle proteine. Esocitosi ed endocitosi. Flashcards
TRASPORTO VESCICOLARE
Prevede la formazione di vescicole all’interno o all’esterno della cellula: ciò richiede energia, attraverso l’utilizzo di ATP.
Due tipi:
1 - Esocitosi
2- Endocitosi
ESOCITOSI
Fusione di una vescicola secretoria con la membrana plasmatica e la conseguente estrusione dei suoi contenuti.
Processo:
- le vescicole che si staccano (Es. dall’apparato di Golgi, o comunque dall’interno della cellula) sono vescicole MEMBRANOSE -> contengono molecole da espellere dall’ambiente cellulare
- la vescicola si avvicina alla membrana plasmatica
- si fonde con essa e
- il contenuto viene riversato all’esterno
Due tipi di secrezione:
1. COSTITUTIVA: i materiali sono trasportati, in vescicole secretorie, dai loro siti di sintesi e rilasciati nello spazio extracellulare in maniera CONTINUA.
La maggior parte delle cellule svolge questo tipo di secrezione.
Contribuisce alla formazione:
- della matrice extracellulare e
- della stessa membrana plasmatica.
- REGOLATA: i materiali sono accumulati in comparti delimitati da membrana e rilasciati solvano in risposta ad uno stimolo appropriato.
Es. avviene nelle cellule endocrine che rilasciano ormoni, nelle cellule degli acini pancreatici che producono enzimi digestivi e nelle cellule nervose che rilasciano neurotrasmettitori.
ENDOCITOSI
Processo inverso all’esocitosi: le vescicole si staccano dall’ambiente extracellulare per raggiungere l’interno.
Possiamo distinguere 3 tipi di endocitosi: - Pinocitosi Processo che permette di trasferire PICCOLE QUANTITÀ DI LIQUIDO dall’esterno -> interno. La membrana si introflette, i margini si fondono e si forma la vescicola che, in seguito a strozzatura, si libera nella cellula.
- Fagocitosi
Processo che permette di trasferire GRANDI QUANTITÀ DI MATERIALE, anche microrganismi. Si verifica solo in pochi tipi di cellule specializzate nell’assunzione di particelle relativamente grandi (diametro > 0,5 µm) dall’ambiente. Meccanismo di protezione, piuttosto che di nutrizione.
Il fagosoma si fonde con il lisosoma => materiale digerito all’interno del FAGOLISOSOMA - Endocitosi mediata da recettori (RME)
Tipo di endocitosi secondo cui alcune MOLECOLE SPECIFICHE (ligandi) da trasportare all’interno di una cellula si COMBINANO con delle PROTEINE RECETTORIALI poste sulla membrana cellulare.
Tali proteine recettoriali sono localizzate e concentrate in particolari zone della membrana, note come “FOSSETTE RIVESTITE”, oppure migrano in tali zone dopo essersi legate alla molecola da trasportare (ligando).
Appena sotto la membrana cellulare, ciascuna fossetta è caratterizzata dalla presenza di uno strato di proteine periferiche di membrana note con il nome di CLATRINE.
Vediamo le tappe di questo processo, considerando il meccanismo di assorbimento da parte delle cellule animali delle lipoproteine a bassa densità (LDL), particelle che trasportano il colesterolo nel sangue:
1. La particella di LDL si lega ai recettori che si trovano nella “fossetta rivestita”
2. La fossetta si ripiega verso l’interno della cellula e dà origine per endocitosi ad una vescicola ricoperta esternamente dallo stato di clatrine
3. La vescicola perde il rivestimento, trasformandosi in endosoma
4. L’endosoma forma due vescicole: - una contenente i recettori e
- l’altra contenente LDL
5. Le proteine del recettore LDL vengono riciclate e ritornano sulla membrana plasmatica
6. La vescicola contenente LDL si fonde con il lisosoma venendo a formare un lisosoma secondario il cui contenuto, una volta digerito, viene rilasciato nella cellula e utilizzato da essa
SISTEMA DI ENDOMEMBRANE
Il citoplasma delle cellule eucariotiche contiene un sistema di organelli circondati da membrana, comprendente:
- reticolo endoplasmatico,
- complesso di Golgi e
- lisosomi, che sono funzionalmente e strutturalmente correlati l’uno all’altro e alla membrana plasmatica.
Questi diversi organelli membranosi sono parte di una rete di endomembrane dinamica + integrata in cui i materiali sono portati da un distretto all’altro della cellula mediante VESCICOLE DI TRASPORTO, garantendo così trasporto e comunicazione tra essi. Il movimento di vescicole da un punto all’altro avviene grazie ai binari di microtubuli e microfilamenti.
RETICOLO ENDOPLASMATICO
[RE]
- Comprende un intreccio di membrane tra loro interconnesse (che si estende per tutto il citoplasma).
- La composizione dello SPAZIO LUMINALE (o CISTERNALE) è del tutto ≠ da quella dello SPAZIO CITOSOLICO che le circonda.
- Organello citoplasmatico, costituito da una rete intrecciata di compartimenti detti CISTERNE:
- > formate da un doppio strato di fosfolipidi, che rende la membrana del RE simile a quella citoplasmatica; tuttavia, essa è più sottile e presenta catene di oligosaccaridi che sporgono anche all’interno delle cisterne (e non sono all’esterno come nel caso della membrana cellulare).
Funzione più importante: modificare alcune sostanze prodotte dalla cellula.
RE è diviso in 2 sotto-compartimenti:
• Reticolo endoplasmatico liscio (REL)
• Reticolo endoplasmatico rugoso (RER)
Il RER è continuo con la membrana esterna dell’involucro nucleare (presenta anch’essa ribosomi sul suo versante citoplasmatico). Il REL si trova in continuità del RER.
Tipi diversi di cellule hanno quantità marcatamente differenti di un tipo di RE o dell’altro, a seconda dell’attività della cellula.
Es. cellule che secernono grandi quantità di proteine (cellule del pancreas, delle ghiandole salivari, ecc.) hanno regioni estese di RER.
RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO
[REL]
A differenza del RER, il REL è PRIVO DI RIBOSOMI sulla sua superficie (da qui “liscio”); inoltre, le cisterne da cui è composto hanno una FORMA TUBULARE, che lo rende facilmente distinguibile dal RER.
Il REL ha diverse funzioni:
• SINTETIZZARE LIPIDI -> i fosfolipidi che servono per le membrane cellulari, il colesterolo e gli steroidi, i glicolipidi, i trigliceridi.
• DETOSSIFICARE da sostanze altrimenti dannose per l’organismo, Es:
- l’etanolo contenuto nelle bevande alcoliche,
- alcuni farmaci,
- sostanze che possono derivare dal metabolismo cellulare, ecc.
Questa funzione viene svolta da OSSIDASI (enzimi che trasferiscono l’ossigeno), tra cui i CITOCROMI P450. Questa famiglia di enzimi presenta un gruppo eme con il ferro legato ad un gruppo tiolico. Tale gruppo reattivo permette la riduzione dei radicali liberi prodotti dal metabolismo e dei radicali derivati dai farmaci e dalle tossine.
• Costituire una riserva di IONI CALCIO (Ca2+), che vengono utilizzati come molecole segnale.
• È coinvolto nel METABOLISMO DEL GLICOGENO. Il glicogeno viene conservato, come riserva energetica, nel fegato e nei muscoli. Il processo che porta a ottenere glucosio dal glicogeno (GLICOGENOLISI) avviene grazie al REL. Infatti, il glicogeno viene convertito dapprima in tante molecole di glucosio-6 fosfato (glucosio + P). In questa forma, però, il glucosio non può uscire dalla cellula. Grazie ad un enzima (glucosio-6-fosfatasi), presente solo sulle membrane del REL, il gruppo P viene rimosso e il glucosio può uscire dalla cellula.
RETICOLO ENDOPLASMATICO RUGOSO
[RER]
Il RER deve il suo attributo “rugoso” alla PRESENZA DI RIBOSOMI sul versante citoplasmatico della membrana che gli conferiscono, appunto, un aspetto ruvido (simile ad una carta vetrata vista al microscopio).
La membrana esterna del RER si continua con la membrana esterna del nucleo, la quale contiene anch’essa i ribosomi sulla superficie esterna.
Le cisterne del RER hanno la caratteristica FORMA APPIATTITA e sono molto sviluppate ed abbondanti nelle cellule dove c’è un elevato metabolismo proteico (Es. cellule del fegato e dell’intestino).
Funzione principale: sintesi proteine di secrezione, integrali ed enzimi lisosomali + sintesi di fosfolipidi
SINTESI DELLE PROTEINE
[RER, REL e apparato del Golgi]
Normalmente, le proteine vengono tradotte nel citoplasma delle cellule ma, alcune di esse, come:
- proteine di secrezione,
- proteine integrali e
- enzimi lisosomiali (faranno parte delle vescicole lisosomiali),
si sintetizzano in parte nel citosol e in parte nel RER.
Queste proteine hanno un particolare destino:
- iniziano la loro traduzione nel citoplasma,
- dove si trovano le mRNA che legano lo specifico ribosoma,
- comincia la sintesi della proteina.
- La regione N-terminale (parte iniziale della proteina) presenta un cosiddetto PEPTIDE SEGNALE = sequenza generalmente idrofobica che segnala che questa proteina deve poter continuare la sua sintesi nel RE, non nel citoplasma (dove invece è iniziata).
Perché? Perché nel reticolo endoplasmatico subiscono alcune modificazioni.
Es. L’aggiunta di catene di zuccheri (GLICOSILAZIONE) o modifiche di alcune sequenze amminoacidiche e dopodiché questa ulteriore modificazione continuerà nell’apparato di Golgi, dove questa modificazione si completerà. Le proteine dal Golgi raggiungeranno, attraverso le vescicole, la loro destinazione finale. Però la traduzione avviene nel RE.
A questo punto, il complesso SRP (particella ribonucleico proteica = RNA + proteina):
- riconosce questo peptide segnale della proteina neo-nascente
- si accorge che questa proteina deve essere sintetizzata nel RE
- attacca la proteina ad un TRASLOCONE = canale in comunicazione con il RE. Quindi, la proteina viene sintetizzata nel lume (anche con aiuto di chaperonine), fino ad entrare all’interno del RE, dove prosegue il suo destino di modificazione della proteina.
ATTENZIONE! Se si tratta di una proteina integrale di membrana, la proteina viene sintetizzata e si integra direttamente nella membrana del RE.
Dopodiché:
- Si sposterà nel reticolo endoplasmatico,
- formerà delle vescicole (contenenti proteine integrali di membrana) che
- raggiungono prima il Golgi, dove vengono parzialmente modificate e poi
- andranno a fondersi con la membrana plasmatica.
N.B. Modalità di sintesi proteine:
- Proteine di secrezione + enzimi lisosomiali: la proteina viene tradotta mentre il ribosoma è sul traslocone e questo entra nel lume del RE;
- Proteine integrali di membrana: vengono sintetizzate e si integrano nella membrana del RE.
Successivamente:
- si formano vescicole contenenti le proteine del RER e i fosfolipidi del REL e
- si vanno a fondere dapprima nell’apparato di Golgi, dove finiscono di essere sintetizzate,
- per poi unirsi alla membrana cellulare.
Conclusione:
- il RE fornisce solo una parziale modificazione alle macromolecole, che vengono poi confezionate nell’apparato del Golgi.
Nello specifico:
- all’interno del lume del RER, le proteine subiscono glicosilazione e ulteriori modifiche;
- nel REL, invece, inizia la sintesi dei lipidi di membrana.
SINTESI DEI LIPIDI DI MEMBRANA
[RER, REL e apparato del Golgi]
I lipidi di membrana sono sintetizzati nel REL e in alcuni casi vengono trasportati poi nel Golgi per essere successivamente modificati.
Funzione:
- rigenerare le membrane;
- cambiare la composizione delle membrane plasmatiche, modificando gli acidi grassi che lo compongono.
Nel RE si producono i lipidi, quindi fosfolipidi + colesterolo delle membrane plasmatiche.
In più nel RER si producono proteine di secrezione, integrali ed enzimi lisosomiali.
Dunque, dal RE partono delle vescicole che contengono le proteine integrali di membrana e i fosfolipidi + colesterolo che arrivano nel Golgi.
Qui vengono ulteriormente modificati, dopodiché delle vescicole si staccano dal Golgi, si fondono alla membrana plasmatica e formano una nuova regione della membrana contenente le proteine integrali e i nuovi fosfolipidi.
ELIMINAZIONE PROTEINE NON CORRETTAMENTE RIPIEGATE
Nel caso in cui le proteine non ripiegate correttamente si accumulano ad una velocità MAGGIORE rispetto a quella di esporto -> si possono avere numerose patologie.
A questa eventualità si oppone il meccanismo UPR (Unfolded Protein Response).
Nel RE troviamo dei sensori proteici che monitorano la concentrazione di proteine non correttamente ripiegate nel lume del RE che portano a:
1. Attivazione chaperoni
2. Proteine di esporto dal RE (vengono codificate)
3. Proteine coinvolte nella distruzione selettiva di proteina anomala
4. Blocco della traduzione per non intasare RE
Se queste misure correttive non hanno successo, si innesca la via della morte cellulare e la cellula è distrutta.
STRUTTURA APPARATO DEL GOLGI
L’apparato di Golgi è un organulo localizzato in prossimità del nucleo, la cui funzione principale è quella di modificare il contenuto delle vescicole provenienti dal reticolo endoplasmatico.
In generale, il Golgi svolge tre funzioni:
1. Maturazione delle proteine
2. Sintesi di sfingomielina e glicosfingolipidi
3. Smistamento delle proteine
È costituito da CISTERNE discoidali delimitate da membrane e disposte una sull’altra come una pila di scodelle (costituiscono la porzione intermedia dell’apparato - posizionandosi tra le facce cis e trans - e sono dette di transizione).
Nei suoi sacchi appiattiti avvengono modifiche che completano le attività di maturazione delle proteine delle specifiche classi. I vari sacchi sono formati da cisterne caratterizzate da due facce:
• FACCIA CIS: orientata verso il RE (dal quale è separata da un compartimento intermedio di transizione chiamato ERGIC - si pensa sia formato dalle vescicole COPII) e funziona come punto di smistamento. Infatti, le proteine prodotte nel reticolo vengono portate al Golgi attraverso vescicole che viaggiano sui binari dei microtubuli e dei microfilamenti. Il compartimento su questo lato è detto rete del cis-Golgi (CGN).
La faccia cis smista queste vescicole, controlla che le proteine siano state ricevute correttamente, altrimenti le fa tornare indietro. Se le proteine vengono accettate, cominciano ad avanzare fra le varie cisterne.
• FACCIA TRANS: caratterizzata dalla presenza di proteine modificate, che si spostano per raggiungere la membrana. Il compartimento su questo lato è chiamato rete del trans-Golgi (TGN).
• Rapporto funzionale tra RER e Golgi
In generale, le modifiche apportate nel Golgi consistono in:
- aggiunte di unità lipidiche, glucidiche o di piccoli gruppi funzionali
- rimozione amminoacidiche.
Inoltre, si sintetizzano anche polisaccaridi complessi, come glucosammidoglicani.
FUNZIONAMENTO APPARATO DI GOLGI
Esistono 2 teorie su come funziona il Golgi:
1. Modello della maturazione delle cisterne (poiché ogni cisterna “matura” nella cisterna seguente).
Si pensava che le cisterne del Golgi fossero strutture transitorie. Si supponeva che:
- si formassero alla faccia cis per FUSIONE dei trasportatori membranosi provenienti dal RE e dall’ERGIC,
- ogni cisterna si muovesse dall’estremità cis verso quella trans, cambiando composizione mentre progrediva.
- Modello del trasporto vescicolare (attraverso le diverse cisterne).
Quando le vescicole arrivano sulla faccia cis del Golgi:
-> si staccano altre vescicole
-> si dirigono sulla prima cisterna
-> poi sulla seconda
-> e, gradualmente, sulle successive.
Intanto, il CONTENUTO delle vescicole SUBISCE modifiche, dato che ogni cisterna ha enzimi specifici relativi a funzioni altrettanto specifiche.
MIGRAZIONE ATTRAVERSO IL COMPLESSO DI GOLGI
[glicosilazione]
Il complesso di Golgi svolge un ruolo chiave nell’assemblaggio dei carboidrati che fanno parte delle glicoproteine e dei glicolipidi.
RE:
• Biosintesi del core oligosaccaridico per la glicosilazione legata all’N
• Attacco del core oligosaccaridico ai residui di asparagina
RETICOLO CIS (CGN): • Attacco della N-acetilgalattosammina alla serina o alla treonina • Prima fase della fosforilazione delle proteine lisosomali
- Rimozione del mannosio
- Seconda fase della fosforilazione delle proteine lisosomali
SISTEMA DELLE CISTERNE:
• Regione cis -> rimuove mannosio
• Regione mediana -> rimuove mannosio e aggiunge N-acetilglucosamina
• Regione trans -> aggiunge galattosio e ac. sialico
RETICOLO TRANS (TGN): • Aggiunge solfati e glicosamminoglicani
SMISTAMENTO NELLE DIVERSE CISTERNE
La membrana del RE forma delle gemme, nelle quali rimangono INCASTRATE le proteine che devono essere TRASPORTATE: quindi, le vescicole (gemme) dovranno saper RICONOSCERE un punto BERSAGLIO, per poter poi rilasciare proteine inglobate.
In realtà, queste vescicole (che dovranno accogliere le macromolecole da trasferire) sono provviste di RIVESTIMENTI PROTEICI (per cui dette vescicole rivestite), aventi due funzioni distinte:
1. Fungono da DISPOSITIVO MECCANICO che induce la membrana a curvarsi, formando vescicole in gemmazione;
2. Costituiscono un MECCANISMO DI SELEZIONE per i componenti che devono essere trasportati nella vescicola.
I componenti selezionati includono:
a) il carico da trasportare (proteine di secrezione, lisosomali e di membrana);
b) macchinario richiesto per indirizzare e far ancorare la vescicola alla membrana ricevente.
Il rivestimento è composto di due strati proteici:
- uno esterno di impalcatura - forma la rete per il rivestimento;
- uno interno di adattatori - servono per selezionare le proteine cargo desiderate all’interno della vescicola in via di formazione.
Ne deduciamo che, in questo modo, si riescono ad inglobare solo le proteine che hanno la necessità di spostarsi.
A seconda delle proteine di rivestimento che caratterizzano una vescicola, si hanno informazioni sulla direzione che essa deve intraprendere.
I 3 tipi di vescicole rivestite meglio studiate sono quelle rivestite da:
1. COPII:
- trasporto in senso anterogrado
- dal RE -> verso l’ERGIC + complesso di Golgi
2. COPI:
- trasporto in senso retrogrado
- (1) dall’ERGIC + dal Golgi -> “all’indietro” verso RE
- (2) dalle cisterne trans del Golgi -> alle cisterne cis del Golgi
3. CLATRINA:
- dal TGN -> verso gli endosomi, i lisosomi, i vacuoli delle cellule vegetali
- spostano materiali dalla membrana plasmatica -> ai compartimenti citoplasmatici
- coinvolte nel traffico dagli endosomi + dai lisosomi
SEGNALI DI INDIRIZZAMENTO INTERNI
Se una proteina è stata erroneamente portata nel Golgi, ma in realtà appartiene al RE, la vescicola si stacca e si fonde con la cisterna cis del Golgi, che riconosce l’errore, dato che le proteine che devono rimanere nel RE hanno un segnale detto KDEL. Nella cisterna cis si trovano i recettori per KDEL, che fanno sì che si formino delle vescicole rivestite da COPI, che daranno via al passaggio retrogrado.
In generale, i segnali di indirizzamento interni sono:
• KDEL e KXXX (esempio del trasporto retrogrado/vescicole rivestite da COPI): una sequenza di 4 amminoacidi (KDEL: K = lisina, D = acido aspartico, E = acido glutammico, L = Leucina. KXXX: K = lisina, X = qualsiasi aminoacido) presente sull’estremità C-terminale di alcune proteine solubili e di membrana (rispettivamente) residenti nel reticolo endoplasmatico. Se queste sfuggono al reticolo endoplasmatico, vengono recuperate grazie a questi segnali che interagiscono col COPI e ritornano al reticolo endoplasmatico.
• Mannosio-6-fosfato (esempio dello smistamento e trasporto di enzimi lisosomali/smistamento delle proteine al TGN): il segnale di indirizzamento per i lisosomi. Le proteine dirette ai lisosomi vengono prodotte nel reticolo endoplasmatico, il quale ne aggiunge il mannosio. Poi, nel reticolo cis del Golgi avviene la fosforilazione e nel reticolo trans il riconoscimento (dai recettori per il mannosio-6-fosfato, detti MPR) ed impacchettamento in vescicole da destinare ai lisosomi. Tutte le proteine destinate al lisosoma sono marcate con una glicosilazione di mannosio-6-fosfato.
* i residui di mannosio fosforilato - funzionano come segnali di riconoscimento - mancano nelle altre proteine smistate nel TGN
