COMPARTIMENTAZIONE CELLULE | Dispense di Citologia

LA COMPARTIMENTAZIONE CELLULARE: il Reticolo Endoplasmatico

Durante un qualunque momento della vita cellulare nulla è statico (anche nei neuroni), tutto è in

continuo divenire, ad esempio lo spostamento di Vescicole endocitate e esocitate. Il reticolo

endoplasmatico (RE) è quello più vicino al nucleo, ed è un sistema di tubuli delimitato da

membrane, la cui origine è dall'involucro nucleare. Occupa circa il 10% del volume di una cellula

e conosciamo due tipi di reticolo endoplasmatico, liscio e ruvido. Serve perché è un deposito di

calcio ed è un sito di biosintesi di lipidi e proteine, quindi è struttura importante per il

metabolismo cellulare e il corretto funzionamento. Fullam, Porter e Claude lo hanno chiamato

così perché aveva un aspetto reticolare paragonandolo al pizzo. Il RE liscio e ruvido possono

coesistere nella cellula, ma normalmente si ha la prevalenza di uno rispetto all’altro.

• Reticolo liscio è associato all'immagazzinamento di calcio e alla biosintesi dei lipidi.

Presenta un lume di 30-60 nm. Esiste reticolo sarcoplasmatico è liscio e si trova nella fibra

muscolare, e serve per l’immagazzinamento di ioni Ca2+ che servono per la contrazione

muscolare

• Reticolo ruvido è associato alla sintesi proteica. Presenta un lume di circa 20-30 nm,

Esiste una metodica per ottenere le immagini al microscopio del RE: si fa un omogenato, le

cellule vengono rotte e estratte. Viene fatto un mescolamento di queste membrane e si

ottengono delle piccole cisterne che prendono il nome di microsomi, i quali sono sia lisci che

rugosi. Si fa una centrifugazione e si può separare il RE liscio da quello ruvido perché le vescicole

lisce non contengono i ribosomi e sono più leggere. Questa centrifugazione avviene in un

gradiente di concentrazione di saccarosio, in cui si ha una maggiore concentrazione alla base. A

cosa servono i ribosomi sulla superficie della membrana del RE? Sono coinvolti nella sintesi

proteica e operano la sintesi di proteine che devono entrare nel lume del RE.Come fa una

proteina ad essere sintetizzata ed entrare nel lume del RE? Non tutte le proteine devono entrare

ma solo alcune dotate di segnale di trasporto, costituito da una sequenza specifica di

amminoacidi riconosciuta da un traslocatore. Ci sono due modi perché una proteina venga

traslocata all’interno di un organulo:

• traslocazione post-traslazionale

• traslocazione post-traduzionale dove la traduzione è quella dell’mRNA in una proteina che

è libera nel citoplasma e presenta un segnale di indirizzamento, che viene riconosciuto da un

traslocatore e la proteina viene lasciata passare all’interno del lume; mentre per la trascrizione

co-traduzionale (avviene SOLO nel RE), la sintesi proteica inizia nel citoplasma e il primo tratto

della proteina porta una sequenza segnale. La sintesi si blocca subito dopo che questa sequenza

viene riconosciuta da un traslocatore e il ribosoma(con la seq) viene portato in prossimità della

membrana plasmatica, riprese la sintesi proteica e la proteina che cresce entra nel lume

dell’organulo bersaglio. Questo ci fa capire che i ribosomi non sono fissi.

Nei ribosomi abbiamo le due estremità ribosomiali libere perché non hanno ancora incontrato un

mRNA da tradurre che permetta loro di operare una sintesi proteica. Quando lo incontrano le due

estremità dei ribosomi si legano e inizia la sintesi con l’intervento del tRNA che porta

l’amminoacido all’anticodone che riconosce il codone. Subito dopo la sintesi, il complesso

subunità-mRNA viene riconosciuto da un traslocatore che lo lega a sé e per un attimo si è

bloccata la sintesi proteica, che poi però continua. La sequenza segnale è solo di riconoscimento,

e, quindi, una volta legato non serve più e viene tagliata da un enzima chiamato peptidasi del

segnale. Ora il terminale amminico è libero e può entrare nel lume e nel frattempo la sintesi

della proteina va avanti.

Come fa, però, la sequenza segnale ad essere riconosciuta dal traslocatore? Il ribosoma sta nel

citoplasma, il traslocatore sulla membrana del RER quindi c’è un tramite tra le due cose che si

chiama particella SRP formata da RNA e proteine. Si hanno dei punti chiamati domini che vanno

a riconoscere diverse cose. Ad esempio, un dominio che riconoscerà la sequenza segnale tipica

del RE e poi un altro chiamato dominio di pausa andrà a bloccare il ribosoma, interrompendo la

sintesi proteica a seguito di un cambiamento conformazionale della proteina SRP, che si piega,

dovuto al legame con la sequenza segnale. In questo modo si è formato un complesso che

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LA COMPARTIMENTAZIONE CELLULARE: il Reticolo Endoplasmatico Durante un qualunque momento della vita cellulare nulla è statico (anche nei neuroni), tutto è in continuo divenire, ad esempio lo spostamento di Vescicole endocitate e esocitate. Il reticolo endoplasmatico (RE) è quello più vicino al nucleo, ed è un sistema di tubuli delimitato da membrane, la cui origine è dall'involucro nucleare. Occupa circa il 10% del volume di una cellula e conosciamo due tipi di reticolo endoplasmatico, liscio e ruvido. Serve perché è un deposito di calcio ed è un sito di biosintesi di lipidi e proteine, quindi è struttura importante per il metabolismo cellulare e il corretto funzionamento. Fullam, Porter e Claude lo hanno chiamato così perché aveva un aspetto reticolare paragonandolo al pizzo. Il RE liscio e ruvido possono coesistere nella cellula, ma normalmente si ha la prevalenza di uno rispetto all’altro.

Reticolo liscio è associato all'immagazzinamento di calcio e alla biosintesi dei lipidi. Presenta un lume di 30-60 nm. Esiste reticolo sarcoplasmatico è liscio e si trova nella fibra muscolare, e serve per l’immagazzinamento di ioni Ca2+ che servono per la contrazione muscolare
Reticolo ruvido è associato alla sintesi proteica. Presenta un lume di circa 20-30 nm, Esiste una metodica per ottenere le immagini al microscopio del RE: si fa un omogenato, le cellule vengono rotte e estratte. Viene fatto un mescolamento di queste membrane e si ottengono delle piccole cisterne che prendono il nome di microsomi, i quali sono sia lisci che rugosi. Si fa una centrifugazione e si può separare il RE liscio da quello ruvido perché le vescicole lisce non contengono i ribosomi e sono più leggere. Questa centrifugazione avviene in un gradiente di concentrazione di saccarosio, in cui si ha una maggiore concentrazione alla base. A cosa servono i ribosomi sulla superficie della membrana del RE? Sono coinvolti nella sintesi proteica e operano la sintesi di proteine che devono entrare nel lume del RE.Come fa una proteina ad essere sintetizzata ed entrare nel lume del RE? Non tutte le proteine devono entrare ma solo alcune dotate di segnale di trasporto, costituito da una sequenza specifica di amminoacidi riconosciuta da un traslocatore. Ci sono due modi perché una proteina venga traslocata all’interno di un organulo:
traslocazione post-traslazionale
traslocazione post-traduzionale dove la traduzione è quella dell’mRNA in una proteina che è libera nel citoplasma e presenta un segnale di indirizzamento, che viene riconosciuto da un traslocatore e la proteina viene lasciata passare all’interno del lume; mentre per la trascrizione co-traduzionale (avviene SOLO nel RE), la sintesi proteica inizia nel citoplasma e il primo tratto della proteina porta una sequenza segnale. La sintesi si blocca subito dopo che questa sequenza viene riconosciuta da un traslocatore e il ribosoma(con la seq) viene portato in prossimità della membrana plasmatica, riprese la sintesi proteica e la proteina che cresce entra nel lume dell’organulo bersaglio. Questo ci fa capire che i ribosomi non sono fissi. Nei ribosomi abbiamo le due estremità ribosomiali libere perché non hanno ancora incontrato un mRNA da tradurre che permetta loro di operare una sintesi proteica. Quando lo incontrano le due estremità dei ribosomi si legano e inizia la sintesi con l’intervento del tRNA che porta l’amminoacido all’anticodone che riconosce il codone. Subito dopo la sintesi, il complesso subunità-mRNA viene riconosciuto da un traslocatore che lo lega a sé e per un attimo si è bloccata la sintesi proteica, che poi però continua. La sequenza segnale è solo di riconoscimento, e, quindi, una volta legato non serve più e viene tagliata da un enzima chiamato peptidasi del segnale. Ora il terminale amminico è libero e può entrare nel lume e nel frattempo la sintesi della proteina va avanti. Come fa, però, la sequenza segnale ad essere riconosciuta dal traslocatore? Il ribosoma sta nel citoplasma, il traslocatore sulla membrana del RER quindi c’è un tramite tra le due cose che si chiama particella SRP formata da RNA e proteine. Si hanno dei punti chiamati domini che vanno a riconoscere diverse cose. Ad esempio, un dominio che riconoscerà la sequenza segnale tipica del RE e poi un altro chiamato dominio di pausa andrà a bloccare il ribosoma, interrompendo la sintesi proteica a seguito di un cambiamento conformazionale della proteina SRP, che si piega, dovuto al legame con la sequenza segnale. In questo modo si è formato un complesso che

comprende una parte di proteina, le due subunità ribosomiali e la particella SRP. Il traslocatore, in realtà, non riconosce direttamente il segnale ma c’è un recettore per la SRP, una proteina transmembrana, e tutto il complesso verrà trasferito al traslocatore che possiederà un sito di legame e riconoscimento per la sequenza segnale, si tirerà dietro le due subunità e la sintesi riprenderà. Quando la particella SRP si lega al suo recettore avviene un cambio conformazionale che permette il distacco della particella SRP dalla sequenza segnale. La particella SRP si stacca e va libera nel citoplasma a cercare altri segnali di traslocazione verso il RE. Se la proteina ha la sequenza segnale nel terminale amminico, la sequenza si lega al traslocatore, la sintesi continua, interviene la peptidasi del segnale che taglia la sequenza ev la proteina entra, durante la sua sintesi, prima come un’ansa e poi viene liberata nel lume del RE e la prima parte che entrerà nel lume è quella del terminale amminico. Quando durante la sintesi è presente una sequenza di aminoacidi idrofobici, essa rimane bloccata nel doppio strato fosfolipidico e agisce come una sequenza di stop, quindi non si trasloca più. La peptidasi del segnale taglia la sequenza segnale e la proteina rimane intrappolata nella membrana con il terminale amminico nel versante del lume del RE e il terminale carbossilico a livello del citoplasma. Se si avrà che il terminale amminico rimane esposto, la sequenza segnale sarà la sequenza transmembrana e quindi non viene tagliata perché non è libera. Il trasporto vescicolare La trasformazione più importante che avviene nel RE è la glicosilazione, cioè l’aggiunta di zuccheri alle proteine. Si chiama N-glicosilazione e avviene solo nel RER. Tale processo continuerà nell’apparato di Golgi per l’indirizzamento delle proteine alla membrana plasmatica, ai lisosomi e alle vescicole. La glicosilazione consiste nel trasferimento, tramite enzima, la oligosaccaride-dolicol-transferasi, di 14 zuccheri (se gli ho tutti proteina non ancora matura) ad 1 proteina che sta entrando nel lume del RE. Gli zuccheri sono di 3 tipi e corrispondono a 9 di mannosio, 3 di glucosio e 2 di N-acetilglucosammina. La N-glicosilazione avviene soltanto su 1 azoto che appartiene ad un aminoacido specifico, l'asparagina. Nel citoplasma ci sono altri tipi di glicosilazione delle proteine: A livello del gruppo–OH che è detta O-glicosilazione. Succede nel momento in cui la proteina ha una struttura primaria perché in altri casi l’azoto potrebbe essere mascherato. I 14 residui zuccherini sono agganciati ad un lipide, il dolicolo. L’enzima va ad agire a livello dei 14 residui zuccherini, li stacca dal dolicolo e li trasferisce all’azoto dell’asparagina. I residui vengono aggiunti uno alla volta. Il dolicolo e gli zuccheri poi si trovano nel versante luminale del RER, ma il dolicolo inizia il legame con gli zuccheri sul versante citosolico. Dopo il legame con il primo mannosio si ha un ribaltamento che porta i residui zuccherini verso il lume del RE (evento di flip- flop). Non tutti i residui zuccherini giungono fino alla fine ma alcuni vengono eliminati, 3 di glucosio e 1 mannosio. La proteina poi, va incontro al folding (ripiegamento, cioè struttura secondaria e terziaria) controllato da proteine, le “chaperonine” (chiamate Bip). poiché da un corretto ripiegamento ne dipende anche la funzionalità Le proteine correttamente “folded”, vengono smistate all’apparato di Golgi invece quelle non corrette vengono traslocate nel citoplasma e degradate da specifici complessi enzimatici, i proteosomi. Nella proteina glicosata non ripiegata, vengono eliminati 2 glucosi, la proteina viene ripiegata e riconosciuta da una proteina di membrana del RE, la calnexina (una chaperonina), che ne controlla il corretto ripiegamento. Se il ripiegamento è corretto viene eliminato un altro glucosio così la proteina può essere trasportata nell’apparato di Golgi tramite vescicole. Se invece non è corretto, la proteina viene riconosciuta da un’altra chaperonina,che aggiunge di nuovo il glucosio e il processo si ripete. Se la proteina continua a non essere ripiegata correttamente va incontro a degradazione oppure esce nel citoplasma tramite dei traslocatori e riconosciuta da un enzima chiamato N- glicanasi, il quale va a togliere tutti i residui zuccherini rimasti. La proteina viene marcata da un marker chiamato ubiquitina in modo che venga riconosciuta e distrutta dal proteosoma. Gli aminoacidi vengono poi riutilizzati dalla cellula. Nel REL invece avviene la sintesi di fosfolipidi destinati alle membrane cellulari. Il traffico vescicolare, regola il trasporto di materiale tra gli organelli tramite vie esocitotiche (secrezione verso l’esterno) ed endocitotiche (ingresso di materiale).Il corretto scambio tra organelli, come tra RE e Golgi, garantisce l’equilibrio funzionale della cellula.

fosfatidilinositolo e si trovano in diversi punti perché il fosfatidilinositolo è un marcatore di determinate zone delle membrane. FUSIONE VESCICOLARE Le vescicole, se libere nel citoplasma senza rivestimento (che serve solo per promuovere la gemmazione), devono andare verso un organello bersaglio grazie a delle molecole proteiche come Le v-SNARE sono proteine transmembrana presenti a livello della vescicola e hanno una catena polipeptidica transmembrana, e le t-SNARE (t=target,) si trovano a livello della membrana dell’organello bersaglio e hanno 3 catene polipeptidiche, tra cui una transmembrana. La parte extracitoplasmatica della v-SNARE si va ad avvolgere alle 3 catene della t-SNARE. Non è un legame casuale, ma ci sono 35 differenti SNARE, ognuna associata a uno specifico organello delle vie secretoria o endocitica (ogni v-SNARE ha il suo t-SNARE). Questo legame tra le SNARE avvicina molto le membrane della vescicola e dell’organello bersaglio, ma bisogna ricordare che il citoplasma è costituito da circa 70% d’acqua, ed va esclusa nella fusione delle membrane. A seguito di una fusione dei doppi strati fosfolipidici, prima quello esterno e poi la fusione del monostrato della vescicola e dell’organello bersaglio, si riversa poi il contenuto all’interno del’organello bersaglio. Cosa succede nell’apparato di Golgi? Ci sono casi in cui due vescicole si fondono tra loro, formando gruppi vescicolari tubulari che avranno sia le v-SNARE che le t-SNARE. Quindi, dal RE gemmano alcune vescicole che si fondono con quelle del Golgi. Le proteine che escono dal RE per andare a fondersi con l’apparato di Golgi sono le glicoproteine, che vengono processate nell’apparato di Golgi per assumere la conformazione finale di proteine funzionali. Alcune proteine del RE sono residenti in esso e quindi, non tutte vanno nel Golgi che però, possono sfuggire al controllo e venire portate al Golgi. Quelle residenti presentano una sequenza specifica, la KDEL. A questo punto avviene il trasporto retrogrado dal Golgi al RE tramite vescicole, senza subire nessuna modificazione. Il compartimento cis del Golgi è quello vicino al RE, quello trans vicino alla membrana plasmatica. Gli enzimi che vanno a modificare le glicoproteine, glicosilate su N, devono subire delle trasformazioni che subiscono in cisterne specifiche nel Golgi, cioè cis, intermedie o trans. Gli enzimi si trovano in uno specifico compartimento. Le vescicole che arrivano dal RE vengono selezionate nel compartimento cis, dove si verifica se le glicoproteine sono corrette, se devono essere modificate o se devono tornare nel RE. Solo quelle corrette, poi, vengono modificate, ad esempio, per essere destinata ai lisosomi. Sempre a livello del cis avviene una rimozione del mannosio, che avviene anche nelle cisterne intermedie, dove avviene anche l’aggiunta di N-acetilglucosammina. Nelle cisterne trans prossimali si ha inoltre un’aggiunta di galattosio e di acido sialico e nella porzione finale del trans si ha, ad esempio, una solfatazione. A questo punto si ha un’altra selezione: alcune glicoproteine vanno a finire nei lisosomi e altre proteine vengono inserite o in vescicole che andranno a fondersi con una membrana plasmatica (non regolata) o in vescicole secretorie che appartengono alla secrezione regolata. Esiste un modello diverso da quello descritto che sostiene che le vescicole che si vedono in prossimità del Golgi siano solo vescicole di trasporto retrogrado, mentre le glicoproteine, che sono in via di modificazione, passano direttamente attraverso le membrane del Golgi. I LISOSOMI è un organello, che ha forma di vescicola, circondato da membrana. Ha un numero di proteine molto glicosilate perché l’interno del lisosoma ha un pH molto acido e queste proteine servono a proteggerlo da questa acidità e dal contenuto del lisosoma. Inoltre la membrana del lisosoma deve consentire un meccanismo che mantenga acido il pH e quindi sono presenti molte pompe di ioni H+, pompati verso l’interno. Dentro al lisosoma ci sono enzimi che agiscono con pH acido che distruggono qualunque componente organico della cellula. I vari tipi di enzimi sono le nucleasi, le proteasi, le glicosidasi, le lipasi, le fosfatasi, le solfatasi e le fosfolipasi.Se si rompe un lisosoma gli enzimi non funzionano a pH neutro e quindi la cellula è salva.Il lisosoma andrà a fondersi con una vescicola contenente materiale da “digerire”, e così si parla di endolisosoma e quando il materiale sarà in via di digestione si parla di endosoma tardivo.

Nelle cellule vegetali i vacuoli sono lisosomi molto versatili. I vacuoli sono organelli di deposito per nutrienti o prodotti di rifiuto; controllano la pressione osmotica, mantenendo il turgore della cellula vegetale; controllano il pH (bilancia il pH del citoplasma, per farlo rimanere neutro, immagazzinando o liberando H+, con una pompa protonica) e conservano proteine (semi), aromi (aglio), pigmenti di antocianina. Tre diverse situazioni possono essere:

fagocitosi: si forma una vescicola (fagosoma) che ingloba un batterio che deve essere eliminato.
autofagia: meccanismo di eliminazioni di organelli invecchiati. Le membrane non si sa bene ancora da dove originano, si pensa dalla fusione di diverse vescicole che formano involucro, costituito da doppia membrana, attorno all’ organello invecchiato
endocitosi: riguarda delle piccole molecole che vengono endocitate dall’esterno, formando una vescicola endocitica, chiamata endosoma tardivo. Tutti i tre tipi di vescicole si uniscono con un lisosoma che contiene l’idrolasi acida, facendo in modo che il contenuto delle vescicole venga digerito. Come già detto, l’origine dell’involucro attorno ad un organello invecchiato non è ancora chiaro ma si fa riferimento ad un organello donatore, di cui non si sa l’origine, ma esso dona delle vescicole che si fondono in una struttura a coppa, alla quale si aggiungono altre vescicole che permettono la formazione dell’involucro costituito da una doppia membrana. Ci sono delle proteine che sono state individuate in questo processo, come la proteina ATG9 attiva nella formazione della struttura a coppa per poi formare l’involucro, e la proteina mTOR1 (complesso proteico chinasico) con funzione di segnalare lo scarto non in salute di una cellula o organello. Le glicoproteine che diventeranno enzimi lisosomiali vengono selezionate già a livello delle cisterne cis del Golgi perché contengono un segnale, che è il mannosio 6-fosfato che rimane fino alla fine del transito di queste proteine, di questi enzimi e fino all’inserimento in una vescicola lisosomiale. Questo mannosio 6-fosfato viene anche riconosciuto da un recettore, che si trova nella posizione trans del Golgi e che lo lega insieme alla proteina che ha già attaccata, cioè l’enzima lisosomiale. Questa vescicola che si forma è rivestita da clatrina, la quale si stacca dopo la gemmazione, e viene trasportata verso un endosoma precoce, dove si ha la fusione della sostanza che deve essere degradata con la vescicola che contiene enzimi lisosomiali. Il pH acido, poi, permette sia l’attività che l’attivazione degli enzimi e promuove il distacco tra il recettore e il mannosio 6-fosfato, il recettore diventa libero, si formano vescicole che portano indietro il recettore a livello delle cisterne del Golgi, l’enzima viene attivato con la rimozione del fosfato e può iniziare la digestione. TRE SITUAZIONI La cellula può variare la propria forma in diverse occasioni, tipo durante la fagocitosi grazie al citoscheletro. La cellula avvolge, un batterio formando una vescicola che viene portata all’interno della cellula verso il lisosoma. Con la pinocitosi (pino=bere) le particelle piccole, anche liquide, vengono portate all’interno con vescicola con rivestimento dovuto a proteine, come la cavina. Questo transito attraverso la cellula può avvenire attraverso vescicole e si chiama transcitosi. A livello del dominio basale si possono formare vescicole per endocitosi, il cui contenuto viene digerito da lisosomi, e successivamente la vescicola può andare verso l’esterno o le membrane delle vescicole possono essere riciclate e unite alla membrana plasmatica. Nella cellula epiteliale ci sono giunzioni e si ha quella che viene chiamata regionalizzazione di membrana perché, con le giunzioni, se una sostanza deve essere trasportata all’interno non ha senso che il trasportatore si trovi nella regione laterale perchè lì non avrebbe niente da trasportare. Inoltre, tutto ciò che è nel lume non può andare oltre perché bloccato dalle giunzioni. Il trasporto delle vescicole che dal Golgi vanno verso l’esterno prevede due vie:

perossisomi presentano lo stesso aspetto. Essi possono contenere diversi enzimi e possono anche adattarsi. Le cellule di lieviti che vengono fatte crescere in zucchero, ad esempio, hanno perossisomi piccoli; quando sono fatte crescere in metanolo, invece, sviluppano perossisomi + grandi che ossidano il metanolo. Un’ipotesi è che i perossisomi siano un vestigio di un antico organello che svolgeva tutto il metabolismo dell’ossigeno negli antenati ancestrali delle cellule eucariotiche. L’ossigeno prodotto da batteri fotosintesi aveva iniziato ad accumularsi nell’atmosfera e potrebbe essere stato tossico alla maggior parte delle cellule. I perossisomi potrebbero essere serviti ad abbassare la concentrazione intracellulare di ossigeno e allo stesso tempo avrebbero sfruttato la sua reattività chimica per svolgere reazioni ossidative. Assemblaggio perissosomi: Le proteine destinate ai perossisomi sono sintetizzate nei ribosomi liberi nel citoplasma e successivamente importate in perossisomi pre-esistenti sotto forma di catene polipeptidiche. L’importazione delle proteine dà origine alla crescita del perossisoma e alla formazione di nuovi perossisomi mediante divisione dei “vecchi” grazie ad un anello di costrizione, in un processo definito fissione. Non si conosce la funzione di tutte le perossine. Proteine indirizzate ai perossisomi hanno una sequenza segnale al C-terminale.

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