Biologia 2

Esocitosi e organelli cellulari

Uno dei segnali che induce l’esocitosi. Le cellule eucariotiche sono caratterizzate dal fatto di avere organelli interni.

Organelli cellulari

Organelli delimitati da membrana sono:

• Il nucleo
• Il reticolo endoplasmatico rugoso
• Il reticolo endoplasmatico liscio
• L’apparato di Golgi
• I mitocondri
• I lisosomi, che derivano dal Golgi
• I perossisomi, che derivano dal REL
• Le vescicole che transitano (derivati di organelli)

Poi nella cellula c'è il citoscheletro: microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi. Tutte le cellule hanno questi organuli; la distribuzione e la quantità di Golgi e di RER cambia a seconda del tipo di cellula, se è più specializzata o meno in alcune funzioni. Gli organelli che costituiscono il sistema di endomembrane collaborano tra loro in modi diversi. Gli organelli occupano parimenti al citoplasma circa la metà dello spazio.

Il ciclo vitale della cellula

Il ciclo vitale della cellula può essere scandito e suddiviso in momenti ben precisi: la fase di meiosi e quella di mitosi vengono indicate con M mentre le altre fasi vengono identificate come interfase. Ad esempio, nucleo interfasico significa che ha assunto una conformazione tipica di tutto il periodo di vita della cellula ad eccezione del momento della divisione cellulare. Nel momento della divisione, la cellula non soltanto divide il citoplasma tra le due cellule figlie ma anche il genoma, per cui, una volta che è stato duplicato, viene impacchettato; durante il periodo di vita della cellula, la cromatina è rilassata e meno compattata (cromatina interfasica) in quanto il DNA è racchiuso all’interno del nucleo in maniera dispersa.

Il termine cromatina indica l’insieme del contenuto del nucleo (DNA, proteine ed RNA) in quanto il DNA non è mai una doppia elica lasciata a se stessa, ma è sempre complessato a proteine strutturali, che aiutano il DNA a ripiegarsi e a compattarsi. Possono essere anche proteine funzionali, come gli enzimi che servono a copiare il DNA quando questo deve essere duplicato (ad esempio la DNA polimerasi) oppure che servono a sintetizzare l’RNA messaggero. La cromatina è composta anche da RNA in quanto questo viene sintetizzato insieme al DNA durante l’interfase e poi viene allontanato generalmente dal nucleo in modo tale da arrivare al citoplasma e svolgere qui le sue funzioni.

Se ci riferiamo a un 100% teorico, il DNA in realtà nella cromatina presenta soltanto il 35%, quindi una piccola parte di quella che potremmo associare a DNA, in quanto la cromatina è costituita da DNA, proteine e RNA presenti in rapporto di 35%, 60% e 5%, per cui le proteine, anche in questo caso, hanno un ruolo importante.

Le proteine presenti nel nucleo si dividono in due grandi classi: le proteine istoniche e quelle non istoniche. Le proteine istoniche sono proteine diverse l’una dall’altra ma che hanno in comune alcune caratteristiche che le rendono così peculiari e specifiche per la funzione che svolgono. Sono proteine altamente basiche, un attributo importante poiché la loro basicità rende conto della loro capacità di legarsi al DNA (acido desossiribonucleico), caratterizzato da acidità che facilita l’interazione con le proteine che ne permettono la struttura tridimensionale e la compattazione. Tra istoni e DNA si hanno legami elettrostatici deboli che, data la numerosità, ne rendono salda l'interazione, la quale è reversibile a seconda della fase cellulare.

Le proteine non istoniche sono tutte quelle prive di queste caratteristiche e possono essere molto diverse tra di loro e avere varie funzioni:

• DNA polimerasi, i cui enzimi copiano un filamento di DNA in un altro filamento di DNA identico
• RNA polimerasi, cioè enzimi che sulla base di un filamento di DNA riescono a sintetizzare RNA
• Proteine funzionali, come le proteine SSB (Single-strand binding protein) che sono in grado di legare un filamento di DNA a singolo filamento, infatti agiscono come dei separatori che tengono aperta la doppia elica per tutta la duplicazione e successivamente si distaccano e restano all'interno del nucleo.

Cromatina

La cromatina si distingue in eucromatina ed eterocromatina: la prima è formata da DNA disperso funzionalmente attivo, cioè durante l'interfase non è impacchettato in maniera stretta intorno agli istoni e quindi essendo abbastanza lasso è facilmente accessibile alle proteine non istoniche, per cui è utilizzabile dalla RNA polimerasi per copiare un gene. Dunque è una cromatina che può essere usata dalla cellula come stampo per la sintesi di RNA e quindi di proteine a livello del citoplasma.

L'eterocromatina, invece, è quella regione del nucleo dove la cromatina è altamente compattata; infatti vi sono alcune regioni del DNA che anche durante l'interfase sono strettamente impacchettate agli istoni e quindi non possono essere utilizzate dalla cellula per copiare i geni che le compongono e sintetizzare le relative proteine: ad esempio una cellula del pancreas delle isole di Langherans che produce insulina, glucagone ed altri ormoni, ed un adipocita sono formati dallo stesso DNA, ma in tessuti diversi cellule diverse riescono ad usarlo in maniera differente (differenziamento cellulare).

L'eterocromatina contiene dunque i geni che non servono a tale cellula, mentre l'eucromatina contiene i geni necessari alla cellula. Le cellule umane hanno 46 cromosomi organizzate in 22 coppie di cromosomi e 2 autosomi sessuali e l'insieme di questi cromosomi contiene all’incirca 3 miliardi di paia di basi; se srotolate, tutte le paia di basi presenti nell'organismo umano coprono la distanza di circa 70 viaggi andata e ritorno dalla Terra al Sole.

Istoni

Gli istoni sono proteine basiche che hanno tutte le stesse caratteristiche (fortemente basiche e ricche di gruppi positivi), anche se si distinguono diversi tipi di istone: ad esempio un nucleosoma, l’unità di base intorno alla quale si avvolge il DNA, è composto da istoni H2A, H2B, H3 e H4 che due a due si uniscono a formare un ottetto affinché vi si possano avvolgere 2 giri completi di DNA; il nucleosoma è dunque l'unità di base di compattazione del DNA, anche se non tutto vi è avvolto in maniera continua in quanto esistono regioni libere composte da circa 140 paia di basi tra un nucleosoma e il nucleosoma successivo.

La regione di DNA libero tende ad associarsi ad un altro tipo di istone, quello H1, che rafforza e ravvicina i nucleosomi uno vicino all'altro; il primo livello di compattazione è il nucleosoma, e il secondo è composto da tanti nucleosomi e si chiama collana di perle, mentre il terzo è costituito da molte colane di perle e prende il nome di fibra 30 nanometri, la quale forma delle anse che vengono avvicinate a formare il cromosoma attivo che si compatta ulteriormente a formare il cromosoma metafasico.

Ribosomi

I ribosomi sono presenti sia nei procarioti che negli eucarioti e sono in numero molto elevato poiché servono per la sintesi delle proteine; sono costituiti da 2/3 RNA e 1/3 proteine, i primi sintetizzati nel nucleolo e le seconde trascritte sotto forma di RNA messaggero nel nucleo e poi tradotte nei ribosomi stessi. Sono costituiti da una subunità minore e una maggiore che si avvicinano l’una all’altra in modo tale da sintetizzare le proteine; la dimensione varia negli eucarioti (80S), in cui la subunità maggiore è 60S e la minore è 40S, e nei procarioti (70S), in cui invece si hanno rispettivamente 50S e 30S (S=Svedberg, cioè la costante di sedimentazione una volta che si è in centrifuga).

Le due subunità maggiore e minore stanno insieme grazie a interazioni ioniche e ioni Mg²⁺; inoltre, nella subunità maggiore è presente l’enzima amminoacil tRNA sintetasi, deputato alla formazione del legame peptidico. È un ribozima e ha un sito catalitico, poiché è in grado di catalizzare la reazione enzimatica del legame peptidico; la subunità maggiore e quella minore si uniscono a formare una sorta di sandwich al cui interno si va a posizionare l’mRNA, formato da ribonucleotidi l’uno legato all’altro da legame fosfodiesterico, che serve per dare inizio alla traduzione delle proteine, polimeri di amminoacidi tenuti insieme da legami peptidici.

All’interno della subunità maggiore sono presenti delle cavità (sito A, sito P e sito E) che si formano quando anche la subunità minore è avvicinata e nel primo arriva l’amminoacido portato dal tRNA messaggero, nel secondo avviene la formazione del legame peptidico e nel terzo si ha l’uscita del tRNA che ormai si è scaricato in quanto ha lasciato il proprio amminoacido. Esistono ribosomi liberi nel citoplasma e ribosomi legati al reticolo endoplasmatico rugoso: entrambi sono capaci di sintetizzare proteine, ma le prime rimarranno all’interno del citoplasma, mentre le seconde sono destinate alla secrezione (possono essere rilasciate all’esterno della cellula, come gli anticorpi, o legate alla membrana plasmatica); le proteine citoplasmatiche possono essere parte del citoscheletro, proteine la cui azione deve svolgersi all’interno del citoplasma o che devono essere trasferite al nucleo passando attraverso i pori nucleari. Le proteine sintetizzate nel citoplasma possono inoltre essere istoni, i quali devono essere trasportati nel nucleo.

Reticolo Endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico (RE) può essere rugoso (R) o liscio (S). Al primo si attaccano i ribosomi, mentre il secondo ha funzioni completamente diverse pur essendo di fatto lo stesso organello; in continuità con la membrana nucleare esterna, è costituito da un sistema ininterrotto di tubuli membranosi che formano cavità intercomunicanti spesso estese a tutta la cellula e lo spazio interno che si viene a formare è chiamato lume.

Il reticolo endoplasmatico liscio è la sede di sintesi degli acidi grassi e dei fosfolipidi, quindi è la sede di sintesi delle membrane biologiche, ed inoltre sequestrano il calcio dal citosol, responsabile ad esempio delle reazioni muscolari, e viene rilasciato in grande quantità al momento del bisogno. In alcuni tipi cellulari è particolarmente sviluppato e ricco di enzimi, come nelle cellule epatiche, le quali modificano o detossificano sostanze chimiche idrofobiche quali pesticidi, composti cancerogeni, trasformandoli in prodotti maggiormente idrosolubili che vengono escreti nel corpo, o altre molecole organiche quali l’alcool e droghe. Inoltre, nelle gonadi è la sede di sintesi di testosterone, estrogeno e progesterone; nel surrene produce ormoni corticosurrenali (cortisolo e aldosterone).

Il reticolo endoplasmatico rugoso (RER) è fondamentale nella sintesi e nell’assemblaggio delle proteine destinate alla membrana; vi sono assenze di soluzioni di continuità tra RER e REL, in quanto il primo, in seguito alla perdita di ribosomi, si trasforma nel secondo. Le proteine sono distinguibili in base alla destinazione in:

• Proteine intracellulari, che vengono secrete direttamente nel citoplasma.
• Proteine transmembrana, secretive e componenti dei lisosomi vengono sintetizzate dai ribosomi adesi alla membrana del RER e attraverso l’apparato del Golgi giungeranno a destinazione.

Una volta unite subunità maggiore e minore, inizia la sintesi proteica, costituita da polimeri di amminoacidi che, nel caso dei ribosomi legati al RER, vengono inseriti all’interno del lume del RE.

Apparato del Golgi

L’apparato del Golgi è una struttura piuttosto singolare nella sua composizione in quanto formato da dischi membranosi appiattiti, chiamati sacculi (nelle cellule vegetali è detto dittiosoma); la dimensione dei sacculi cambia a partire dal lato cis, cioè quello più vicino al nucleo, in cui è più piccola, successivamente si allarga e tende a rimpicciolirsi anche dal lato trans. I sacculi tendono ad impilarsi uno sopra l’altro e sono delimitati da membrana, che determina il lume interno degli stessi.

Nel RER si ha la sintesi delle proteine destinate alla secrezione, le quali arrivano alla membrana generalmente tramite vescicolazione, in quanto si ha la formazione di una vescicola contenente la proteina, la quale si muove nel citoplasma fino a raggiungere la superficie cis del primo sacculo del Golgi, dove si fonde con esso. In seguito alla fusione si ha dunque l’immissione del contenuto della vescicola nel compartimento di destinazione; dal primo sacculo si stacca un’altra vescicola che si fonde al secondo e così via fino ad arrivare alla faccia trans, da cui si stacca una vescicola che può andare a fondersi con la membrana plasmatica, dando luogo al processo dell’esocitosi.

È necessario che la vescicola si fonda alla faccia cis, da cui se ne forma un’altra che va al sacculo successivo e così via fino all’esterno in quanto il Golgi è una struttura all’interno della quale le proteine vengono modificate: hanno qui luogo infatti le modificazioni post-traduzionali; infatti il passaggio tra le varie cisterne determina la N-glicosidazione, ovvero l’aggiunta di zuccheri sui residui di N degli amminoacidi, o la O-glicosidazione, ovvero l’aggiunta di zuccheri sui gruppi O degli amminoacidi. È dunque necessaria una coordinazione precisa tra i vari compartimenti che assolvono a funzioni differenti.

Esistono una sorta di “segnali di riconoscimento” che indicano la destinazione della proteina, chiamate sequenze segnali o segnali di smistamento, e sono insite nella sequenza amminoacidica; tali sequenze sono fondamentali poiché la cellula possa capire il destino finale delle proteine. Ad esempio, le proteine che devono entrare nel nucleo devono passare attraverso il poro nucleare, il quale determina se la proteina può entrare o meno in base alle sue caratteristiche intrinseche, cioè dagli amminoacidi che la compongono.

La maggior parte delle proteine non ha un segnale di smistamento e quindi rimane nel citosol; le altre però, che hanno specifici segnali di smistamento, vengono trasportate dal citosol a: nucleo, reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi, mitocondri e perossisomi. Esiste il trasporto regolato in cui le proteine si muovono fra citosol e nucleo attraverso i complessi dei pori nucleari, presenti nella membrana del nucleo, il trasporto transmembrana in cui specifiche proteine traslocatrici legate alla membrana trasportano direttamente proteine specifiche attraverso una membrana dal citosol in uno spazio topologicamente diverso (es. mitocondri, RE), ed infine il trasporto vescicolare in cui intermedi di trasporto racchiusi da membrana, quali piccole vescicole sferiche di trasporto, traghettano le proteine da un compartimento all’altro (es. dal RE al Golgi). La prima parte delle proteine contiene, se presenti, le sequenze segnale, le quali vengono tagliate una volta indirizzate al compartimento corretto.

Lisosomi

I lisosomi sono organelli delimitati da una membrana simile a quella della membrana plasmatica e si formano per gemmazione dall’apparato del Golgi; sono caratteristici poiché il loro lume ha un pH acido 4,2 e contiene circa 40-50 enzimi idrolitici, cioè in grado di degradare macromolecole inglobate per endocitosi o le componenti cellulari danneggiate. I lisosomi hanno dunque funzione di manutenzione e difesa e si distinguono in lisosomi primari e lisosomi secondari.

Gli enzimi lisosomiali sono idrolasi acide, attive al pH acido dei lisosomi (circa 5), ma non al pH neutro del citoplasma; tale meccanismo protegge la cellula da un’eventuale rottura della membrana del lisosoma. Il pH acido all’interno dei lisosomi è assicurato dalla presenza nella membrana di una pompa protonica, che trasporta attivamente (mediante l’idrolisi di ATP) H⁺ protoni dal citosol nei lisosomi, ottenendo una concentrazione di circa 100 volte più alta rispetto al citosol.

Le funzioni lisosomiali possono essere schematicamente suddivise in tre tipi principali:

• Degradazione lisosoma-mediata, nella quale i lisosomi sono coinvolti nel processo di degradazione e riciclo di materiale extracellulare attraverso l’endocitosi, come ad esempio la fagocitosi, la macropinocitosi, l’endocitosi clatrina-mediata, l’endocitosi caveolina-mediata e l’endocitosi caveolina e clatrina-indipendente. Il materiale intracellulare invece raggiunge i lisosomi attraverso il processo di autofagia, un processo catabolico di “autodigestione” che è utilizzato dalle cellule per catturare i propri componenti citoplasmatici destinati alla degradazione e al riciclo.
• Secrezione, in quanto i lisosomi possono secernere i loro contenuti nello spazio extracellulare attraverso un processo chiamato esocitosi lisosomiale, che può essere rilevata dalla traslocazione di proteine di membrana lisosomiali sulla membrana plasmatica, attraverso la formazione di vescicole, le quali possono seguire due vie: secrezione (o esocitosi costituiva) e secrezione regolata.
• Regolazione del segnale cellulare (signaling)

Le malattie da accumulo lisosomiale sono un’eterogenea famiglia di patologie, circa 50, dovute a diversi deficit enzimatici:

• Assenza totale
• Presenza dell’enzima ma inattivo
• Enzima sintetizzato ma incapace di raggiungere i lisosomi
• Instabilità a pH acido
• Misfolding (malconformazione nella struttura terziaria)
• Difetto nel trasporto

Tali deficit determinano a livello dei lisosomi l’impossibilità di degradare uno specifico substrato, a cui consegue un accumulo di metaboliti o sostanze nei lisosomi con perdita di funzionalità cellulare:

• Attivazione di una risposta infiammatoria
• Alterato traffico intracellulare di vescicole, membrane e proteine legate alle membrane
• Alterazione dei meccanismi legati all’autofagia

Perossisomi

I perossisomi provengono per gemmazione dal reticolo endoplasmatico liscio e hanno un diametro di 0,2-1 μm e sono circondati da una singola membrana.