Cellula eucariotica

DELLE PROTEINE

Si può iniziare raggruppando i vari compartimenti delle cellule eucariote in tre categorie:

1) il sistema di endomembrane, un sistema di compartimenti membranari interconnessi che include il

reticolo endoplasmatico (RE), l’apparato del Golgi, i lisosomi, le vescicole secretorie, l’involucro

nucleare e la membrana plasmatica;

2) il citosol;

3) mitocondri, cloroplasti, perossisomi (e organelli correlati) e l’interno del nucleo.

Ognuno di questi polipeptidi deve quindi essere indirizzato al corretto compartimento cellulare, per cui deve

contenere qualche tipo di “codice postale” molecolare che assicuri il suo invio alla corretta destinazione. Le

proteine nucleari destinate ai mitocondri utilizzano una sequenza di transito verso il corretto bersaglio.

I polipeptidi codificati dai geni nucleari sono indirizzati ai compartimenti cellulari mediante una varietà di

meccanismi diversi. In ciascun caso, il processo comincia con la trascrizione del DNA in molecole di RNA, che

sono maturate nel nucleo e quindi trasportate per la traduzione, attraverso i pori nucleari, nel citoplasma,

dove è presente la maggior parte dei ribosomi.

Una volta giunti nel citoplasma, questi mRNA si associano ai ribosomi liberi (ribosomi non legati ad alcuna

membrana). Poco dopo l’inizio della traduzione, due principali vie di smistamento dei polipeptidi

neosintetizzati cominciano a divergere (Figura 12.7). La prima via è utilizzata dai polipeptidi destinati sia al

citosol sia a mitocondri, cloroplasti, perossisomi e all’interno del nucleo. I ribosomi che sintetizzano questi

polipeptidi rimangono liberi nel citosol, non legati ad alcuna membrana. Dopo che la traduzione è stata

completata, i polipeptidi sono rilasciati dai ribosomi e possono rimanere nel citosol come destinazione finale

o essere introdotti

nell’appropriato organello.

L’introduzione di questi

polipeptidi completamente

sintetizzati negli organelli

richiede la presenza di

particolari segnali di

indirizzamento e viene

definita importazione post-

traduzionale. Nel caso del

nucleo, i polipeptidi entrano

attraverso i pori nucleari.

L’ingresso dei polipeptidi in

mitocondri, cloroplasti e

perossisomi coinvolge, come

vedremo tra breve, un

meccanismo diverso.

La seconda via è utilizzata dai ribosomi che sintetizzano i polipeptidi destinati al sistema di endomembrane o

all’esportazione dalla cellula. Tali ribosomi si legano presto durante il processo di traduzione alle membrane 15

del RE. Mano a mano che la sintesi procede, le catene polipeptidiche in allungamento sono trasferite

attraverso la membrana del RE nel lume del RE. Questo trasferimento di polipeptidi nel RE è chiamato

importazione co-traduzionale, poiché il movimento dei polipeptidi attraverso o all’interno della membrana

del RE è direttamente accoppiato al processo traduzionale.

Il successivo convogliamento di queste proteine dal RE alla loro destinazione finale è effettuato da varie

vescicole membranose e dall’apparato del Golgi

1) Mentre i ribosomi del RE rugoso sintetizzano le proteine, queste entrano nel lume del RE, dove si

verificano le fasi iniziali della glicosilazione.

2) Le vescicole di transizione trasportano le proteine glicosilate e i lipidi neosintetizzati al CGN.

3) I lipidi e le proteine si spostano attraverso le cisterne della pila del Golgi.

4) Al TGN, alcune vescicole gemmano per dare origine alle vescicole secretorie che rilasciano per

esocitosi i loro contenuti nella membrana plasmatica

4) Altre vescicole gemmano dal TGN per formare gli endosomi che, a loro volta, contribuiscono alla

formazione dei lisosomi. ❶ Contemporaneamente, proteine e altre sostanze vengono internalizzate

nella cellula per endocitosi, formando quindi vescicole di endocitosi che si fondono con gli endosomi

precoci. ❷ Gli endosomi precoci, che contengono sostanze destinate alla digestione, maturano

formando endosomi tardivi e poi lisosomi. ❸ Il movimento retrogrado permette il ritorno delle proteine

compartimento-specifiche ai compartimenti iniziali.

RE rugoso e liscio

I due tipi fondamentali di reticolo endoplasmatico presenti nelle cellule eucariote in genere sono distinti l’uno

dall’altro in base alla presenza o assenza di ribosomi attaccati alla membrana che li delimita. Il reticolo 16

endoplasmatico rugoso (RE rugoso o ruvido) è caratterizzato da ribosomi attaccati sul lato citosolico della

membrana, che si affaccia sul lato esterno rispetto al lume del RE. traduzione delle proteine da parte di questi

ribosomi inizia nel citosol, ma le proteine neosintetizzate entrano subito nel lume del RE. I ribosomi

contengono RNA, ed era questo RNA che reagiva fortemente con i coloranti basici usati inizialmente per

identificare il RE rugoso. Un sottodominio del RE rugoso, gli elementi transizionali (ET), riveste un ruolo

importante nella formazione delle vescicole di transizione che trasportano i lipidi e le proteine dal RE

all’apparato del Golgi. Al contrario, il reticolo endoplasmatico liscio (RE liscio) è così definito a causa

dell’assenza di ribosomi attaccati alla membrana (si veda la Figura 4.16c ) e nella cellula svolge ruoli che

coinvolgono l’elaborazione e l’immagazzinamento di sostanze non proteiche.

Il RE rugoso e quello liscio sono facilmente distinguibili dal punto di vista morfologico. e membrane del RE

rugoso, in genere, formano delle grosse sacche appiattite, mentre le membrane del RE liscio, di solito,

formano strutture tubulari. Gli elementi transizionali del RE rugoso rappresentano un’eccezione a questa

regola; essi assomigliano spesso al RE liscio. RE rugoso e liscio non sono però organelli distinti

Entrambi i tipi di RE sono presenti nella maggior parte delle cellule eucariote, ma le quantità relative variano

considerevolmente, a seconda dell’attività della cellula. Cellule coinvolte nella biosintesi di proteine di

secrezione, come le cellule del fegato e le cellule che producono gli enzimi digestivi, tendono ad avere sistemi

di RE rugoso molto cospicui. 17

RE rugoso

Molti tipi di cellule sono in grado di secernere le proteine sintetizzate dai ribosomi associati al reticolo

endoplasmatico rugoso. Per esempio, alcune cellule del pancreas sintetizzano a livello di ER rugoso l’insulina,

un ormone di natura proteica.

La maggior parte delle proteine che vengono secrete è costituita in realtà da glicoproteine, ovvero proteine

unite a carboidrati mediante legami covalenti. Il legame tra la componente glucidica e quella proteica viene

realizzato mediante l’intervento di enzimi prodotti a livello della membrana del reticolo endoplasmatico

rugoso.

La membrana dell’ER rugoso mantiene le proteine di

secrezione neoformate separate dalle altre proteine nel

citosol, che sono prodotte dai ribosomi liberi. Le proteine di

secrezione si allontanano dall’ER all’interno di vescicole

membranose che si formano da una specifica regione del

reticolo, definita ER di transito. Tali vescicole in transito da

una parte della cellula a un’altra vengono definite vescicole

di trasporto.

Oltre a sintetizzare le proteine di secrezione, il reticolo

endoplasmatico rugoso rappresenta la sede di produzione

delle membrane destinate alla cellula. Dal momento che i

polipeptidi destinati a divenire proteine di membrana si

originano dai ribosomi, tali molecole vengono inserite nella

membrana dello stesso ER e si ancorano a quest’ultima

attraverso le loro porzioni idrofobe. anche l’ER rugoso

produce fosfolipidi di membrana; in particolare, specifici

enzimi associati alla membrana del reticolo producono

molecole fosfolipidiche a partire da precursori presenti nel

citosol. La membrana del reticolo endoplasmatico si accresce

e alcune sue porzioni sono trasferite, sotto forma di vescicole

di trasporto, ad altre componenti del sistema di

endomembrane della cellula. 18

RE rugoso

L’ER liscio è coinvolto in vari processi metabolici che risultano differenti nelle varie tipologie cellulari; tali

processi sono rappresentati per esempio dalla sintesi dei lipidi, dal metabolismo dei carboidrati, dalla

detossificazione di farmaci o di sostanze nocive e dall’immagazzinamento di ioni calcio.

Gli enzimi dell’ER liscio risultano essenziali ai fini della sintesi di vari tipi di lipidi, quali grassi, steroidi e

fosfolipidi di membrana di nuova sintesi.

Altri enzimi dell’ER liscio partecipano alla detossificazione dei farmaci e delle sostanze nocive, specialmente

nelle cellule epatiche. In genere, la detossificazione implica l’aggiunta di gruppi idrossilici alle molecole che

devono essere neutralizzate al fine di rendere tali sostanze idrosolubili e quindi facilmente eliminabili

dall’organismo.

Il sedativo fenobarbital e altri barbiturici costituiscono un esempio di farmaci metabolizzati con questa

modalità dall’ER liscio delle cellule epatiche. Infatti, i barbiturici, l’alcol e molte altre sostanze nocive inducono

un aumento di dimensioni dell’ER liscio e l’attivazione degli enzimi deputati alla detossificazione,

incrementando in tal modo la velocità di detossificazione. Questo processo aumenta la tolleranza ai farmaci

e tale circostanza comporta la necessità di impiegare nelle somministrazioni successive dosi maggiori al fine

di ottenere lo stesso particolare effetto terapeutico, quale per esempio la sedazione. Inoltre, poiché alcuni

degli enzimi deputati alla detossificazione presentano uno

spettro d’azione piuttosto ampio, l’aumento delle

dimensioni dell’ER liscio in risposta alla somministrazione

di un determinato farmaco può aumentare la necessità di

dosi maggiori di altri farmaci. L’abuso di barbiturici, per

esempio, può diminuire l’efficacia d’azione di alcuni

antibiotici e di altri importanti farmaci.

L’ER liscio costituisce anche una sede di

immagazzinamento degli ioni calcio. Quando una cellula

muscolare viene stimolata da un impulso nervoso, il calcio

viene trasferito dal lume del reticolo al citosol e tale

circostanza consente la contrazione della suddetta cellula

muscolare. 19

Apparato del Golgi

Dopo aver lasciato il reticolo endoplasmatico molte vescicole di trasporto raggiungono l’apparato del Golgi.

Tale organello può essere immaginato come un magazzino che riceve, smista, spedisce e, talvolta, fabbrica i

prodotti. In questa sede, i prodotti dell’ER, le proteine, vengono modificati, immagazzinati e successivamente

inviati verso le loro destinazioni finali. Pertanto, non sorprende che l’apparato del Golgi sia particolarmente

sviluppato nelle cellule specializzate nei processi di secrezione.

L’apparato del Golgi risulta costituito da una serie di sacche appiattite delimitate da membrane, le cisterne,

associate tra loro; la particolare disposizione di queste ultime assomiglia a una pila di