Compartimentalizzazione cellulare

Un meccanismo fondamentale per la cellula è lo smistamento delle proteine nei corretti

compartimenti, perché un compartimento non solo deve avere una determinata forma o estensione

ma anche una certa composizione, sia lipidica che proteica. La sintesi proteica avviene nel

citoplasma a livello dei ribosomi ed è fondamentale che la cellula una volta sintetizzate le proteine,

le vada anche a smistare nel modo giusto. Tutte le proteine per poter essere secrete dalla cellula

hanno bisogno di avere accesso a quella che è la via secretoria della cellula attraverso cui poi

raggiunge l’ambiente extracellulare. Questo non vale solo per le proteine secrete ma anche per tutte

quelle proteine che si localizzano sulla membrana plasmatica, tutti i recettori, i canali e i

trasportatori, qualsiasi cosa la cellula deve espellere o presentare sulla superficie deve seguire

attraverso il traffico vescicolare la via secretoria.

Ma per entrare nella via secretoria le proteine devono oltrepassare la membrana (meccanismo di

traslocazione), ma dal citoplasma le proteine possono anche passare nel nucleo attraverso

meccanismi che regolano l’importo e l’esporto non solo di proteine ma anche di messaggeri

attraverso aperture che ci sono nella membrana nucleare (poro nucleare).

BIOLOGIA LEZIONE 10

Concetto di compartimentalizzazione

Tutte le cellule eucariotiche, non solo di mammifero, ma anche le cellule vegetali, sono

caratterizzate dalla presenza del nucleo, cioè un ambiente nucleare che è chiuso e protetto, quindi,

il DNA è protetto all’interno di un involucro nucleare, a differenza dei procarioti che lo conservano

nel citoplasma. Le cellule eucariote sono costituite anche da una serie di sistemi endomembranosi,

membrane interne, che racchiudono delle regioni dello spazio di una cellula.

Le membrane sono organizzate in doppio strato lipidico e in un ambiente idrofilico come quello della

cellula tendono sempre a chiudersi, perché non devono permettere all’acqua di accedere, e tutti i

compartimenti sono regioni dello spazio di una cellula racchiuse da una membrana.

Quindi abbiamo una serie di compartimenti intracellulari, non basta dire che semplicemente un

compartimento è una regione della cellula racchiuso da membrana perché anche le vescicole di

trasporto delle proteine sono regioni dello spazio racchiuse da membrana ma non sono

compartimenti, perché non hanno una funzione biologica o un contenuto enzimatico caratteristico.

Quindi è corretto dire: un compartimento è una regione di spazio racchiusa da membrana, il cui

contenuto proteico è unico, hanno solo alcuni tipi di proteine che devono assicurare al

compartimento determinate funzioni ed è quindi fondamentale che ogni proteina venga smistata

nel diverso e corretto compartimento.

Infatti, ad esempio le proteine mitocondriali verranno smistate solo nel mitocondrio, così come

quelle nucleari ecc.

Se questo viene alterato anche determinate funzioni saranno alterate. Una carenza o una mancanza

di una proteina porta alla disfunzione dell’intero compartimento, ne è l’esempio le patologie di

accumulo lisosomiali, dove vi è la mutazione di un singolo enzima detto idrolasi tra le decine (da 60

a 70 tipi) di enzimi diversi presenti nei lisosomi, la singola mutazione di questo può causare

malfunzionamento.

Nella cellula abbiamo una serie di compartimenti, tra cui il reticolo endoplasmatico rugoso, che

prende questo nome perché ha una rete di membrane ed è rugoso perché la faccia citosolica del

reticolo è ricoperta dai ribosomi (rispetto a quello liscio che non ha i ribosomi perché svolge attività

tutte le cellule hanno un nucleo, chiuso e protetto e vari sistemi di membrane che racchiudono regioni di spazio nella

BIOLOGIA LEZIONE 10 cellula. le membrane sono organizzate in un doppio strato lipidico ed in un ambiente idrofilico come quello cellulare

tenderanno sempre a richiudersi. dunqeu definiamo compartimento cellulare una regione di spazio racchiusa da

membrana il cui contenuto proteico è univo e posseggono determinate funzioni. se il contenuto proteico venisse

alterato, ne sarebbero alterate anche le funzioni.

diverse), il complesso del Golgi che ha anche un’organizzazione perinucleare fatto da cisterne

appiattite le une sulle altre, i mitocondri ed il compartimento endolisosomiale ecc.

Immagine di microscopia elettronica

Si riesce ad avere un’idea dell’ambiente intracellulare, un ambiente molto denso di membrane, poca

parte liquida, un ambiente molto affollato.

In alto possiamo vedere la tomografia della cellula che mostra nel dettaglio l’ambiente cellulare: si

osservano i mitocondri caratterizzati da membrana interna ed esterna che delimita la matrice

cellulare, il protosoma, strutture citoscheletriche come i microtubuli che sono cavi all’interno e su

cui camminano le proteine motrici. Possiamo distinguere le molecole di adesione cellula-cellula,

molecole filamentose, il citoscheletro e tutti i dettagli come il DNA attorno ai nucleosomi ( il DNA

diventa molto visibile durante la mitosi, quando non si è in mitosi diventa condensato). Si osservano

anche le membrane nucleari interna ed esterna e lo spazio intermembrana, la membrana esterna è

in continuità con quella del reticolo endoplasmatico sono in continuità e quindi c’è mescolanza.

Ci sono altre serie di strutture che si possono distinguere come i lisosomi.

Concetto di Topologicamente Equivalente

due compartimenti si definiscono topologicamente equivalenti quando il passaggio di una

proteina da un compartimento all’altro non richiede l’attraversamento di membrana.

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Importante perché permette di distinguere diversi meccanismi che mediano lo smistamento delle

proteine all’interno della cellula. Nell’attraversare una membrana qualsiasi molecola si sposta tra

due ambienti che sono topologicamente distinti. Due ambienti quindi si definiscono equivalenti

quando il passaggio di una proteina, ma anche in generale di una molecola, non implica

l’attraversamento di una membrana. L’ambiente extracellulare coincide (è topologicamente

equivalente) con l’ambiente intra luminare di compartimenti; infatti, anche la composizione lipidica

di una membrana mantiene lo stesso tipo di topologia. Ricordiamo che le membrane sono

asimmetriche, cioè la composizione lipidica dei due strati è diversa e che quella che si affaccia al di

fuori della membrana coincide con lo strato intra luminare del compartimento. Ad esempio, se

voglio vedere una vescicola che sta in fase di endocitosi, la membrana esterna si andrà a ripiegare

ed i lipidi esterni della membrana saranno all’interno dell’endosoma precoce che si va a generare.

Una proteina che si sposta da un compartimento ad un altro, siccome i due ambienti sono

equivalenti, non deve uscire completamente dal compartimento ma utilizza degli intermedi di

trasporto, le vescicole. La proteina è inglobata in vescicole, poi questa viene trascinata e trasportata

al compartimento accettore e la vescicola si fonde con l’accettore e infine riverserà la proteina

all’interno dell’altro compartimento.

topologicamente equivalenti= non richiede attraversamento di una membrana

topologicamente non equivalenti= richiede l'attraversamento della membrana l'ambiente extracellulare coinquide cocn quello intra luminare dei compartimenti ed anche la

composizione delle membrane ha la stessa topologia.

nel caso di compartimenti topologicamente equivalenti, una proteina per spostarsi non deve uscire completamente dal compartimento, ma si muove tramite vescicole, le quali si

andranno a fondere con il compartimento accettore r ne riverseranno il contwnuto all'interno

Trasportare quindi una proteina da un compartimento all’altro significa generare vescicole.

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formare una vescicola significa deformare la membrana del compartimento donatore che deve donare un parte di se, queste verranno fatte fondere poi con il compartimento

accettore , non sono trasporti unidirezionali. anche nucleo e citosol sono topologicamente equivalenti, uniti dai porti nuclerari, anche se il contenuto non è lo stesso

Ma come si genera una vescicola?

Bisogna deformare la membrana del compartimento donatore, quindi usare una parte del

compartimento per creare la vescicola. Ogni volta che deve crearsi una vescicola il donatore deve

cedere una parte di se, queste vescicole poi verranno trasportare e poi fatte fondere con il

compartimento accettore questi tipi di trasporti non sono mai unidirezionali, perché altrimenti

à

si sposterebbero le membrane in un’unica direzione. Per mantenere un equilibrio questi meccanismi

devono essere sempre chiusi (se c’è un flusso di membrane che esce ci deve essere un flusso di

membrane di ritorno).

L’ambiente nucleare coincide con il citosol, le membrane qui si ripiegano e non c’è la membrana

biologica che separa i due ambienti, vi è il poro che è un’aperura dell’involucro nucleare che crea il

passaggio. Questi due ambienti quindi (nucleo e citosol) sono topologicamente equivalenti, ma il

contenuto non è lo stesso.

Flusso di membrane: quando avviene?

Quando bisogna rifornire un compartimento di proteine. Per esempio, il complesso del Golgi per

svolgere quelle funzioni deve contenere un certo tipo di proteine che vengono sintetizzate nel

reticolo endoplasmatico e poi smistate tramite un traffico vescicolare (e quindi di membrane) agli

altri compartimenti. Più un compartimento deve svolgere una funzione prevalente e più dovrà

ricevere questi enzimi in contenuto maggiore. Infatti più c’è flusso di membrana di proteine, più il

compartimento sarà grande perché ha ricevuto più proteine. Ad esempio la cellula pancreatica

esocrina deve secernere tante proteine e quindi fa tanta secrezione.

Naturalmente il più espanso di tutti è il reticolo endoplasmatico rugoso, perché per raggiungere

l’ambiente extracellulare le proteine devono prima accedere al reticolo endoplasmatico e poi

tramite un sistema vescicolare devono transitare nel Golgi ed arrivare alla membrana plasmatica

per essere poi riversata all’esterno. Una cellula che fa molta secrezione avrà un compartimento

come il reticolo endoplasmatico, cioè esteso, perché rappresenta il compartimento deputato alla

sintesi. Per esempio, un Linfocita B non attivo è una cellula molto piccola, quando diventa

plasmacellula e produce gli anticorpi diventa molto più grande ed il citoplasma è molto più esteso

perché ciò che si va ad espandere è proprio il reticolo perché sta producendo una quantità enorme

di anticorpi. Siccome il compartimento si deve espandere tanto anche la cellula diventa più grande

(attivato il linfocita