Biochimica Cellulare

Smistamento intracellulare delle proteine

Una proteina sintetizzata nel citosol può andare incontro a diversi destini. Oltre a restare nel citosol, queste proteine possono:

• Essere destinate alla via secretoria: Entrano nel RE, Golgi, per poi andare nel lisosoma, in membrana o essere secrete.
• Essere destinate ai mitocondri: All’interno di questi ci possono essere quattro destinazioni possibili: matrice, membrana interna, membrana esterna e spazio intramembrana.
• Cloroplasti (non li facciamo)
• Perossisoma
• Nucleo

Meccanismo di sorting delle proteine

Diversi studi hanno dimostrato che lo stesso meccanismo di base, con poche eccezioni, governa il sorting delle proteine a tutti i vari organelli intracellulari. L’informazione per indirizzare una proteina ad un organello particolare è codificata all’interno di una sequenza aa della proteina stessa, solitamente si tratta di sequenze di 20-50 aa, chiamate genericamente sequenze segnale.

Ogni organello possiede uno specifico set di proteine recettoriali che legano soltanto certe sequenze segnale, assicurando che l’informazione codificata in una sequenza segnale garantisca la specificità del targeting. La sequenza segnale rappresenta una condizione sufficiente e necessaria perché una proteina venga smistata correttamente. Questo è stato dimostrato con esperimenti: infatti è necessaria poiché, se viene rimossa dalla proteina, questa non può essere indirizzata correttamente al suo compartimento. È sufficiente poiché, se attacco la sequenza segnale di una proteina ad un’altra, questa viene destinata esattamente dove doveva essere destinata quella a cui è stata rimossa.

Queste sequenze segnale non sono sequenze consenso, ma presentano più che altro con maggior probabilità determinati aa. Una volta che la sequenza segnale ha interagito con il suo specifico recettore, la proteina è trasferita ad un canale di traslocazione che permette alla proteina di passare attraverso la membrana. Questo trasferimento è unidirezionale ed è così poiché la traslocazione è accoppiata ad un processo energeticamente favorevole, ovvero idrolisi di ATP. Quando la traslocazione è avvenuta, la sequenza segnale viene rimossa tramite specifiche proteasi.

Traffico vescicolare

La traslocazione è la fase iniziale della via secretoria. Successivamente, ci si può chiedere come avviene il progresso delle componenti proteiche lungo la via secretoria dal RE in poi. Possono avvenire due tipi di fenomeni ipotizzati:

• Dal RE al Cis-Golgi network: Il passaggio avviene attraverso diffusione di vescicole che gemmano dal RE e vanno a creare il cis-golgi network. In questo caso ci sono contemporaneamente vescicole che effettuano il trasporto retrogrado, cioè tornano indietro.
• Progressione cisternale: Questo meccanismo non implica la gemmazione o la fusione di vescicole anterograde. Il compartimento cis-golgi network va avanti e si trasforma in cis-golgi che a sua volta si trasformerà in golgi medial, il quale poi si trasformerà in golgi trans e successivamente in trans golgi network e infine il tutto si frammenta.

Il trasporto delle proteine solubili o di quelle di membrana da un compartimento all’altro è mediato da vescicole di trasporto le quali devono affrontare alcuni problemi come scegliere in modo selettivo le proteine che devono o non devono trasportare, arrivare a una membrana di destinazione in modo selettivo. Le proteine possono essere caricate in vescicole che:

• Si muovono direttamente verso la plasmamembrana con la quale si fondono e rilasciano il loro contenuto per esocitosi.
• Vescicole secretorie che sono immagazzinate all’interno della cellula fino a quando un segnale per l’esocitosi causa il rilascio del suo contenuto.
• Vescicole dirette al lisosoma, un organello responsabile della degradazione intracellulare delle molecole. Le proteine destinate al lisosoma sono prima trasportate ad un compartimento chiamato endosoma e poi da questo al lisosoma. L’endosoma svolge anche funzione endocitica; le vescicole gemmano dalla plasmamembrana trasportando molecole ad essa legate all’interno della cellula (endocitosi mediata da recettore). Dopo essere state internalizzate, le proteine sono destinate al lisosoma, mentre altre sono riciclate verso la superficie cellulare.

Formazione delle vescicole

Le vescicole si formano grazie a proteine di rivestimento (coat protein) che obbligano una porzione della membrana ad estroflettersi ed assumere una curvatura, che poi verrà strozzata e si staccherà dalla membrana di provenienza. Sono stati caratterizzati tre tipi di vescicole in base alle coat protein che le formano:

• Vescicole rivestite da COPII: Trasportano le proteine da RE al golgi, perciò sono coinvolte in un trasporto anterogrado.
• Vescicole rivestite da COPI: Trasportano principalmente le proteine tra le cisterne del golgi al RE, perciò sono coinvolte in un trasporto retrogrado.
• Vescicole rivestite da Clatrina: Trasportano le proteine dalla plasmamembrana e dal trans-golgi network al tardo endosoma.

Le coat protein non hanno solo l’importante ruolo di formare il rivestimento, ma sono coinvolte anche nella selezione delle proteine da includere nella vescicola.

Dettagli sulle coat proteins

COPII: Il complesso ternario che comprende le COPII è formato da Sec23, Sec24 e Sar1-GTP. All’inizio della formazione delle vescicole, Sec23 e Sec24 sono reclutate al RE da Sar1 nel suo stato legato a GTP al fine di formare un complesso stabile.

COPI: Si conosce poco.

Clatrina: Le molecole di clatrina purificata che hanno una forma a tre braccia prendono il nome di trischelii; ogni braccio contiene una catena pesante ed una leggera. I trischelii si assemblano e questo comporta la formazione di un’intrinseca curvatura dell’assemblaggio che si va a formare. È coinvolta nei processi di endocitosi mediata da recettori e nel trasporto dal trans-golgi al tardo endosoma che va poi a finire nel lisosoma. Proteine come la clatrina sono in grado di introflettere la membrana di rivestimento ma non di staccarla, per questo è necessaria la dinamina che forma un colletto attorno al peduncolo che ancora connette la vescicola alla membrana di provenienza. Questa proteina catalizza l’idrolisi di GTP per staccare la vescicola.

Per quanto riguarda il disassemblaggio non si conoscono bene i meccanismi, ma si sa che il processo è dipendente da HSC70 che è uno chaperone costitutivo nelle cellule eucariotiche, quindi non è necessaria una sua over espressione.

Altre proteine coinvolte nella formazione delle vescicole

Cargo proteins: Corrispondono alle proteine trasportate, quindi possono essere proteine di membrana o proteine solubili:

• Proteine di membrana: Hanno un dominio luminale, un citosolico e uno transmembrana; quello citosolico viene riconosciuto dalle proteine di rivestimento. La proteina è riconosciuta e inclusa nelle vescicole e trasportata da essa.
• Proteine solubili: Il loro trasporto avviene solo se sono riconosciute da uno specifico recettore. Si legano ad una proteina recettoriale (membrane cargo receptor protein) che a sua volta è riconosciuta dal sistema delle coat protein.

v-SNARE: Sono proteine integrali di membrana che si trovano nella membrana della vescicola e sono cruciali per la fusione della vescicola con la corretta membrana target. Infatti, poco dopo che la vescicola è completa, il rivestimento si disgrega esponendo queste v-SNAREs. Sulle membrane target sono presenti delle t-snare che si associano con le v-snare in modo selettivo e ciò determina la fusione della vescicola.

Proteine che legano GTP: Tutti e tre i tipi di vescicole contengono una proteina che lega GTP e si comporta come una subunità regolatoria nel confronto dell’assemblaggio delle proteine di rivestimento. Nel caso di COPI e Clatrina, questa proteina che lega GTP è nota come ARF, nel caso di COPII si tratta di una proteina simile che è chiamata Sar1. Sono entrambe proteine della famiglia Ras, ovvero coinvolte nella trasduzione del segnale, e appartengono alla famiglia delle GTPasi, ovvero idrolizzano GTP.

Ciclo:

1. Nel citosol Sar1 si trova legato con GDP, una proteina di membrana del reticolo endoplasmatico Sec12 catalizza il rilascio del G...