Riassunto esame Biologia cellulare, prof. Ambrosino, libro consigliato Biologia molecolare della cellula,Alberts, Johnson, Lewis

Reticolo Endoplasmatico: il reticolo endoplasmatico è costituito da un insieme di cisterne, sacchetti

appiattiti e tubuli membranosi che delimitano un complesso di cavità (o lume del RE) ampiamente

intercomunicanti. Il RE svolge un ruolo centrale nella biosintesi dei lipidi e delle proteine. La sua

membrana, infatti, è il sito di produzione di tutte le proteine transmembrana e di tutti i lipidi per la maggior

parte degli organelli della cellula, compresi lo stesso RE, l’apparato di Golgi, i lisosomi, le vescicole secretorie

e la membrana plasmatica. Il RE cattura proteine selezionate dal citosol mentre queste vengono

sintetizzate. Queste proteine sono di due tipi: “proteine transmembrana”, che sono traslocate solo

parzialmente attraverso la membrana del RE e rimangono immerse in essa, e “proteine solubili in acqua”, che

sono completamente traslocate attraverso la membrana del RE e sono rilasciate nel lume del RE. Alcune

delle proteine transmembrana svolgono la loro funzione nel RE, ma molte altre sono destinate a risiedere

nella membrana plasmatica o nella membrana di un altro organello. Le proteine solubili, invece, sono

destinate o al lume di un organello o alla secrezione.

In base alle caratteristiche morfologiche è possibile distinguere due tipi fondamentali di RE, che svolgono

funzioni diverse e che differiscono per la loro composizione: il reticolo endoplasmatico rugoso (RER) e il

reticolo endoplasmatico liscio (REL). Il RER deve il suo nome all’aspetto rugoso della faccia citoplasmatica

delle sue membrane, dovuto all’associazione di numerosi ribosomi, i quali sono impegnati nella “sintesi

proteica”. Il ribosoma che sta sintetizzando la proteina è attaccato direttamente alla membrana del RE, con

la subunità maggiore rivolta verso la membrana e la subunità minore rivolta verso il citoplasma. Ci sono due

popolazioni di ribosomi nel citosol: i “ribosomi attaccati a membrana”, posti sul lato citosolico della

membrana del RE e sono impegnati nella sintesi di proteine che stanno contemporaneamente traslocando nel

RE; i “ribosomi liberi”, non attaccati a nessuna membrana, i quali sintetizzano tutte le altre proteine

codificate dal genoma nucleare. Il RER, quindi, svolge un ruolo chiave nella sintesi e nella maturazione

delle proteine di membrana e delle proteine destinate alla membrana o al lume di diversi organuli cellulari,

come l’apparato di Golgi o i lisosomi. Le regioni del RE prive di ribosomi attaccati sono chiamate invece

reticolo endoplasmatico liscio (REL). Nella grande maggioranza delle cellule, queste regioni sono limitate e

spesso parzialmente lisce e parzialmente rugose. Talvolta sono chiamate anche “RE di transizione”, perché

contengono “siti di uscita dal RE” da cui gemmano vescicole di trasporto che portano proteine e lipidi di

nuova sintesi per il trasporto all’apparato di Golgi. In alcune cellule specializzate, però, il REL è molto

abbondante, ad esempio:

• All’interno di cellule specializzate nel metabolismo dei lipidi. Cellule che sintetizzano ormoni

steroidei da colesterolo, per esempio, hanno un compartimento del REL espanso per far posto agli

enzimi necessari a produrre colesterolo e a modificarlo per formare gli ormoni;

• Negli epatociti, i quali rappresentano il sito principale di produzione di particelle lipoproteiche, che

portano lipidi attraverso il torrente circolatorio ad altre parti del corpo.

Un’altra funzione del RE è quella di sequestrare calcio dal citosol. Il rilascio di calcio nel citosol dal RE e la

sua successiva riassunzione sono coinvolti in molte risposte a segnali extracellulari. L’accumulo di calcio

all’interno del lume del RE è dovuto dal fatto che sono presenti numerose proteine che legano calcio con

elevata affinità. In alcune cellule, regioni specifiche del RE sono specializzate per il deposito di calcio: le

cellule muscolari, ad esempio, hanno un abbondante REL specializzato, chiamato “reticolo

sarcoplasmatico”, il quale sequestra calcio dal citosol per mezzo di una Ca2+­ATPasi che pompa calcio

dentro il lume. Il rilascio e la riassunzione di calcio da parte del reticolo sarcoplasmatico scatenano

rispettivamente la contrazione e il rilassamento delle miofibrille durante ciascun ciclo di contrazione

muscolare.

Trasporto di proteine nel reticolo endoplasmatico (trasporto transmembrana) :

L’importazione di proteine nel RE inizia prima che la catena polipeptidica sia completamente sintetizzata:

tale processo è definito “cotraduzionale”. Questo meccanismo è differente dal processo di importazione delle

proteine nei mitocondri, nei nuclei, nei perossisomi, che invece è definito “post­traduzionale”. Poiché

un’estremità della proteina è di solito traslocata nel RE mentre il resto della catena polipeptidica viene

sintetizzata, la proteina non è mai rilasciata nel citosol e perciò non corre mai il rischio di ripiegarsi prima di

raggiungere il traslocatore nella membrana del RE. Ciò, a differenza dell’importazione post­traduzionale,

non sono necessarie proteine chaperone per mantenere la proteina non ripiegata. Il ribosoma che sta

sintetizzando la proteina è attaccato direttamente alla membrana del RE. Una particella di riconoscimento

del segnale (SRP) dirige le sequenze segnale dal RE ad un recettore specifico nella membrana del RER. La

sequenza segnale del RE è guidata alla membrana del RE da due componenti: una “particella di

riconoscimento del segnale” (SRP), che si divide fra la membrana del RE e il citosol e si lega alla sequenza

segnale, e un “recettore SRP” nella membrana del RE. La SRP è una particella complessa che consiste di sei

catene polipeptidiche diverse attaccate ad una singola molecola di RNA. La SRP si lega quindi alla

sequenza segnale del RE non appena il peptide è emerso dal ribosoma. Ciò provoca una pausa nella sintesi

proteica; presumibilmente la pausa dà al ribosoma abbastanza tempo per legarsi alla membrana del RE

prima che la sintesi della catena polipeptidica sia completa, assicurando così che la proteina non venga

rilasciata nel citosol. Una volta formato, il complesso SRP­ribosoma si attacca al recettore SRP, che è una

proteina di membrana esposta soltanto sulla superficie citosolica della membrana del RE ruvido. Questa

interazione porta il complesso SRP­ribosoma ad un traslocatore. La SRP e il recettore SRP sono allora

rilasciati e la catena polipeptidica in crescita è trasferita attraverso la membrana. E’ stato a lungo dibattuto

se le catene polipeptidiche venissero trasferite attraverso la membrana del RE a contatto diretto con il

doppio strato lipidico o attraverso un poro in un traslocatore proteico. La questione fu risolta dalla

purificazione del traslocatore, che si dimostrò formare un poro pieno d’acqua nella membrana attraverso il

quale la catena polipeptidica attraversa la membrana. Il traslocatore, chiamato “complesso Sec61”, consiste

di tre o quattro complessi proteici, ciascuno composto da tre proteine transmembrana, che si assemblano in

una struttura a ciambella. Quando si lega un ribosoma, il foro centrale del traslocatore si allinea con un

tunnel nella subunità ribosomale maggiore attraverso il quale dal ribosoma esce la catena polipeptidica in

crescita. Si pensa che la sequenza segnale nella catena polipeptidica in crescita scateni l’apertura del poro:

dopo che la sequenza segnale è stata rilasciata dalla SRP e la catena in crescita ha raggiunto una lunghezza

sufficiente, la sequenza segnale si lega ad un sito specifico dentro il poro stesso, aprendo così il poro. La

sequenza segnale N­terminale del RE di una proteina solubile ha due funzioni: dirige la proteina alla

membrana del RE e serve da “segnale di inizio del trasferimento” che apre il poro. Successivamente, alla fine

del processo, la sequenza segnale viene rimossa da una peptidasi del segnale e la catena polipeptidica

sintetizzata è rilasciata nel lume del RE.

Traffico vescicolare intracellulare

I compartimenti cellulari sono fra di loro in comunicazione costante, con molecole che passano da un

compartimento donatore ad un compartimento bersaglio mediante numerose unità di trasporto racchiuse da

membrane, chiamate “vescicole di trasporto”. Le vescicole gemmano da una membrana e si fondono con

un’altra in continuazione, trasportando componenti di membrana e molecole solubili che prendono il nome di

“cargo”. Ciascuna vescicola di trasporto che gemma da un compartimento deve essere selettiva: infatti deve

assumere soltanto le proteine appropriate e deve fondersi soltanto con la membrana bersaglio appropriata.

La maggior parte delle vescicole di trasporto si formano a partire da regioni specializzate rivestite dalle

membrane. Esse gemmano come “vescicole rivestite” che hanno una gabbia caratteristica di proteine che ne

ricopre la superficie citosolica. Tuttavia, però, prima che la vescicola si fonda con una membrana bersaglio, il

rivestimento proteico è scartato per permettere alle due superfici citosoliche delle membrane di interagire

direttamente e di fondersi. Si pensa che il rivestimento svolga tre funzioni principali: aiutare a selezionare le

molecole appropriate per il trasporto, concentrare proteine specifiche di membrana in una zona specializzata

della membrana e generare vescicole che abbiano dimensioni relativamente uniformi. Ci sono tre tipi di

vescicole rivestite: vescicole rivestite di “clatrina”, vescicole rivestite di “COPI” e vescicole rivestite di

“COPII”. Le vescicole rivestite di clatrina mediano il trasporto dal lato trans dell'apparato di Golgi agli

endosomi tardivi; le vescicole rivestite di COPI mediano il trasporto retrogrado all’interno dell’apparato di

Golgi (gemmano dai compartimenti del pre­Golgi e dalle cisterne del Golgi); le vescicole rivestite di COPII,

infine, mediano il trasporto delle proteine dal RE all’apparato di Golgi (gemmano all’interno RE nei “siti di

uscita dal RE”). Il componente proteico principale delle vescicole rivestite di clatrina è la “clatrina” stessa.

Ciascuna subunità di clatrina consiste di tre catene polipeptidiche grandi e di tre catene polipeptidiche

piccole che insieme formano una struttura a tre gambe chiamata “trischelio”. I trischeli di clatrina si

assemblano in una struttura convessa formando fosse rivestite sulla superficie citosolica delle membrane.

Una seconda proteina principale di rivestimento nelle vescicole di clatrina, chiamata “adattina”, è necessaria

sia per attaccare il rivestimento di clatrina alla membrana sia per intrappolare varie proteine

transmembrana, compresi i recettori transmembrana che catturano le molecole cargo solubili dentro la

vescicola, i cosiddetti “recettori del cargo”. Ci sono almeno