Citologia - apparato del Golgi e vescicole di trasporto transmembrana

Apparato del Golgi e traffico vescicolare intracellulare

Le proteine dal reticolo endoplasmatico vengono smistate agli altri compartimenti cellulari grazie al passaggio attraverso l'apparato del Golgi (detto anche "il Golgi"). Al microscopio elettronico a trasmissione appare formato da una serie di cisterne contornate da un singolo strato lipidico, giustapposte l'una vicina all'altra. In generale, l'apparato del Golgi è situato in prossimità del nucleo cellulare. Osservandolo, si possono notare una serie di lamelle, che sono cisterne dotate di un piccolo lume. Quindi, si possono distinguere il lume delle cisterne ed uno spazio tra una cisterna e l'altra. Queste cisterne sono dotate, alle estremità, di alcuni slarghi. In prossimità, ci sono, inoltre, delle vescicole, che servono a trasportare le proteine da una cisterna all'altra.

Organizzazione e polarità dell'apparato del Golgi

Questa è una rappresentazione dell'apparato di Golgi, nella quale si nota che esso possiede una polarità. Questa polarità è data dal fatto che le cisterne non sono tutte uguali: si riconosce una faccia "cis" dell'apparato del Golgi, che corrisponde alla prima cisterna, e, dalla parte opposta, una parte "trans". La cisterna "cis" è in continuità con un sistema di vescicole e tubuli, che costituiscono la rete cis del Golgi, o "cis Golgi network". La cisterna "trans" è anch'essa in continuità con tutta una serie di piccole cisterne, di strutture tubulari e di vescicole che costituiscono il "trans Golgi network".

Le proteine fluiscono attraverso il Golgi in direzione cis-trans: entrano attraverso il cis Golgi Network ed escono dal trans Golgi Network. Nel mezzo, tra la cisterna cis e quella trans, vi sono altre cisterne, presenti in numero variabile, dette cisterne mediali. Queste non sono in continuità l'una con l'altra: non c'è un passaggio che permetta la comunicazione del lume di una cisterna mediale col lume di un'altra cisterna mediale, posta in contiguità, né col lume delle cisterne cis o trans. Le cisterne sono, dunque, separate fisicamente l'una dall'altra dal citosol. La comunicazione tra cisterne avviene grazie a vescicole di trasporto, che si staccano da una cisterna e vanno a fondersi con la cisterna successiva.

Composizione e funzione delle vescicole

Il concetto è che, sia le proteine contenute nel lume dell'organello, che può essere il reticolo endoplasmatico, il Golgi o altre vescicole, sia le proteine poste sulla membrana nel doppio strato lipidico (quindi le proteine integrali) possono entrare a far parte della vescicola: essa si formerà da una protrusione del compartimento di membrana che, isolandosi, formerà una vescicola, la quale conterrà parte delle proteine del lume e parte delle proteine di membrana.

Questa vescicola viaggerà poi nel citosol, all'interno della cellula, fino a trovare il compartimento con cui si fonderà. Naturalmente, la membrana della vescicola si fonderà con quella del compartimento, rilasciando il suo contenuto e permettendo, inoltre, la diffusione delle proteine di membrana sul doppio strato lipidico del compartimento a cui si è fusa.

Le funzioni dell'apparato del Golgi

Le proteine prodotte nel reticolo endoplasmatico devono essere smistate a differenti compartimenti. Possiamo prendere come esempio le proteine residenti nel reticolo endoplasmatico, come la proteina Bip, le proteine che mediano la risposta all' "unfolded protein", e una serie di fattori tra cui le traslocasi, che sono prodotte dal reticolo endoplasmatico stesso, ma per essere funzionali devono passare nel Golgi per poi essere riportate nel reticolo endoplasmatico.

Quindi, la funzione del Golgi è quella di attuare delle modificazioni alle proteine, per poi smistarle nei vari comparti di membrana. Alcune di queste modificazioni sono:

• Modificazione di catene glucidiche legate ad N (dopo la glicosilazione in N delle proteine del reticolo endoplasmatico, necessaria per la loro uscita dall'organello, avvengono nel Golgi ulteriori modificazioni, che portano alla formazione di vere e proprie glicoproteine, formanti il glicocalice);
• Glicosilazione in O;
• Sintesi dei proteoglicani;
• Taglio proteolitico dei precursori proteici (alcune proteine vengono sintetizzate in forma inattiva, ovvero come una lunga catena proteica non funzionale; per esempio, l'insulina, per essere attiva, deve subire un taglio proteolitico che rimuova alcune porzioni della catena polipeptidica, rendendola funzionale e pronta ad essere portata nell'ambiente dove sarà operativa);
• Smistamento delle proteine in differenti compartimenti di membrana (lisosomi reticolo endoplasmatico, membrana plasmatica).

Processi specifici di modificazione

Ora vediamo in particolare queste modificazioni.

Glicosilazione in N

La glicosilazione in N riguarda il legame di zuccheri a un atomo di azoto di un residuo di asparagina. La modificazione avviene in maniera progressiva: le proteine prodotte nel reticolo endoplasmatico sono trasportate da vescicole nel cis Golgi Network. Esse arrivano nella cisterna cis, passano alle cisterne mediali e, infine, a quella trans, dalla quale verranno smistate ai vari compartimenti. Nel cis Golgi Network avviene la fosforilazione dei residui del mannosio e vengono rimossi alcuni di questi residui, così come nella cisterna mediale (avevamo già visto che per l'uscita delle proteine dal reticolo endoplasmatico era necessario togliere alcuni residui di mannosio). Nelle cisterne successive vengono aggiunti degli altri residui glucidici.

Nel reticolo endoplasmatico la catena glucidica ramificata veniva privata di alcuni glucosi e di un residuo di mannosio. Nel Golgi cis vengono rimossi altri 3 residui di mannosio e viene aggiunta, alla fine, l'N-acetilglucosammina. Le altre modificazioni dipendono dal tipo di proteina: in alcune vengono aggiunti residui di fucosio alla N-acetilglucosammina, il residuo più prossimo all'asparagina. Nella maggior parte dei casi vengono aggiunti 2 galattosi e/o 2 acidi sialici (zuccheri caricati negativamente). Quindi, in generale, molte di queste catene glucidiche sono caricate negativamente. Gli zuccheri aggiunti alle catene glucidiche arrivano nell'apparato del Golgi legati a dei nucleotidi: nell'immagine vediamo che l'N-acetilglucosammina si lega all'UDP.

Glicosilazione in O

La glicosilazione in O riguarda il legame di zuccheri all'ossigeno del gruppo –OH del residuo della treonina o della serina. Affinché questo avvenga, sono richiesti degli enzimi specifici, che riconoscano delle sequenze amminoacidiche specifiche sulla superficie delle proteine che sono state trasportate nell'apparato del Golgi e che sono differenti dai segnali per la glicosilazione in N.

Sintesi dei proteoglicani

Nella maggior parte dei casi i proteoglicani sono molecole secrete e vanno a costituire una matrice polimerica di proteine che prende il nome di "matrice extracellulare". Essa rappresenta una sorta di impalcatura che esiste fuori dalle cellule per il sostentamento e l'organizzazione dei tessuti. I proteoglicani sono costituiti da un cuore proteico che proviene dal reticolo endoplasmatico e che, nel Golgi, viene legato a delle catene glucidiche più o meno lunghe. Il legame alle serine avviene tramite un tetrasaccaride (xilosio-galattosio-galattosio-acido glucuronico).

Taglio proteolitico

Il taglio proteolitico è un processo differente per i vari tipi di proteine. Consideriamo il caso dell'insulina. L'insulina matura è costituita da due catene polipeptidiche legate da legami disolfuro.