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Citologia - apparato del Golgi e vescicole di trasporto transmembrana

Appunti di Citologia per l'esame della professoressa Zavan. Gli argomenti trattati sono i seguenti: struttura e funzione del golgi, traffico vescicolare e rivestimenti, esocitosi, lisosomi, glicosilazione in O e in N, sintesi dei proteoglicani, taglio proteolitico, clatrine, cop II e I, RAB, fosfatidilinositolo.

Esame di Citologia docente Prof. V. Zavan

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promuove l’ancoraggio della vescicola all’organello accettore grazie alla v-snare e grazie al recettore posto

sulla membrana dell’organello accettore (t-snare). In questo modo, avviene la fusione delle membrane.

Il primo processo è la gemmazione che richiede la presenza di determinate proteine sull’involucro esterno: le

principali sono COP I, COP II e clatrina. Servono dei fattori che permettano lo scambio della guanina,

perché questo sistema di trasporto vescicolare è mediato da G protein. Infatti le GTPasi sono G proteins

(Sar1-ARF, Rab). Il trasporto delle vescicole coinvolge, invece, il citoscheletro, specificamente il sistema

dei microtubuli. Il riconoscimento richiede complessi di riconoscimento come la Rab ed i fosfoinositidi, tipi

di lipidi particolari le cui tipologie differiscono in base alla fosforilazione dell’inositolo. Infine abbiamo la

fusione, mediata dalle snare.

I rivestimenti

Le vescicole che originano nel reticolo endoplasmatico sono rivestite da una proteina che si chiama COP II e

si fondono con le cisterne dell’apparato del Golgi. La formazione di vescicole dalle cisterne dell’apparato del

Golgi, invece, avviene grazie a rivestimenti della proteina COP I, vescicole che si possono muovere sia in

senso anterogrado sia retrogrado fino anche a formare vescicole che vanno a fondersi col reticolo

endoplasmatico. Le vescicole che si formano dal trans Golgi network, che vanno a fondersi alla membrana

plasmatica, sono anch'esse rivestite dalle COP I. Le vescicole, invece, che si originano dalla membrana

plasmatica dalle vescicole di secrezione (che tornano indietro verso il Golgi), oppure che dal Golgi vanno

verso la via endocitotica, sono rivestite da un’altra proteina che si chiama “clatrina”. Questi due tipi di

vescicole sono un po’ diverse tra di loro, le più piccole sono quelle di clatrina, mentre le più grandi sono

quelle di COP I, mentre quelle di COP II sono di misura intermedia.

Le vescicole di clatrina

Queste sono le vescicole di clatrina, le prime ad essere state scoperte. La clatrina costituisce il rivestimento

delle vescicole (la forma sembra quella dei palloni da calcio), formato da una gabba sferica molto rigida che

ha delle finestre esagonali ed alcune pentagonali. La clatrina è costituita da trimeri che prendono il nome di

trischeli. Queste sono immagini al microscopio elettronico di trischeli e a fianco vediamo una

rappresentazione di come sono disposti. I trischeli sono trimeri di cui ciascun monomero è formato da una

catena pesante e una catena leggera. La gabbia di clatrina non è costituita semplicemente dalla

giustapposizione di questi trischeli, bensì da una loro sovrapposizione. Ciò contribuisce a creare una gabbia

rigida, che può essere mantenuta assieme grazie ad una caratteristica vantaggiosa della clatrina, ovvero il

fatto che essa può essere aggiunta e rimossa nel ciclo.

La clatrina assicura questo scheletro attorno alla vescicola, consentendo e assicurando la sua formazione,

perché, man mano che si assembla attorno alla membrana, favorisce la struttura rotondeggiante della

vescicola, che tende ad allontanarsi dal resto dell’organello. Questo è favorito dal dominio delle catene

pesanti, che è in grado di legare dei fattori presenti sulla membrana stessa della vescicola. Questi fattori sono

i complessi adattatori: qui vediamo indicata l’adaptatina. I complessi adattatori sono reclutati sulla

membrana dai recettori della molecola cargo. Ovvero, sulla membrana dell’organello che produce la

vescicola, le molecole cargo si associano ai loro recettori, i quali a loro volta sono capaci di associarsi ai

complessi adattatori. I complessi adattatori richiamano a sé i trischeli di clatrina che possono assemblarsi

l’uno con l’altro. È una specie di gioco ad incastro, attraverso cui avviene la formazione di complessi

macromolecolari, che in base alla loro disposizione portano al piegamento della membrana. Infine, sempre

più molecole cargo si associano ai recettori e quindi a complessi adattatori e alla clatrina, andando a formare

la struttura vescicolare. La struttura vescicolare sarà ancora legata all’organello da cui si sta dipartendo e la

separazione avverrà grazie ad una proteina che è la dinamina (avevamo già visto una proteina simile,

richiesta per la fissione dei mitocondri).

La

dinamina media la separazione delle vescicole dagli organelli membranosi,

permettendo la chiusura della struttura costituita dalla clatrina. Perché serve la clatrina? Finché la vescicola è

posta nella prossimità dell’organello da cui si è originata, in presenza di clatrina, non può più muoversi o

tornare indietro. In più, le vescicole che originano da un organello, hanno un rivestimento particolare che è

diverso da quello che origina da un altro organello. Questo serve perché non ci sia confusione nel traffico

vescicolare intracellulare. Successivamente, le vescicole devono liberarsi, per permettere la successiva

fusione.

Questa è una visione del complesso di adattamento: si legano specifici segnali che sono presenti sui recettori

e che servono per legare specifici complessi d’adattamento. Abbiamo visto l’adattatina, un complesso che

serve per la formazione delle vescicole rivestite di clatrina, ma ogni complesso, quelli di COP I o II

richiedono tipi diversi di complessi adattatori. Questi sono posti sul dominio dei recettori che sporgono nel

citoplasma (i recettori sono proteine trans-membrana) riconosciuti specificamente dal complesso adattatore.

Questa è la visione della polimerizzazione della dinamina: la dinamina polimerizza formando una struttura

elicoidale attorno alla membrana e man mano “strozza” le due membrane in modo che si avvicinino. Lo

scopo è di avvicinare gli strati lipidici, in modo che vadano a fondersi spontaneamente. Nello strizzare la

struttura, l’acqua viene spinta verso la vescicola o verso l’interno dell’organello, in modo da rendere

l’ambiente sempre meno acquoso e più favorevole allo scambio di molecole tra i due strati lipidici. La

fusione tra due membrane è favorita quando tra le due non è presente l’acqua, perché, essendo i doppi strati

anfipatici, se c’è un ambiente acquoso e ionico in mezzo, è impossibile che le membrane possano fondere (lo

stesso principio vale anche per la fusione delle vescicole col loro bersaglio).

Come si separa il rivestimento dalle vescicole?

Il rivestimento si separa grazie ad alcune proteine presenti nel citosol. La oxidina è una chaperonina della

classe hsp70. Questa, modifica la struttura dei trischeli della clatrina impedendone il legame ai complessi

adattatori. A questo punto, in assenza della clatrina, anche i complessi adattatori si dissociano, per cui la

vescicola rimane priva della clatrina ma anche dei complessi adattatori sulla superficie dei recettori.

Le vescicole rivestite da COP II

Queste vescicole appartengono alla prima tappa del percorso biosintetico. Esse gemmano dal

reticolo endoplasmatico e contengono un carico composto da: proteine solubili (che si legano a

specifici recettori), alcune proteine legate alla membrana, alcune v-SNARE e altre proteine

deputate all' “impacchettamento” del carico, condizione necessaria per permettere alla vescicola di

trasportare un carico abbondante in un volume molto contenuto.

Nella formazione della vescicola di COP II è impiegata una piccola proteina G, chiamata Sar1:

inattiva se legata al GDP, si attiva grazie ad uno scambio con il GTP, con conseguente

cambiamento conformazionale ed esposizione di un'elica anfipatica, formata da residui

amminoacidici ionici e idrofobici. La parte idrofobica di questa elica permette il legame tra Sar1 e il

reticolo endoplasmatico (sul versante citosolico) e l'assemblamento di altri componenti che,

successivamente, andranno a legarsi sia al recettore che al COP II. La formazione della vescicola

termina con la separazione tra questa e il reticolo endoplasmatico, grazie alla dinamina.

Similmente, nel Golgi, avviene l'assemblaggio delle vescicole rivestite da COP I, grazie alla

proteina ARF, anch'essa di tipo G.

Le proteine RAB

Le proteine Rab sono piccole GTPasi fondamentali nella fusione delle vescicole e nel loro

riconoscimento da parte dell'organello target; ne esistono di vari tipi, a seconda dell'organello di

origine. Esse si legano alle membrane grazie alla presenza di un gruppo prenile (non c'è un' alfa

elica), che permette la formazione di un legame covalente tra un lipide e, appunto, una proteina.

Finché le Rab sono legate al GDP rimangono inattive nel citoplasma, ma, entrando in contatto con

il GDF (fattore di asportazione del GDI), scambiano il GDP con il GTP e si attivano, in modo che il

gruppo prenile sia libero di interagire con la membrana dell'organello interessato. Tale scambio

avviene quando la vescicola è in fase di formazione da un organello membranoso (a prescindere

da quale sia il suo rivestimento), per cui, alla fine, presenterà sulla parte citoplasmica una molecola

di Rab legata al GTP. Successivamente, viene trasportata fino al suo bersaglio, sulla superficie del

quale verrà riconosciuta da una specifica proteina, chiamata effettore di Rab. Dopo che la

vescicola si è fusa con l'organello target, la Rab idrolizza il GTP e si stacca dal doppio strato

lipidico, per poi rimanere nel citoplasma, in attesa di essere riciclata per un' altra vescicola.

I fosfatidilinositoli

I fosfatidilinositoli sono altre molecole deputate al riconoscimento della vescicola da parte

dell'organello a cui essa deve fondersi. Si distinguono tra loro per il numero e per le diverse

posizioni assunte dai gruppi fosfato, ognuno dei quali si lega all'inositolo tramite un gruppo -OH

(fatta eccezione per il fosfatidilinositolo non fosforilato). Queste molecole possono convertirsi,

tramite fenomeni di fosforilazione e defosforilazione, nel momento in cui la vescicola si fonde con

la membrana del target, per assumere un nuovo codice, ovvero la forma tipica che hanno in

questo bersaglio.

In conclusione, sulla membrana della vescicola sono presenti due tipi di molecole specifiche che

operano da chiavi di riconoscimento: la Rab e i fisfatidilinositoli. Mentre le prime rappresentano un

codice proteico, i secondi fungono da codice lipidico. Le membrane degli organelli target, quindi,

devono possedere dei domini in grado di riconoscere entrambi: ad esempio, il Pleckstrin

Homology domain, presente nelle fosfolipasi, si lega ai derivati fosforilati dei fosfatidilinositoli. Oltre

a ciò, questo codice di riconoscimento serve anche nell'interazione tra le vescicole e i complessi

di cattura, ovvero proteine con lunghi domini coiled-coil, costituiti da un superavvolgimento di due

alfa eliche, dai filamenti particolarmente lunghi. Questi domini sono legati alla Rab e al target e

contribuiscono al loro avvicinamento.

Le proteine SNARE

Una volta avvicinata al bersaglio, la vescicola deve fondersi con esso, per cui interviene un

ulteriore tipo di proteine: le SNARE (Soluble nethylmaleimide sensitive factor attachment protein

receptor). Queste si dividono in due sottogruppi, a seconda della loro locazione sulla membrana

vescicolare o su quella del target, per cui si può parlare, rispettivamente, di v-SNARE e t-SNARE.

I due tipi di complessi si riconoscono vicendevolmente e in modo altamente specifico, instaurando

un legame tra ligando (le prime) e recettore (le seconde).

Le SNARE sono proteine transmembrana, caratterizzare da una struttura a L, che hanno la

possibilità di formare un eterodimero, composto da (tipicamente) una molecola di v-SNARE e una

di t-SNARE. Le parti citoplasmatiche di queste due molecole formano un superavvolgimento,

andandosi ad attorcigliare l'una con l'altra. A questo punto, la loro conformazione assume una

forma rettilinea e le membrane della vescicola e del bersaglio si avvicinano, con conseguente

espulsione dell'acqua tra le due strutture. Si pensa che, oltre a mediare la fusione, le SNARE siano

soggette ad un meccanismo a interruttore che controlla il successivo disassemblaggio del dimero,

passaggio necessario per poter “riciclare” le proteine: si parla dunque di un fattore di

dissociazione, chiamato NSF, che favorisce la dissociazione delle due proteine. Alla fine, le v-

SNARE tornano al loro organello di partenza, attraverso il traffico vescicolare retrogrado.

Cosa succede dopo l'apparato di Golgi?

Ovvero: come fanno le proteine ad attraversare il citoplasma e ad essere indirizzate al loro

bersaglio?

Possiamo distinguere tre tipi di spostamenti:

1. ritorno al reticolo endoplasmatico: riguarda sia le proteine “riciclate” che quelle che vi

tornano dopo essere state modificate nell'apparato di Golgi;

2. via esocitotica: dal reticolo trans del Golgi, le molecole vengono trasportate fino alla

membrana plasmatica. Esse vengono depositate nel lume del Golgi e finiscono per essere

secrete nello spazio extracellulare, oppure vengono portate dalla sua membrana alla

superficie della membrana plasmatica;

3. via endocitotica: coinvolge la formazione di vescicole da parte della membrana

plasmatica, vescicole che andranno a fondersi con delle altre, originate invece

dall'apparato del Golgi, formando una struttura chiamata endosoma primario.

Successivamente, questo matura nell'endosoma tardivo, che, a sua volta, si modifica e

prende il nome di lisosoma.

Il destino delle proteine dipende da varie modificazioni che possono subire e da segnali presenti

nella loro stessa struttura. Ad esempio, la sequenza KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu) è presente in

alcune proteine che si spostano dal reticolo endoplasmatico, dove sono sintetizzate, all'apparato di

Golgi e viceversa. In prossimità del Golgi, essere possono legarsi ad uno specifico recettore,

grazie al quale possono poi essere localizzare in vescicole rivestite da COP I, e questo permette

loro di tornare al reticolo.

Altre proteine possiedono invece un segnale, che permette la localizzazione degli endosomi, dato

dalla modificazione di una glicosilazione in -N: il mannosio-6-fosfato.

La via secretoria (esocitotica)


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AUTORE

peppotta

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DETTAGLI
Esame: Citologia
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in medicina e chirurgia 1 (ordinamento U.E. - 6 anni)
SSD:
Università: Padova - Unipd
A.A.: 2015-2016

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher peppotta di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Citologia e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Padova - Unipd o del prof Zavan Valeria.

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