Citologia - parte 2

Complesso di Golgi

Il complesso di Golgi fu scoperto dal biologo italiano Camillo Golgi nel 1898, durante un esperimento sulle cellule nervose del sistema nervoso centrale. Applicando la colorazione alle cellule nervose del cervello, scoprì una rete di colorazione scura situata vicino al nucleo, ovvero il complesso di Golgi. Premio Nobel nel 1906.

Il complesso di Golgi è un insieme di cisterne appiattite (da 3 a 20) poste una sopra l'altra a formare una pila, associate a vescicole e tubuli. Le cisterne sono interconnesse da tubuli membranosi. Una singola cellula, a seconda del tipo, può contenere da poche a parecchie migliaia di pile. È correlato dal punto di vista funzionale al RER. Il RE produce proteine, il Golgi ne completa l'elaborazione: nel Golgi, infatti, continua la glicosilazione delle proteine. Nel Golgi avviene anche la sintesi di polisaccaridi complessi come glicosamminoglicani (GAG), pectine, emicellulosa (xilani, mannani…).

Cosa accade tra il RER e il Golgi?

• Le vescicole gemmano da tratti di membrana del RER privi di ribosomi.
• Le vescicole si fondono tra loro a formare vescicole più grandi e tubuli interconnessi tra la regione del RE e il complesso di Golgi. Regione: ERGIC (Endoplasmic Reticulum Golgi Intermediate Compartment), vescicole + tubuli: VTC. I VTCs si muovono lungo "binari" composti da microtubuli e giungono al complesso di Golgi.

Le vescicole gemmano da un dominio laterale (tubulare) di ogni cisterna del Golgi. Il complesso di Golgi è suddiviso in 3 parti, ognuno con una funzione specifica:

• Cisterne cis (o di formazione): cisterne più vicine al RE. Ricevono le vescicole dal RE. Sono formate da una rete di tubuli e vescicole chiamata rete cis del Golgi (CGN: Cis Golgi Network), la cui funzione è quella di smistare le proteine, dividendo quelle che devono essere rispedite al RE da quelle che possono proseguire nel Golgi.
• Cisterne mediali.
• Cisterne trans (o di maturazione): cisterne rivolte verso la membrana plasmatica. Sono formate da una rete di tubuli e vescicole chiamata rete trans del Golgi (TGN: Trans Golgi Network), la cui funzione è quella di smistare le proteine.

Si pensa che il complesso Golgi sia sostenuto da uno scheletro composto da proteine, come spettina, anchirina e actina. È stato ipotizzato che un gruppo di proteine fibrose costituisca una sorta di "matrice" di Golgi, la quale svolge un ruolo importante nel disassemblaggio e il riassemblaggio del complesso di Golgi durante la mitosi.

Cosa succede nel complesso di Golgi?

Nel complesso di Golgi prosegue la glicosilazione delle proteine, mediata dalla sequenza di glicosil-transferasi che le proteine incontrano man mano che passano nelle cisterne. La glicosilazione nel Golgi è diversa da quella che avviene nel RER: nel RER viene assemblato un singolo oligosaccaride di base, mentre nel Golgi vengono prodotti carboidrati molto vari e complessi.

Tappe:

• Rete cis del Golgi: smistamento delle proteine, fosforilazione di oligosaccaridi su proteine lisosomiali.
• Cisterna cis: rimozione mannosio. Quando le proteine attraversano le cisterne cis e mediali del Golgi anche la maggior parte dei residui di mannosio viene rimossa dagli oligosaccaridi di base e vengono aggiunti altri zuccheri da parte delle glicosil-transferasi.
• Cisterna mediale: rimozione mannosio, aggiunta di N-Acetilglucosammina (GlcNAc).
• Cisterna trans: aggiunta di galattosio (Gal), aggiunta di acido sialico da parte dell’enzima sialil-transferasi.
• Rete trans del Golgi: solfatazione di tirosine e carboidrati, smistamento delle proteine. La destinazione delle proteine può essere:
  • Lisosomi
  • Membrana plasmatica
  • Vescicole secretorie

Teorie sul movimento dei materiali attraverso il complesso di Golgi

Gli scienziati proposero 2 diverse teorie riguardo al movimento dei materiali attraverso il complesso di Golgi:

Modello del trasporto vescicolare (1985-fine 90)

Il carico viene trasportato da vescicole dalla regione cis alla regione trans. Le vescicole gemmano da un compartimento e si fondono con il compartimento adiacente. Le cisterne non si muovono, rimangono stabili.

Osservazioni a sostegno di questa teoria:

• Ciascuna cisterna possiede una popolazione di enzimi residenti diversa e come sarebbe possibile se ogni cisterna desse origine a quella successiva? (altra teoria)
• Sono state osservate vescicole che gemmano dai margini delle cisterne del Golgi con movimento anterogrado (da cis a trans).

Modello della maturazione delle cisterne (1985)

Si supponeva che le cisterne del Golgi fossero strutture transitorie: si pensava che ogni cisterna si muovesse fisicamente dall'estremità cis verso quella trans, cambiando composizione durante la progressione.

Osservazioni a sostegno di questa teoria:

• Il complesso di Golgi è dinamico
• È stato dimostrato che alcuni materiali che sono prodotti nel RE e viaggiano all'interno del complesso di Golgi rimangono sempre all'interno delle cisterne del Golgi e non compaiono mai all'interno delle vescicole di trasporto. Es: i fibroblasti che contengono molecole di precollagene si muovono da cis a trans senza mai lasciare il Golgi.
• Se il trasporto RE-Golgi è bloccato con farmaci, il Golgi scompare, se il farmaco viene sospeso il Golgi si riassembla rapidamente.
• Sono state osservate vescicole anche con direzione retrograda (da trans a cis).

Quale dei due modelli è stato accettato? Il modello di maturazione delle cisterne tiene in considerazione anche le vescicole di trasporto che si muovono con movimento retrogrado. Però la controversia non è stata ancora risolta!

Vescicole di trasporto

Le vescicole di trasporto sono rivestite da un rivestimento proteico sul lato citosolico. Esso possiede 2 funzioni:

• Dispositivo meccanico: induce la membrana a curvarsi e a formare una vescicola in gemmazione.
• Meccanismo di selezione: seleziona i componenti che devono essere trasportati nella vescicola.

Il rivestimento proteico è composto da 2 strati:

• Strato esterno: strato di proteine che forma un’impalcatura.
• Strato interno: funziona da adattatore per selezionare le proteine che la vescicola deve trasportare al suo interno.

Esistono 3 tipi di proteine di rivestimento (coat protein):

• Vescicole rivestite da COP I: spostano il materiale in senso retrogrado, dall’ERGIC e dal Golgi verso il RE. Riportano indietro.
• Vescicole rivestite da COP II: spostano il materiale in senso anterogrado, dal RE all’ERGIC e al Golgi.
• Vescicole rivestite da clatrina: sposta il materiale dal TGN (rete trans del Golgi) a endosomi, lisosomi e vacuoli e dalla membrana plasmatica ai compartimenti citoplasmatici lungo la via endocitica.

Trasporto vescicolare

• Esocitosi: la vescicola libera il contenuto all’esterno della cellula per fusione con la membrana plasmatica. Il movimento delle vescicole di esocitosi è guidato dai microtubuli sui quali le vescicole scorrono grazie a proteine motrici.
• Endocitosi: processo attraverso il quale la cellula internalizza recettori di superficie e ligandi extracellulari. Si divide in:
  • Endocitosi generalizzata (pinocitosi): assunzione di particelle liquide da parte di una cellula.
  • Endocitosi mediata da recettori: porta all’assunzione di specifiche molecole extracellulari (ligandi) dopo che esse si sono legate ai recettori presenti sulla faccia esterna della membrana plasmatica della cellula.
• Fagocitosi: ingestione di grosse particelle (> 0,5 μm) o di microorganismi da parte di eucarioti unicellulari (es: amebe e ciliati) per acquisire cibo o di cellule fagocitarie. Le particelle vengono avvolte da estroflessioni della membrana plasmatica (pseudopodi) e trasportate all’interno della cellula attraverso un vacuolo (fagosoma). Il fagosoma poi si fonde con un lisosoma e così la particella viene digerita dal fagolisosoma.

Lisosomi

Sono organelli digestivi della cellula animale. Contengono enzimi idrolitici, chiamati idrolasi acide (pH 4-5), che sono prodotti nel RER e sono in grado di idrolizzare qualsiasi macromolecola biologica. Il loro aspetto al microscopio appare irregolare, né distinto né uniforme, rendendo difficile il riconoscimento a microscopio (es: cellula Kupffer del fegato).

Hanno un ruolo chiave nel turnover (ricambio) degli organelli, cioè nella loro distruzione e sostituzione, processo chiamato autofagia. Come avviene? Attorno all’organello da digerire si crea una doppia membrana in modo da costituire una struttura detta autofagosoma (la sua origine è incerta, si pensa al RE). L’autofagosoma si fonde con un lisosoma formando un autofagolisosoma, in cui l’organello viene degradato. L’organello diventa corpo residuo, che può essere:

• Reso utile alla cellula trattenuto nel citoplasma della cellula come granuli di lipofuscina (non eliminabili per esocitosi).
• Eliminato per esocitosi.

La cellula può andare incontro ad autofagia se si ritrova senza nutrimento, dunque "cannibalizza" i suoi organelli per ricavare energia.

Perossisomi

Sono organuli delimitati da una membrana paragonabili come dimensioni ai lisosomi. Sono abbondanti nelle cellule renali e negli epatociti di mammiferi. Ruolo: attuano l’ossidazione degli acidi grassi, degli amminoacidi. Sono il sito di formazione del H₂O₂ durante i processi di ossidazione e sono il sito di degradazione del H₂O₂ grazie alla catalasi. Il loro numero si accresce per divisione di perossisomi preesistenti e non per fusione di vescicole.

Citoscheletro

Il citoscheletro è una componente proteica fondamentale della cellula.

Funzione

• Impalcatura dinamica: fornisce il supporto strutturale alla cellula, ne determina la forma e resiste alle forze che tendono a deformarla.
• Forma un reticolo interno: determina la posizione degli organuli e molecole, genera specializzazioni. Costituisce una rete di binari per dirigere movimenti di materiali e organuli nella cellula.
• È un apparato generatore di forze che permette lo spostamento delle cellule: organismi unicellulari strisciano sulla superficie di un substrato oppure si muovono nell’ambiente liquido tramite ciglia o flagelli; altre cellule sono capaci di locomozione indipendente (es: spermatozoi, fibroblasti, globuli bianchi).
• Macchinario fondamentale per la divisione cellulare: fuso mitotico e anello contrattile.

Struttura

Il citoscheletro è costituito da 3 principali strutture filamentose: esse sono polimeri di subunità proteiche tenute insieme da legami deboli non covalenti, che fanno sì che il citoscheletro possa rapidamente assemblarsi e disassemblarsi. I 3 tipi di filamenti sono:

• Microtubuli
• Microfilamenti
• Filamenti intermedi

Microtubuli

• Sono strutture cave, tubulari, rigide. Sono i componenti di numerose strutture, tra cui il fuso mitotico e l’asse centrale di ciglia e flagelli.
• Hanno un diametro di 25 nm e una parete di spessore 4 nm.
• La parete è formata da protofilamenti, ovvero proteine globulari disposte in file longitudinali e allineate parallelamente all’asse longitudinale del tubulo. Ogni microfilamento è formato da 13 protofilamenti disposti in modo circolare (i protofilamenti adiacenti non sono allineati, ma sono sfalsati di circa 1 nm e per questo motivo le molecole di tubulina sembrano avere una disposizione a elica attorno alla circonferenza del microtubulo). Ogni protofilamento è costituito da dimeri formati da una subunità di α-tubulina e da una subunità di β-tubulina; essendo ogni dimero costituito da due subunità diverse, il dimero è un eterodimero. Per questo motivo il protofilamento è asimmetrico, con un α-tubulina ad un’estremità e una β-tubulina all’altra. Il polimero ha una polarità: l’estremità (+) termina con la β-tubulina, l’estremità (-) termina con l’α-tubulina. L’elica è interrotta nel punto in cui le subunità α e β di due protofilamenti adiacenti entrano in contatto; tra i due protofilamenti si forma così una “cucitura”.
• Nelle cellule eucariotiche esistono 2 tipi di microtubuli:
  • Microtubuli citoplasmatici determinano la forma di una cellula. Si estendono radialmente verso la periferia del citoplasma a partire dall’area intorno al nucleo.