Citologia - parte 2

Citologia

Citoplasma

È costituito da una parte corpuscolata (organuli), in cui l'organulo più grande è il nucleo, e da una parte non corpuscolata chiamata citosol, una soluzione acquosa che contiene sali, molecole organiche piccole, medie, o grandi macromolecole come le proteine.

Ribosomi

Organelli piccoli, hanno un diametro di 30 nm. Sono costituiti da due subunità, una maggiore e una minore, che si assemblano solo al momento della traduzione. Hanno un diverso coefficiente di sedimentazione le subunità dei ribosomi della cellula eucariote rispetto a quelli della procariote. Entrambe le subunità sono costituite da proteine e da rRNA. Ci sono differenze tra il tipo di proteine e il tipo di rRNA che costituisce il ribosoma eucariotico e procariotico. I ribosomi hanno la funzione di sintetizzare le proteine; le due subunità del ribosoma vengono sintetizzate nel nucleolo della cellula, vanno nel citoplasma e si assemblano solo quando la subunità minore si assembla all'mRNA e inizia il processo di traduzione della sequenza di nucleotidi in una sequenza di amminoacidi che costituirà la proteina. Nelle cellule degli eucarioti i poliribosomi si possono trovare sia come poliribosomi liberi nel citosol sia come poliribosomi legati alle membrane del reticolo endoplasmatico ruvido (RER) o alla membrana esterna dell'involucro nucleare.

Sintesi delle proteine

• Duplicazione del DNA
• Trascrizione
• Traduzione

Viene trascritto un solo filamento della molecola di DNA, che viene definita come unità di trascrizione. Abbiamo 3 tipi di RNA:

• mRNA, che codifica e porta informazioni durante la trascrizione dal DNA ai siti della sintesi proteica;
• rRNA, che costituisce il ribosoma;
• tRNA, che legge la sequenza di nucleotidi e assembla gli amminoacidi corrispondenti alla sequenza di nucleotidi.

Dal momento che ciascun codone è costituito da tre basi, il codice è definito codice a tripletta di cui la metionina (AUG) è il codone di inizio mentre i rimanenti tre codoni (UAA, UAG e UGA) sono codoni di terminazione o codoni di stop. Nella trascrizione un gene specifico (molecola di DNA) viene trascritto in una molecola di mRNA, che andrà poi nel citoplasma. Quindi nel nucleo, grazie a un complesso di enzimi (RNA-polimerasi), viene costruito un filamento complementare a quello del filamento di DNA. L’mRNA, appena viene trascritto, è molto più lungo di quello che invece andrà nel citoplasma perché contiene sequenze che non fanno parte di quelle necessarie per costruire una determinata proteina; queste sequenze (introni perché stanno dentro al nucleo) vengono tagliate da enzimi specifici con un meccanismo che prende il nome di splicing. Le parti che rimangono prendono il nome di esoni. Gli viene attaccato un cappuccio all’estremità 5, è una coda di poli A, che serve per completarlo.

Quando la molecola di DNA viene trascritta nei tre tipi di RNA, la cellula per costruire un filamento complementare a quello di DNA utilizza sempre gli stessi nucleotidi, ma quando essa costruisce una proteina, sull’mRNA deve tradurre i nucleotidi in amminoacidi. Quindi la sequenza di nucleotidi viene letta a triplette, formando i codoni, la cui sequenza identifica un determinato amminoacido. Più triplette identificano uno stesso amminoacido. C’è una tripletta che funge da codone iniziale e altre tre che fungono da codoni di stop. Il tRNA legge un codone e gli fa corrispondere un determinato amminoacido. È formato da circa 80 nucleotidi a singolo filamento con alcune parti a doppia elica. Ha due siti fondamentali: il sito per l’amminoacido e l’anti codone corrispondente all’amminoacido legato. Un enzima, l’amminoaciltransferRNAsintetasi, catalizza la sintesi del tRNA legato all’amminoacido.

Nella subunità maggiore del ribosoma ci sono 3 siti:

• Sito A: Sito di legame per l’amminoaciltransferRNA (un singolo RNA legato a un singolo amminoacido).
• Sito P: Sito di legame per il peptidiltransferRNA (il tRNA che porta la catena di amminoacidi).
• Sito E: Sito da cui escono i tRNA quando si liberano degli amminoacidi che portano.

Ci sono 3 passaggi per la sintesi proteica: inizio, allungamento e fine. Inizio: le subunità del ribosoma si assemblano con utilizzo di energia, dopo di che il ribosoma si assembla con l’mRNA e inizia la sintesi delle proteine. Contemporaneamente arriva il primo tRNA con la metionina (AUG) e si mette nel sito P. Allungamento: nell’mRNA abbiamo i codoni, arriva un altro tRNA che ha l’anticodone che corrisponde al secondo codone dell’mRNA e va nel sito A, così si forma il legame peptidico tra i due amminoacidi che sono portati dai due tRNA. Il ribosoma si sposta di un codone, quindi il nuovo codone andrà nel sito A, il vecchio nel sito P e il tRNA iniziale andrà nel sito E. Questo procedimento si ripete fino alla fine. Fine: arrivano i codoni di stop, il sistema capisce che la catena è finita e arriva un fattore di rilascio che corrisponde ai codoni di stop, il quale fa sì che il sistema si disassembli, i polipeptidi si liberano nel citoplasma, le due subunità del ribosoma si separano e anche l’mRNA.

Il sistema membranoso citoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi svolgono insieme varie funzioni, tra cui la produzione di secreti; insieme infatti costituiscono le vie secretorie. Le proteine vengono liberate nel citoplasma dai ribosomi: esistono due vie che esse percorrono; il primo è l’indirizzamento cotraduzionale delle proteine (via secretoria), il secondo è la via posttraduzionale.

Cotraduzionale

Mentre la proteina viene tradotta sul ribosoma, quella viene indirizzata nel citoplasma verso una membrana del RER. Il ribosoma, che sta producendo una proteina specifica, la quale deve entrare dentro il RER, la spedisce all’interno. A sintesi ultimata, possono rimanere nel lume o nelle membrane del RER o essere trasportate all’apparato di Golgi e poi agli endosomi e lisosomi, alla membrana plasmatica o a membrane intracellulari, diventando proteine integrali di membrana, o all’esterno della cellula mediante vescicole secretorie e quindi essere secrete come proteine di secrezione. Infine le proteine neo sintetizzate sui ribosomi e associati all’involucro nucleare passano nello spazio perinucleare compreso tra i due strati dell’involucro. L’indirizzamento delle proteine avviene tramite delle sequenze segnale.

Post-traduzionale

Dopo la produzione la proteina è indirizzata nel citoplasma e andrà a svolgere la sua funzione in vari compartimenti (mitocondri, cloroplasti ecc) o nel nucleo per formare le subunità del ribosoma. Il corretto ripiegamento della proteina è aiutato da proteine specifiche, dette proteine chaperon, che servono anche per indirizzare le proteine verso i compartimenti in cui devono andare.

Il reticolo endoplasmatico

Si divide in due tipi: liscio e rugoso, che sono tra loro in continuità. I due differiscono per la forma (il liscio è costituito da tubuli e saculi, mentre il rugoso è costituito da saculi e cisterne e ha i ribosomi sulla membrana). Entrambi sono presenti in tutte le cellule, ma sono presenti in volume diverso a seconda del fatto che serva più uno o l’altro. Il RER è il punto di partenza della via biosintetica, o via secretoria. Il RER è molto sviluppato anche nel corpo cellulare (detto anche soma o pirenoforo) delle cellule nervose.

Come si associano i ribosomi al RER?

Il ribosoma è libero nel citoplasma, traduce una proteina che inizia con una sequenza particolare di amminoacidi, che le permette di entrare nel RER. Un piccolo complesso di RNA e proteine, detto SRP (signal recognition particle) si lega alla sequenza segnale facendo sì che il ribosoma interrompa la sintesi delle proteine, si muove nel citoplasma fino ad arrivare alla membrana del RER, dove c’è un recettore SRP che riconosce l’SRP e si lega ad esso. Il ribosoma si muove sulla membrana finché non incontra il traslocone, un grosso canale proteico di membrana che serve per far passare le proteine all’interno del lume del RER. A questo punto SRP capisce che non serve più, si stacca e se ne va; il ribosoma inizia la sintesi delle proteine e la proteina entra dentro il lume del RER. All’interno, un enzima detto peptidasi del segnale taglia il segnale che non serve più e la proteina entra nel RER. Alla fine si staccano le subunità del ribosoma e ricomincia tutto.

Non tutte le proteine che entrano nel RER si liberano nel lume, diverse restano inserite nella membrana: cioè, tutte le proteine integrali di membrana che dovranno essere localizzate nella membrana plasmatica o nella membrana del RE, dell’apparato di Golgi, degli endosomi e dei lisosomi.

Cosa succede all’interno del RER?

Oltre al ripiegamento delle proteine, all’interno del RER abbiamo un processo detto glicosilazione in N. Vengono aggiunti 14 monosaccaridi alla nostra proteina, che si legano all’azoto di una proteina specifica detta asparagina. Il RER ha nella sua membrana tanti oligosaccaridi, che sono quelli che legherà successivamente alle proteine. Di questi 14 zuccheri che vengono attaccati, ci sono mannosio e fruttosio. Successivamente, gli zuccheri legati all’asparagina diventano 10. Anche la glicosilazione contribuisce al corretto ripiegamento della proteina.

Funzioni di RER e REL

Una funzione che il RER e il REL svolgono insieme è quella della sintesi di nuova membrana. Il ribosoma si posiziona sul traslocone, viene tagliata la sequenza segnale della proteina, che si inchioda dentro il traslocone. Questo accade perché la proteina ha nella sequenza degli amminoacidi che la costituiscono una sequenza di arresto. Questa proteina diventerà quindi una proteina trans membrana. Il RER e il REL costituiscono in continuazione nuova membrana, perché le sostanze entrano dentro i vari compartimenti tramite l’invaginazione di vescicole che poi si staccano e questo implica che la membrana si consumi in continuazione, quindi deve essere continuamente ricostruita dal RE e il Golgi. Il RER si occupa della componente proteica della membrana, mentre il REL si occupa della componente lipidica. Il RER identifica la proteina che deve diventare di membrana; il traslocone ha la capacità di aprirsi e chiudersi, fa passare la proteina che va a fissarsi nella membrana, poi il traslocone si richiude e continua a fare il suo lavoro. In questo modo si formano le proteine transmembrana.

Il REL

Una delle sue funzioni fondamentali è la sintesi di lipidi, tra cui ci sono i lipidi di membrana che vengono aggiunti sulla membrana grazie a degli enzimi che si trovano sulla faccia esoplasmatica della membrana e catalizzano la sintesi dei lipidi per aggiungerli sulla faccia esoplasmatica della membrana, ma ci sono altri enzimi come flippasi, scramblasi ecc che scambiano i fosfolipidi della membrana per equiparare la quantità di lipidi tra un foglietto e l’altro. Le flippasi e le floppasi sistemano qualitativamente nei due foglietti i fosfolipidi specifici per i due foglietti, perché in quello esterno c’è soprattutto la fosfatidilcolina mentre in quello interno soprattutto la fosfatidilserina. Inizialmente i lipidi vengono posizionati nel foglietto esterno, poi ci sono gli enzimi che regolano questo meccanismo sia quantitativamente che qualitativamente posizionando correttamente i fosfolipidi specifici dei due foglietti. Sintetizza anche gli ormoni steroidei, in quel caso il REL è molto sviluppato. È importante anche per il metabolismo del glicogeno, quindi sia la sintesi del glicogeno che la sua demolizione. Inoltre svolge anche la funzione di detossificazione delle scorie metaboliche. Nel tessuto muscolare il REL è il deposito del calcio, perché ha una membrana con delle proteine specifiche che servono per far entrare e uscire il calcio quando il muscolo si deve contrarre (esce) e quando il muscolo si deve decontrarre (entra). Quando esce, essendo molto concentrato, esce in favore di gradiente di concentrazione (trasporto passivo), mentre quando entra si deve usare il trasporto attivo.

Apparato di Golgi

È un insieme di cisterne sovrapposte e appiattite che comunicano esclusivamente con cisterne cis (rivolta verso il RER) e cisterna trans (rivolta verso la membrana citoplasmatica della cellula). Tutte le altre le chiamiamo cisterne mediane. La prima cisterna e l'ultima non sembrano appiattite perché la prima riceve continuamente vescicole che gemmano dal RE e le passano al Golgi. Siccome ha una forma irregolare viene anche chiamata cis-Golgi-network. Della faccia trans si staccano continuamente le vescicole e per questo anch’essa è irregolare, per questo viene chiamata trans-Golgi-network (trasmette il secreto). Dalla faccia cis arrivano anche le vescicole di nuova membrana che sono state create dal RE.

La maggior parte delle vescicole provenienti dal RER contengono glicoproteine che vengono modificate nelle diverse cisterne del Golgi con tutta una serie di reazioni:

• Glicosilazione in O, in cui vengono aggiunti e modificati zuccheri alle proteine (aggiunti all’ossigeno). Avviene fondamentalmente a livello di due amminoacidi, che sono la serina e la treonina, due amminoacidi che hanno un gruppo OH ai quali vengono aggiunti piccoli oligosaccaridi.
• Deglicosilazione, in cui vengono staccati e modificati gli zuccheri che sono attaccati alle proteine;
• Fosforilazione, in cui viene aggiunto un gruppo fosfato;
• Solfatazione, in cui viene aggiunto un gruppo SH.

Le diverse glicoproteine che costituiranno la matrice extracellulare del tessuto connettivo vengono costruite nel Golgi. Il Golgi modifica anche la parte lipidica della membrana, in particolare si occupa della sintesi di sfingomielina e glicolipidi. Il Golgi rielabora nel passaggio da una cisterna all’altra i prodotti che arrivano dal reticolo endoplasmatico, ci sono enzimi diversi che svolgono funzioni diverse. Nella prima cisterna ci sono gli enzimi specifici per la fosforilazione, in particolare avviene la fosforilazione del mannosio. Nel Golgi vengono costituiti degli oligosaccaridi ad alto contenuto di mannosio che costituiranno le proteine lisosomiali. In base alla presenza della catena oligosaccaridica le glicoproteine vengono poi indirizzate. Il Golgi costruisce i secreti insieme al RER, la nuova membrana e i lisosomi, organuli importantissimi della cellula animale che servono per attuare la digestione cellulare utilizzando degli enzimi idrolitici. Le proteine che li costituiranno hann