Modulo di citologia (2)

Turnover delle membrane cellulari

Si è visto che tutti gli elementi delle membrane presenti all’interno di una cellula, che siano del reticolo, del Golgi, delle vescicole, o di altro, sono in continuo turnover: il reticolo endoplasmatico ruvido non è statico perché continuamente perde porzioni della sua membrana sotto forma di vescicole, quindi esse lasciano il reticolo e vanno verso il Golgi, questo fa capire che c’è un turnover delle membrane. Bisogna inoltre tenere presente che i fosfolipidi presenti a livello del reticolo endoplasmatico ruvido potrebbero essere diversi da quelli che poi costituiscono le membrane dell’apparato del Golgi, questo significa che intervengono degli enzimi che modificano la porzione idrofilica della testa del fosfolipide, ovvero i gruppi idrofilici (serina, fosfatidilserina…).

Funzioni delle proteine e dei lipidi

Pur essendoci questo continuo turnover fra gli elementi delle membrane, rimangono fisse alcune funzioni: le proteine sono continuamente sintetizzate dal reticolo endoplasmatico ruvido, i lipidi (fosfolipidi) sono sintetizzati a livello del reticolo endoplasmatico (intero reticolo endoplasmatico, liscio e ruvido), gli zuccheri vengono sintetizzati nel reticolo endoplasmatico ruvido. La sintesi delle catene polipeptidiche, ovviamente, non avviene solo nel reticolo endoplasmatico, ma avviene anche nel citosol, per proteine il cui destino è fuori dalla cellula, nella membrana della cellula, o verso gli organuli della cellula stessa; nel citosol avviene la sintesi delle proteine, definite solubili, che vengono utilizzate dalla cellula nel proprio citoplasma, proteine che andranno a costituire parti dei filamenti di actina, tubuline, filamenti intermedi, o proteine che sono utilizzate a livello del nucleo.

Mitocondri

Caratteristiche e struttura

I mitocondri sono organelli dinamici con forma bastoncellare, di lunghezza fino a 10 micrometri e di diametro di 0,5 – 1 micrometri. Sono in grado di fondersi e di scindersi, quando la fusione diventa più frequente tendono a diventare più allungati ed interconnessi, quando è predominante invece la scissione diventano più numerosi e distinti. Formano grandi reti interconnesse dette Network Mitocondriale.

In alcune cellule sono immobili nel sito dove devono fornire ATP, dal momento che questa è la loro principale funzione: per esempio nelle cellule muscolari sono disposti vicino all’apparato contrattile, che necessita di ATP, mentre negli spermatozoi sono localizzati nella coda, avvolti nella regione prossima al flagello (tratto intermedio). La loro struttura interna è caratterizzata dalla presenza di due membrane che costituiscono il margine esterno.

Membrane mitocondriali

• Membrana mitocondriale esterna: racchiude completamente il mitocondrio e ne rappresenta il confine, dunque ha funzione protettiva. È formata per il 50% da lipidi e contiene enzimi molto diversi, è liscia e si pensa che possa essere derivata dalla membrana esterna della parete cellulare in alcune cellule batteriche per la presenza di porine, strutture dinamiche che la rendono permeabile e molecole come l'ATP, il NAD e il coenzima A. Inoltre, presenta proteine di trasporto per il piruvato.
• Membrana mitocondriale interna: suddivisa in 2 domini interconnessi tramite le giunzioni delle creste: la matrice delimitante interna, che forma un rivestimento esterno a doppia membrana, e un secondo dominio della membrana che si estende verso l'interno dell'organello in una serie di invaginazioni membranose dette creste, che aumentano la superficie di assorbimento della membrana. A differenza di quella esterna, la membrana interna ha un rapporto proteine:lipidi di 3:1, è ricca di colesterolo e di cardiolipina (caratteristica della membrana plasmatica dei batteri). Il suo dominio lineare seleziona le molecole e contiene complessi proteici per il trasporto di proteine mitocondriali, proteine di trasporto per il piruvato, ATP e ADP e fosfato inorganico. Il suo dominio organizzato in creste contiene complessi proteici per il trasporto e il trasferimento di elettroni oltre al complesso ATP sintasi.

Le due membrane dividono l’organello in due compartimenti ripieni di fluido: lo spazio intermembrana e la matrice. Essa ha una consistenza di gel e un’alta concentrazione di proteine idrosolubili, presenta vari enzimi e parecchie molecole di DNA a doppio filamento, solitamente circolari. Dunque i mitocondri possiedono un loro materiale genetico e i macchinari per sintetizzare i loro RNA e proteine. Tale DNA è importante perché codifica per un piccolo numero di polipeptidi mitocondriali (13 nell’uomo) che vengono integrati nella membrana mitocondriale interna insieme a polipeptidi codificati da geni che risiedono nel nucleo.

Teoria endosimbionte

Secondo la teoria endosimbionte i mitocondri si sarebbero sviluppati a partire dalla fagocitosi di un batterio aerobio da parte di una cellula ancestrale che, incapace di vivere in condizioni di aerobiosi, ha conservato e sfruttato l’organello. Si pensa che tale cellula dovesse essere dotata di una membrana sufficientemente fluida per fagocitare un batterio.

Perossisomi

I perossisomi, anche detti microcorpi, sono semplici vescicole tondeggianti, circondate da una membrana del diametro di 0,1 – 1,0 micrometri. Spesso contengono un nucleo denso, cristallino, formato da enzimi ossidativi. Sono organelli multifunzionali che contengono più di 50 enzimi differenti che partecipano ad attività diverse, come l’ossidazione degli acidi grassi a catena molto lunga o la sintesi dei plasmalogeni (classe di fosfolipidi del tessuto nervoso in cui ogni acido grasso è legato al glicerolo con legame etero e non esterico).

Sono simili ai lisosomi per dimensioni e sono anche simili ai mitocondri in quanto: si formano per scissione da organelli preesistenti, importano proteine già formate dal citosol, sono impegnati nel metabolismo ossidativo, e attuano la formazione e la degradazione del perossido di idrogeno (H₂O₂), un agente ossidante tossico e altamente reattivo che viene prodotto da vari enzimi perossisomiali come l’uratossidasi, la glicolatossidasi e le amminoacidossiasi e viene tempestivamente scisso dall’enzima catalasi.

Analisi microscopica del citoplasma

Analizzando un epatocita di ratto al TEN, microscopio elettronico a trasmissione, si notano dei puntini neri, i quali rappresentano le molecole di glucosio che si accumulano sotto forma di granuli di glicogeno. Lo spessore della sezione è dell’ordine degli Armstrong, la visione tridimensionale riproduce parzialmente la cellula, e il corredo proteico imprime ad ogni organulo la sua prerogativa. Il citoplasma appare suddiviso in vari compartimenti delimitati da membrane, specializzati per compiere determinate funzioni:

• Reticolo endoplasmatico, complesso del Golgi, lisosomi e vacuoli: hanno strutture proprie e costituiscono il sistema endomembranoso, il quale è interconnesso, direttamente o indirettamente, strutturalmente e funzionalmente.
• Nucleoplasma: è la regione della cellula in cui si trova il materiale genetico.
• Cisterna perinucleare: formata da una membrana interna ed una esterna che si fondono alle estremità. Sulla membrana esterna sono adesi i ribosomi.
• Struttura visibile con spazio interno: è la prima struttura endomembranosa che costituisce il reticolo endoplasmatico da cui gemmano delle vescicole che devono transitare entro le cisterne per completare il loro processo di maturazione.
• Apparato del Golgi: un sistema di cisterne, ognuna delle quali non è in comunicazione con quella adiacente, ma sono in comunicazione attraverso le vescicole. Nella parte centrale si trovano delle cisterne omogenee nella loro morfologia, mentre la regione del trans-Golgi (orientata verso la membrana plasmatica) è estremamente dinamica. L’ultima cisterna raccoglie i prodotti finiti, pronti per essere veicolati, poi si svolge per permettere la veicolazione. La regione di formazione/transizione prende il nome di ERGIC. Le vescicole di trasporto verso il Golgi vengono dette VGT.

Reticolo endoplasmatico

Continuità tra reticolo endoplasmatico ruvido e liscio

C’è una continuità tra reticolo endoplasmatico ruvido e liscio, ciò significa che il lume di una cisterna del reticolo endoplasmatico ruvido e il lume di una porzione del reticolo endoplasmatico liscio sono in continuità. La porzione del reticolo endoplasmatico liscio ha una struttura tubuliforme, ma il suo lume è in continuità con il lume della cisterna del reticolo endoplasmatico ruvido.

Differenze tra reticolo endoplasmatico liscio e ruvido

La prima differenza tra reticolo endoplasmatico liscio e ruvido è il fatto che nel liscio c’è assenza di ribosomi, mentre nel ruvido c’è la presenza di ribosomi sul monostrato fosfolipidico citoplasmatico della membrana che delimita il reticolo (tenere presente che il ribosoma è appoggiato sulla membrana del reticolo, non attraversa il doppio strato fosfolipidico). I ribosomi sono adesi al reticolo endoplasmatico ruvido nel momento in cui stanno traducendo, ma completato questo processo si staccano e tornano come subunità libere nel citoplasma della cellula. Anche la morfologia dei 2 tipi di reticolo è molto diversa: tubulare per il liscio, cisternale per il ruvido.

La scoperta del fatto che i lumi dei 2 tipi di reticolo sono in continuità tra di loro deriva da esperimenti. Dei ricercatori hanno marcato con fluorocromi delle proteine localizzate a livello del lume del reticolo endoplasmatico liscio e delle proteine localizzate nel nucleo del reticolo endoplasmatico rugoso; risultato di questo esperimento è che dopo un certo intervallo di tempo le proteine marcate nel lume del liscio si ritrovavano a livello del nucleo del ruvido e viceversa, quindi erano libere di spostarsi, ciò dimostra la continuità tra i 2 comparti, confermata anche da esperimenti successivi.

Funzioni del reticolo endoplasmatico

Entrambi i tipi di reticolo sono delimitati da membrane, che racchiudono un lume, il quale è separato dal citosol; altra caratteristica è che il lume che è racchiuso da queste membrane è nettamente diverso dal citosol che è presente all’esterno delle strutture. Altri dati sperimentali hanno permesso di vedere che la qualità del lume cisternale, per esempio del reticolo endoplasmatico o dell’apparato del Golgi, è più simile all’ambiente extracellulare che all’ambiente citosolico, perché il lume delle vescicole che gemmano dal reticolo endoplasmatico, dopo essere passato nel Golgi, viene esportato nell’ambiente extracellulare, quindi è per questo motivo che il lume di questi comparti mantiene un’elevata similitudine con il lume cisternale. Lo spazio cisternale quindi viene mantenuto diverso, ad esempio in termini di concentrazioni ioniche, rispetto a quello citoplasmatico, e anche il pH è leggermente diverso.

Il fatto che ci sia continuità tra i 2 reticoli significa che il materiale può liberamente circolare, ma c’è un meccanismo di controllo atto ad indirizzare le proteine appena sintetizzate nel RER in vescicole che gemmando saranno dirette verso l’apparato del Golgi; quindi c’è sì una continuità dei materiali, ma il loro destino è strettamente controllato.

Essendoci continuità, ma essendo i 2 reticoli morfologicamente diversi, implica che ci siano similitudini e differenze funzionali, entrambi possono concorrere in determinati processi, ma per altri processi lavorano singolarmente. I due comparti presentano molte proteine in comune, condivise però solo per le funzioni che svolgono insieme: proteine, o enzimi, indispensabili per la sintesi di lipidi e specifiche proteine funzionali.

I ricercatori non si sono limitati a marcare con dei fluorocromi le proteine del lume del REL e quelle del nucleo del RER, ma hanno anche marcato dei lipidi localizzati sulle membrane delle 2 regioni e hanno visto che possono spostarsi da un comparto ad un altro, questo presuppone che ci siano degli organismi di controllo che sottintendano alla produzione di determinate molecole. Si è anche visto che entrambi, RER e REL, non solo collaborano per la sintesi di specifici fosfolipidi, ma insieme collaborano anche alla produzione del colesterolo, estremamente importante per essere inserito in punti strategici di una membrana, cellulare o plasmatica, per regolarne la fluidità. Quindi la sintesi di specifici fosfolipidi e di colesterolo è a carico del reticolo endoplasmatico (senza distinzione tra ruvido e liscio). Si è anche visto però che specifiche proteine ed enzimi lavorano solo a livello del RER e altre solo a livello del REL.

Come detto, tra i 2 tipi di reticolo ci sono differenze morfologiche: anche se ci sono porzioni che si distaccano da entrambi, il liscio continua a mantenere la sua struttura tubulare, mentre il ruvido continua a mantenere la sua struttura a cisterne; e queste differenze morfologiche riflettono una diversa funzionalità: il ruvido presiede principalmente la sintesi proteica, mentre il liscio svolge tante altre funzioni (per esempio, in cellule specifiche, diventa serbatoio contro gradiente degli ioni calcio). Il RER è costituito da cisterne appiattite, sulla superficie citoplasmatica sono presenti i ribosomi e alcune cisterne sono in continuità (solo) con la membrana nucleare esterna. Il REL è privo di ribosomi ed è formato da tubuli che generano un sistema di canali interconnessi. Nel nostro organismo ci sono diverse tipologie cellulari, tipi diversi di cellule hanno quantità diverse di RER o di REL, a seconda anche delle funzioni che devono svolgere.

Meccanismi di sintesi proteica

I ribosomi che sono legati al RER e i ribosomi che traducono una proteina nel citosol sono uguali o sono diversi? (se sono diversi vuol dire che un ribosoma sa dove deve avvenire la sintesi di una proteina a livello del ruvido, se sono uguali vuol dire che deve esserci qualche altro meccanismo che dirigerà il ribosoma verso il ruvido o lo obbligherà a rimanere all’interno del citosol). Sono uguali, non c’è differenza, quindi dovrà esserci qualche altro meccanismo che deciderà se quel ribosoma (subunità maggiore e subunità minore) dovrà legarsi al reticolo ruvido o rimanere nel citosol per fare traduzione e sintetizzare una proteina.

Funzioni specifiche del reticolo endoplasmatico liscio

• Cellule con grande quantità di REL: Ci sono esempi che si possono prendere in considerazione, che contengono grandi quantità di REL, associate al suo maggior grado di sviluppo: cellule della muscolatura scheletrica, tubuli renali, cardiociti, ghiandole endocrine (preposte alla produzione di ormoni steroidei, che vengono sintetizzati a livello del REL). La sintesi degli ormoni steroidei avviene a livello delle gonadi (sia maschili che femminili) o a livello della corteccia surrenale, gli ormoni poi viaggiano nel sangue e tramite la circolazione possono raggiungere distretti cellulari anche molto distanti da quelli in cui sono stati sintetizzati.
• Detossificazione: A livello del lume del REL c’è una famiglia di enzimi chiamata citocromo P-450, il loro obiettivo è quello di detossificare il nostro organismo da tutto ciò che è indesiderato e/o tossico (tutte le molecole xenobiotiche, barbiturici, farmaci, etanolo, benzovirene, inquinanti…) e che introduciamo per inalazione, per contatto o per digestione. La scoperta di questi enzimi è stata fatta attraverso esperimenti; alcuni ricercatori hanno codificato questa famiglia enzimatica partendo da cellule basiche, facendo una preparazione cellulare e omogeneizzando un frammento contenente cellule di fegato: le cellule si spaccano, ma il REL si risolve in tanti piccoli microsomi, che sono ricchi di citocromo P-450. (Ricordare che con il processo di biotrasformazione delle sostanze pre-cancerogene possono essere messe in circolo sostanze cancerogene o più pericolose e innescare dei processi di cancerogenesi, ma l’organismo non potrebbe fare altrimenti perché deve eliminare determinate sostanze e può farlo solo attraverso questo processo). Il citocromo P-450 è una famiglia di enzimi che non hanno una specificità per il substrato, di un farmaco, di un idrocarburo, o di altro: questo può essere un aspetto positivo perché se si ha un sistema enzimatico con una bassa specificità per il substrato significa che quel sistema enzimatico riesce a riconoscere e a trasformare molecole anche molto diverse tra di loro.
• Immagazzinamento del calcio: Il REL per alcune cellule rappresenta un sistema molto efficiente per l’immagazzinamento del calcio a livello del citoplasma della cellula, ne sono degli esempi le cellule muscolari scheletriche e i cardiociti.
• Metabolismo del glicogeno: Il REL è preposto al metabolismo del glicogeno (glicogenogenesi), soprattutto in una fase molto specifica, la glicogenolisi. Anche questo evento è da ricercare nel fegato, in quanto è lì che il glicogeno viene accumulato, gli epatociti hanno un abbondante REL anche perché sono coinvolti nella glicogenolisi, ossia nel processo per cui singole molecole di glucosio vengono staccate dal polimero tutte le volte che nel sangue i livelli di glucosio sono molto bassi. Glicogeno sintesi e glicogenolisi non avvengono quando capita, ma sono sotto controllo ormonale. Il glicogeno è presente a livello della cellula sotto forma di granuli, che rilasciano molecole di glucosio quando arriva un segnale, ovvero l’ormone glucagone. All’arrivo di questo ormone il fegato risponde, gli epatociti rispondono attraverso questo processo, che da polimeri di glicogeno permette il rilascio di singole molecole di glucosio nel sangue. Ci si trova a livello del citoplasma della cellula, dove c’è una porzione di REL, la molecola di glicogeno presenta delle molecole di glucosio legate tra di loro; arriva l’enzima glicogeno-fosforilasi, che porta un gruppo fosfato all’ultimo glucosio inserito nella catena polimerica e fosforilando il glucosio determina il distacco di quest’ultima molecola di glucosio dalla catena polimerica (questo glucosio viene chiamato glucosio-1P, glucosio-1-fosfato), ma essa non è in grado di uscire autonomamente dalla cellula e raggiungere il connettivo circostante dove è presente una fitta rete di capillari, quindi deve intervenire un altro enzima, detto fosfo-gluco-mutasi, che media il passaggio da glucosio-1-fosfato a glucosio-6-fosfato.