Traffico intracellulare e comunicazione tra cellule

Traffico intracellulare e comunicazione tra cellule

Smistamento delle proteine nei compartimenti cellulari ed endocitosi

La cellula eucariotica, a differenza di quella procariotica, è organizzata in organuli. Questi compartimenti costituiscono glicompartimenti delimitati da membrane. Ogni organulo è dotato di funzioni specializzate conferite da un corredo di proteine e molecole che lo caratterizzano. Questa organizzazione comporta lo smistamento delle proteine sintetizzate dai ribosomi alla loro destinazione finale. Un processo simile avviene nei singoli organelli e richiede meccanismi precisi anche per le proteine e le macromolecole introdotte nella cellula dall’esterno, tramite processi di endocitosi.

Le principali vie di smistamento delle proteine

La maggior parte delle proteine cellulari è sintetizzata dai ribosomi presenti nel citosol, ad eccezione di una piccola quota di proteine sintetizzate all’interno dei mitocondri e/o dei cloroplasti. Oltre agli organuli presenti nel citoplasma, anche lo spazio esterno alla cellula costituisce un compartimento dove vengono esportate considerevoli quantità di proteine, quali i collageni ed altri componenti della matrice extracellulare, nonché tutte le proteine del plasma (la porzione liquida del sangue). Una proteina sintetizzata nel citosol quindi può rimanervi o può essere indirizzata lungo diverse vie di smistamento.

Le vie di smistamento delle proteine ai perossisomi, al nucleo, ai mitocondri, ai cloroplasti e al RE sono separate e indipendenti tra loro. Al contrario, le vie che portano all’apparato di Golgi, ai lisosomi, alla membrana plasmatica ed allo spazio extracellulare passano tutte attraverso il RE, che funge da stazione intermedia di smistamento a questi compartimenti. Il meccanismo utilizzato per smistare le proteine nei vari compartimenti di una cellula eucariotica è basato, in linea generale, sulla presenza di segnali di “indirizzamento” presenti sulla proteina stessa. La presenza di una sequenza di indirizzamento è necessaria e sufficiente per indirizzare quella proteina in un organulo specifico.

L’ingresso delle proteine nei compartimenti di destinazione richiede l’attraversamento di membrane. Questo attraversamento costituisce un problema a causa delle dimensioni molecolari e della incompatibilità idrofobica della proteina, e viene risolto in modo differente nei vari organuli.

Nel caso di mitocondri, cloroplasti, RE e perossisomi ci sono dei traslocatori proteici, posizionati sulla membrana di questi organuli, che permettono e controllano il transito della proteina da importare in forma denaturata – questi traslocatori richiedono consumo di energia e funzionano in modo analogo ad un sistema di trasporto attivo.

Nel caso del nucleo, i pori nucleari rappresentano dei valichi selettivi dotati di un apparato macromolecolare che opera il trasferimento bidirezionale di proteine ed altre macromolecole dall’esterno all’interno del nucleo e viceversa.

Un terzo meccanismo coinvolge il Golgi, i lisosomi, la membrana plasmatica e lo spazio extracellulare a cui le proteine arrivano tramite un sistema di trasporto vescicolare.

Smistamento di molecole tra citosol e nucleo: l’involucro e i pori nucleari

L’involucro nucleare consiste in una doppia membrana: quella interna contiene siti di ancoraggio per la cromatina; quella esterna è in continuità con il RE e può essere associata a ribosomi. Attraverso questo involucro transitano numerose macromolecole che viaggiano in entrambe le direzioni: alcune sono sintetizzate nel citosol e devono entrare nel nucleo per svolgere la loro specifica funzione (istoni – le proteine strutturali della cromatina; le DNA e le RNA polimerasi – coinvolte nella sintesi degli acidi nucleici, ecc); altre molecole sono invece sintetizzate nel nucleo ma vengono trasportate nel citoplasma dove saranno utilizzate nel processo della traduzione (mRNA; tRNA). Tutte queste molecole transitano attraverso l’involucro nucleare tramite i pori nucleari.

Smistamento delle proteine dal citosol ai mitocondri

Nei mitocondri si identificano 2 compartimenti: la matrice delimitata dalla membrana interna e lo spazio intermembrana compreso tra la membrana interna e quella esterna. Il DNA mitocondriale codifica per il 30% delle proteine di questo organulo. Il restante 70% delle proteine è codificato da geni nucleari. Pertanto, tali proteine vengono sintetizzate nel citosol, sotto forma di precursori che contengono una sequenza di indirizzamento ai mitocondri. Quando la proteina raggiunge il mitocondrio e vi penetra, un enzima proteolico rimuove in modo selettivo la sequenza di indirizzamento generando così la forma matura della proteina mitocondriale.

Il trasferimento di proteine all’interno del mitocondrio richiede la presenza di traslocatori proteici sulle sue membrane, capaci di consentire il transito di tali molecole attraverso foglietti lipidici delle due membrane mitocondriali. Questo processo viene facilitato dalla presenza di regioni in cui la membrana esterna e quella interna sono in stretto contatto grazie all’interazione dei sistemi traslocatori (noti come complessi TOM e TIM). Questi traslocatori presentano una porzione che riconosce e lega le sequenze di indirizzamento delle proteine ai mitocontri ed un’altra porzione che costituisce il vero e proprio canale idrofilo per il passaggio della proteina.

Smistamento delle proteine dal citosol al RE

Nel RE vengono inserite sia le sue proteine transmembrana, sia quelle appartenenti alle membrane del Golgi e dei lisosomi e alla membrana plasmatica. Le sequenze di indirizzamento al RE sono riconosciute da un complesso proteico chiamato NAC, che ha il compito di proteggerle da altre possibili interazioni, e da un complesso ribonucleoproteico noto come particella SRP, costituito da una molecola di RNA a basso peso molecolare associata a 6 proteine differenti. SRP lega a sua volta un recettore per SRP presente sulla membrana del RE.

Quando il ribosoma inizia a tradurre un mRNA che codifica una proteina destinata al RE, la prima parte della sequenza sintetizzata è costituita dalla sequenza di indirizzamento posta all’estremità ammino-terminale. In questa fase il ribosoma si trova libero nel citosol e la sequenza di indirizzamento appena sintetizzata può essere legata dalla particella SRP e da NAC. Una volta che il ribosoma è arrivato sulla membrana del RE, la particella SRP ed il suo recettore si separano dal ribosoma che si ancora ad un traslocatore proteico, che permetterà il passaggio della proteina attraverso la membrana del RE.

Smistamento delle proteine dal RE al Golgi, lisosomi, membrana plasmatica e spazio extracellulare