Compatimentazione - Riassunto Biologia della cellula PDF

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Compartimentazione cellulare Nella cellula procariotica, tutte le funzioni cellulari, ovvero la replicazione, la trascrizione e la traduzione, vengono svolte in un unico ambiente, denominato ambiente citoplasmatico. Nella cellula eucaristica invece, le funzioni cellulari, vengono svolte in diverse r...

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Compartimentazione cellulare Nella cellula procariotica, tutte le funzioni cellulari, ovvero la replicazione, la trascrizione e la traduzione, vengono svolte in un unico ambiente, denominato ambiente citoplasmatico. Nella cellula eucaristica invece, le funzioni cellulari, vengono svolte in diverse regioni, organuli e compartimenti; questi ultimi, sono costituiti da sistemi chiusi di endomembrane, che definiscono spazi liminali con uno specifico ambiente, sia ionico che sia di PH.

1)reticolo endoplasmatico Il reticolo endoplasmatico (RE) è una rete tridimensionale di cisterne e tuboli che formano uno spazio intraluminale continuo. Dato che si tratta di una struttura dinamica, è in grado di allungare,ritrarre o ramificare i sui tuboli; tale dinamica dipende dal citoscheletro e dalle proteine motrici. Inoltre, al suo interno,esso possiede il macchinario che si occupa della costruzione di un oligosaccaride, costituito da 14 monosaccaridi. Il RE comprende 3 domini diversi, ovvero il dominio rugoso, quello liscio e quello nucleare. 

Reticolo endoplasmatico rugoso  formato da cisterne appiattite e presente in tutte le cellule eucaristiche, in particolar modo nelle cellule a secrezione sierosa (denominata così per la presenza di ribosomi). Il reticolo endoplasmatico rugoso è una sede della sintesi proteica. La maggior parte delle proteine passa attraverso le sue membrane per poi passare attraverso al reticolo endoplasmatico di transizione, che le inserisce in vescicole indirizzate alle cisterne dell'apparato di Golgi dove avverrà la sintesi finale. Nel reticolo endoplasmatico ruvido avvengono inoltre le prime fasi della glicosilazione delle proteine, ovvero l'aggiunta di catene oligosaccaridiche per la produzione di glicoproteine, le quali sono un componente abbondante nei recettori di membrana e nella matrice extracellulare.

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Reticolo endoplasmatico liscio  costituito da tuboli ed abbondante in alcune tipologie cellulari come la cellula epatica e quella muscolare. Nella cellula epatica la sua funzione primaria è la detossificazione di sostanze idrofobiche, mentre nella cellula muscolare, si occupa del rilascio di calcio. Il reticolo endoplasmatico liscio è molto sviluppato nelle cellule che producono ormoni steroidei, e conferisce loro un aspetto quasi labirintico. Svolge un ruolo fondamentale nel metabolismo dei carboidrati e in molti altri processi metabolici, tra cui la detossificazione e la sintesi di lipidi, tra cui colesterolo e altri steroidi. Le membrane del reticolo endoplasmatico liscio funzionano come superfici per l'adesione di numerosi sistemi enzimatici; queste membrane collaborano inoltre con il reticolo endoplasmatico rugoso e con l'apparato del Golgi per sintetizzare nuove membrane.

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Dominio nucleare (involucro nucleare) rappresenta la struttura che riveste ed isola il nucleo della cellula eucariota, dall'ambiente citoplasmatico. La membrana nucleare è costituita da 2 membrane plasmatiche sovrapposte, che insieme formano uno spessore di 40 nm e presentano uno spazio cavo all'interno chiamato cisterna perinucleare, che scompare in corrispondenza dei pori nucleari dove i due involucri si uniscono. La composizione delle due membrane è molto differente; la membrana esterna si affaccia verso il citoplasma ed è in molti punti in continuità con le cisterne del reticolo endoplasmatico rugoso,e su di essa, si trovano associati numerosi ribosomi pronti a ricevere l'RNA messaggero proveniente dal nucleo e tradurlo in proteine. La membrana interna invece, si affaccia verso il nucleoplasma e presenta uno strato denso di filamenti proteici che costituisce la lamina nucleare.

2)indirizzamento e sintesi di proteine da esportazione nel RE

Le proteine, arrivano al reticolo endoplasmatico, attraverso un meccanismo di indirizzamento di tipo co-traduzionale; una volta entrate in questo distretto, esse non usciranno più da questo compartimento, ma proseguiranno verso l’apparato di Golgi e successivamente verso la membrana plasmatica o i lisosomi, seguendo il percorso che generalmente viene denominato percorso secretorio. Il meccanismo di indirizzamento al RE, prevede che, durante la traduzione che ha inizio a livello dei ribosomi citoplasmatici, venga esposta una sequenza segnale che consta d circa 30 amminoacidi. La proteina che si occupa di riconoscere e legare la sequenza segnale è una ribonucleoproteina, denominata particella di riconoscimento della particella segnale (SPR), costituita da una catena di RNA, a cui sono associate 6 proteine; una di queste, la P54, è responsabile della interazione con la sequenza segnale e con il recettore. L’interazione sequenza segnale-SRP interrompe temporaneamente la sintesi proteica; questa riprenderà grazie ad una serie di eventi, che portano il ribosoma coinvolto nella sintesi, sulla membrana del reticolo endoplasmatico. Il primo evento consiste nella nell’interazione di SRP, con il suo recettore presente come proteina integrale nella membrana del reticolo. La SRP e la SR hanno 2 GTPasi che al momento della loro interazione, si attivano e idrolizzano 2 molecole di GTP;

l’energia rilasciata permette il distacco di SRP della sequenza segnale e il posizionamento del ribosoma su un traslocone. Poiché esso ha un canale centrale, la ripresa della sintesi porterà la catena peptidica ad entrare nel lume del reticolo endoplasmatico, dove verrà rilasciata quando la sintesi termina. A questo punto, la sequenza segnale (SR), può essere tagliata da una peptidasi e la proteina limunale, è pronta per i successivi eventi di maturazione. Anche le proteine di membrana vengono sintetizzate con lo stesso processo; in questo caso interviene una sequenza denominata sequenza di ancoraggio (o di arresto). La sequenza fa si che la catena in formazione, non possa ulteriormente entrare nel lume; alla fine della sintesi, la sequenza del traslocone passa nella membrana, dove rimane ancorata nel doppio strati lipidico

3)Reticolo endoplasmatico:sede di sintesi di proteine

La nuova membrana, viene sintetizzata sempre a partire della membrana preesistente; lipidi e proteine di membrana vengono sintetizzati in associazione alla membrana preesistente e immediatamente incorporati a questa. Gli enzimi che sintetizzano la classe più numerosa di lipidi di membrana, i fosfolipidi, sono proteine integrali della membrana del reticolo, con il sito attivo nella faccia citoplasmatica. Gli acidi grassi derivano dalla dieta oppure vengono sintetizzati nel citoplasma a partire dal acetil-CoA. Il prodotto che si ottiene, il DGP(diacilglicerolfosfato),è il precursore di tutti i fosfolipidi e viene immediatamente inserito nella membrana. Anche la sintesi degli sfingolipidi, inizia ad opera degli enzimi inseriti nella membrana del reticolo; in questo caso però, essa continua e finisce nell’apparato di Golgi

4)Apparato di Golgi Le proteine e i lipidi, che sono sintetizzati nel reticolo endoplasmatico, vengono trasportati in vescicole nell’apparato di Golgi; esso è costituito da una serie di cisterne appiattite e impilate le une sulle altre e forma e numero delle stesse, possono variare da cellula a cellula. Il movimento delle molecole nelle cisterne, ha una polarità: vanno dalle cisterne più vicine al reticolo endoplasmatico, denominate cis, a quelle più vicine alla membrana plasmatica, denominate trans, passando per cisterne intermedie, denominate mediane. Sono presenti anche 2 regioni addizionali, denominate cis Golgi network, quella che si forma per la fusione delle vescicole che vengono dal reticolo e trans Golgi network, da cui partono le vescicole per i lisosomi o per la membrana plasmatica. L’apparato di Golgi deve il suo nome allo scienziato Camillo Golgi; nel 1906, ottenne il premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina, per le sue scoperte sul tessuto nervoso.

5)Glicosilazione nell’apparato di Golgi Nelle cisterne sono presenti diversi tipi di enzimi, i quali procedono alle modificazioni delle proteine come la glicosilazione, ovvero l'aggiunta di catene di oligosaccaridi complessa, la formazione di legami con molecole lipidiche, la fosforilazione, la solfatazione, l'aggiunta di gruppi acetile, etc. Ad ogni stadio di maturazione, alle biomolecole vengono applicate specifiche sequenze segnale che consentono di passare al settore successivo, come in una sorta di catena di montaggio automatizzata. Infine, la sequenza segnale (costituita solitamente da catene glucidiche) consente l'indirizzamento delle molecole verso la loro destinazione finale. Le proteine e i lipidi che provengono dal reticolo endoplasmatico, arrivano all’apparato di Golgi, attraverso delle Vescicole. Le modalità con le quali proseguono il loro cammino sono tuttavia, ancora materia di dibattito. Esistono infatti 2 teorie; secondo la prima, proteine e lipidi, si spostano da una cisterna all’altra, sempre attraverso delle vescicole. Secondo l’altra teoria, sono invece le cisterne a maturare, trasformandosi poi nella cisterna successiva; in questo caso l’individualità delle cisterne sarebbe mantenuta da vescicole, che con andamento retogrado, trasportano indietro enzimi che appartengono alle cisterne precedenti. Questa teoria, è al momento quella più favorita.

6)Traffico vescicolare

La cellula è sede di un intenso traffico di vescicole, che hanno origine nel RE e si dirigono ai diversi organuli e alla membrana plasmatica e viceversa. La formazione di queste vescicole si basa su un meccanismo che permetta alla membrana di introflettersi/estroflettersi, per generare una vescicola che, dopo essersi distaccata, può essere trasportata fino ad arrivare in contatto con un’altra membrana, in cui la vescicola può fondersi. La formazione di una vescicola provoca una sottrazione della membrana di origine, mentre la fusione, comporta l’aggiunta di membrana, alla struttura bersaglio. Nel caso in cui la vescicola ha origine dalla membrana plasmatica, materiale di origine extracellulare si trova ad essere incluso in una vescicola intracellulare; questo fenomeno viene definito endocitosi. Invece, quando una vescicola che proviene dall’interno della cellula si fonde con una membrana plasmatica, e il suo contenuto viene espulso all’esterno, si parla di esocitosi; un caso particolare di esocitosi, è rappresentato dagli esosomi, una classe di vescicole, che si formano attraverso la fusione con la membrana plasmatica. Si definisce gemmazione, infine, la produzione di una vescicola che si distacca dalla membrana

7)Gemmazione e distacco delle vescicole Il processo di formazione di vescicole, avviene attraverso la formazione di fossette di invaginazione, dette fossette rivestite,le quali danno un aspetto ispessito e spinoso al lato citoplasmatico della membrana, a causa dell’assemblaggio di un complesso rivestimento proteico. Successivamente, queste vescicole scendono sempre di più in profondità, fino a che non si distaccano, formando così delle vescicole rivestite, il cui rivestimento crea una vera e propria gabbia. Questo rivestimento è costituito da 3 famiglie di proteine;  Clatrina  riveste sia le vescicole che vanno dal trans Golgi network ai lisosomi, sia quelle di endocitosi  COPI riveste le vescicole che dal RE vanno al Golgi  COPII riveste tutte quelle che riportano le vescicole da trans Golgi, verso le cisterne precedenti o verso il RE Nel distacco della vescicola rivestita della membrana, interviene un’ulteriore proteina dotata di attività GTPasica, la dinamina. Numerose sub unità di dinamina, formano un avvolgimento a spirale attorno alla base della vescicola, che provocano il distacco della vescicola. Dopo il distacco di quest’ultima, e la perdita del rivestimento, l’acidificazione dell’endosoma determina il distacco del carico dai ricettori; i ricettori scarichi, in molti casi, si diffondono lateralmente nella membrana dell’endosoma, per poi concentrasi in una zona, formando così una vescicola che torna poi a fondersi con la membrana plasmatica , con lo scopo di riciclare i ricettori stessi.

8)Smaltimento delle vescicole e fusione nelle membrane

Dopo il distacco dalla membrana di origine, le vescicole neo formate, devo essere smistate al corretto compartimento cellulare, in base al loro contenuto; infatti il corretto smistamento delle vescicole, è essenziale per le funzionalità della cellula. Questo smistamento, è possibile grazie alla presenza di proteine SNARE, le quali, oltre che a contribuire nell’indirizzamento, permettono anche la fusione della membrana

della vescicola, con quella del bersaglio. Una vescicola espone in superficie, una proteina vSNARE (SNARE della vescicola), specifica per il tipo di carico. Esse riconoscono le corrispondenti tSNARE (SNARE del bersaglio), sulla membrana bersaglio e mediano l’attacco, il quale avviene grazie a una complessa interazione tra queste proteine, le quali si avvolgono formando un fascio di 4 eliche. Lo stretto avvolgimento di questo fascio, formato dalle vSNARE e tSNARE, non solo favorisce l’ancoraggio della vescicola, ma permette anche di spingere l’acqua al di fuori dell’interfaccia della membrana e costringe inoltre le membrane ad avvicinarsi, affinchè si possano fondere. Attacco e fusione tuttavia, sono due processi distinti:  Per l’attacco, è sufficiente che le membrane si avvicinino quanto è necessario, affinchè le SNARE possano interagire  La fusione invece, è spesso controllata da opportuni segnali e le membrane in questo caso, devono avvicinarsi a una distanza inferiore a 1,5nm, in modo che i fosfolipidi possano scorrere da un foglietto all’altro Dopo la fusione le SNARE avvolte, vengono separate ad opera delle proteine NSF; esse sono un membro di una classe di enzimi che usano l’ATP per sciogliere le proteine

9)Traffico vescicolare tra RE e apparato di Golgi Tra il reticolo endoplasmatico e apparato di Golgi, esiste un flusso vescicolare, che può essere sia entogrado che retogrado:  Direzione entograda il flusso di vescicole va dal RER all’apparato di Golgi e tra le diverse cisterne della faccia cis del Golgi.  Direzione retograda le vescicole trasportano il contenuto a ritroso tra le cisterne fino al rientro al RE Le proteine sintetizzate nel RER, dopo essere giunte all’apparato di Golgi, devono essere smistate alle diverse destinazioni possibili. Una delle possibili vie che possono intraprendere le vescicole che gemmano dalla faccia trans Golgi, è la esocitosi; un’altra possibilità è la destinazione verso i lisosomi

10)Esocitosi Il materiale destinato alla secrezione (attacco della vescicola alla membrana), viene confezionato in vescicole di secrezione, che si distaccano dal reticolo trans dell’apparato di Golgi. Queste vescicole, possono seguire 2 comportamenti:  Secrezione costitutiva sembra verificarsi senza particolari stimoli e ha come conseguenza il continuo rilascio di prodotti di secrezione. Un tipo di secrezione costitutiva è quella delle proteine della matrice extracellulare  Secrezione regolata le vescicole destinate a questo tipo di secrezione, si accumulano nella cellula e vanno incontro alla esocitosi, in seguito a degli stimoli. Ad esempio, le vescicole

sinaitiche dei neurotrasmettitori, vengono esocitate solo quando arriva un impulso nervoso. Nella secrezione regolata, le vescicole gemmate dall’apparato di Golgi, subiscono un processo maturativo, che causa una concentrazione del loro contenuto e modifiche consistenti in tagli proteolitici. Le vescicole maturate sono solitamente più grandi e più elettrodense rispetto a quelle della secrezione costitutiva e rimangono in prossimità della membrana plasmatica, in attesa dello stimolo secretorio. La secrezione e la fusione delle membrane, viene innescata solitamente, in seguito a segnali che, aprendo i canali ionici posti sulla membrana plasmatica o sul RE, determinano un aumento della concentrazione citoplasmatica di calcio.

11)Lisosomi; sede di digestione cellulare

I lisosomi sono organuli vescicolari, che contengono numerosi enzimi idrolitici capaci di operare a PH acido (idrolasi acide). Essi sono la sede della digestione cellulare, catalizzata dalle idrolasi acide, che ha funzione di scindere le sostanze introdotte per endocitosi, ricavandone composti utili per la cellula, tuttavia, può anche distruggere in seguito a fagocitosi, microrganismi o cellule danneggiate, o demolire strutture intracellulari, che per diversi, debbano essere eliminate. Il numero di lisosomi presenti in una cellula varia in funzione della più o meno intensa attività di endocitosi. Nel lume dei lisosomi, sono circa presenti 40 tipi diversi di enzimi idrolitici, come proteasi, nucleasi, lipasi, fosfolipasi, glicosidasi e fosfatasi. Questi enzimi permettono la digestione delle principali macromolecole cellulari, fino a ricavarne molecole più semplici, che potranno essere trasportate al citoplasma, grazie all’intervento di specifici vettori di membrana. Tutti gli enzimi litici appartengono alla categoria delle idrolasi acide, che necessitano di un PH acido per la loro attività ottimale. Il lume del lisosoma è acidificato grazie alla presenza di pompe protoniche che, consumando ATP, aumentano la concentrazione interna dei protoni, fino al raggiungimento di PH 5. Una caratteristica della membrana del lisosoma, è l’abbondante glicosilazione di proteine, la quale svolge un ruolo essenziale per la protezione della membrana lisosomiale dall’attacco di enzimi presenti nel lume

12)Indirizzamento delle proteine nel lisosoma Le idrolasi lisosomiali, presentano un marcatore specifico, rappresentato dallo zucchero mannosio 6-fosfato (M6P). Il fosfato viene aggiunto al mannosio attraverso 2 fasi:  Nella prima, viene legata una N-acetilglucosalminafosfato  Nella seconda, viene rimossa la N-acetilglucosalmina È l’enzima che catalizza la prima reazione, la quale assicura che soltanto le proteine lisosomiali, abbiano l’etichetta M6P; infatti, solo tali proteine possidono sequenze amminoacidi che capaci di dare la struttura tridimensionale determinante, affinchè l’enzima la riconosca. L’etichettatura con M6P, una volta eseguita, rappresenta un segnale necessario e sufficiente per la destinazione lisosomiale. La proteina marcata M6P, viene riconosciuta da recettori presenti sulla membrana dell’apparato di Golgi e successivamente, viene inclusa in una vescicola idrosalica, sempre legata al recettore. La vescicola si fonderà successivamente con un endosoma tardivo, costituendo un endolisoma che maturerà in lisoma. I recettori, dopo aver rilasciato le rispettive

idrolasi, verranno recuperati all’interno di vescicole le quali, gemmando dall’endosoma tardivo, ritornano all’apparato di Golgi.

13) Endocitosi L’endocitosi è un fenomeno continuo e inteso. È possibile distinguere l’endocitosi in 3 diverse forme; fagocitosi, pinocitosi ed endocitosi mediata da recettori. In quest’ultimo caso, bisogna aggiungere il fenomeno dell’autofagia.

14) Fagocitosi La fagocitosi, è una attività presente soprattutto nelle cellule specializzate, come le amebe, i macrofagi, i granulociti dei vertebrati o gli emociti di molti invertebrati, ed si occupa dell’ingestione, a scopo alimentare o di difesa, di elementi come batteri, cellule o frammenti cellulari, che vengono racchiusi in un fagosoma, all’interno del quale saranno in seguito immersi gli enzimi digestivi lisosomiali. È probabile che per la fagocitosi, sia necessario il riconoscimento del materiale da fagocitare da parte di specifici recettori di membrana. Il riconoscimento può essere;  Indiretto come nel caso dei macrofagi, i quali, mediante appositi recettori, riconoscono e fagocitano i microrganismi infettati, dopo che questi sono stati rivestiti dagli anticorpi prodotti dall’organismo in risposta all’infezione. Altri ricettori riconoscono indirettamente le cellule infettanti, dopo il loro legame alle molecole del complemento, le quali collaborano con gli anticorpi per marcare le cellule estranee destinate all’eliminazione.  Diretto avviene grazie al legame del recettore del fagocito con specifici oligosaccaridi presenti sulla superficie di alcuni batteri. Dopo l’adesione con la particella da fagocitare, la membrana della cellula si solleva in pi...