IL Sistema DI Endomembrane PDF

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IL SISTEMA DI ENDOMEMBRANE Una delle più importanti acquisizioni della moderna biologia è stata la scoperta della organizzazione membranosa della cellula. Il sistema di membrane divide il citoplasma in diversi compartimenti nei quali si svolgono le reazioni vitali. Oltre agli enzimi liberi nel citosol (enzimi solubili), ve ne sono molti altri legati alle membrane ( enzimi insolubili) con una distribuzione spaziale ben definita che permette il funzionamento coordinato delle attività cellulari. Come la membrana plasmatica, anche le membrane intracellulari sono di natura lipoproteica. Il reticolo endoplasmatico (RE) è certamente il sistema più esteso di membrane cellulari. Queste formano un complesso sistema di tubuli, vescicole e sacchi appiattiti, questi ultimi chiamati cisterne. I componenti di questo sistema spesso tortuoso sono tra loro largamente intercomunicanti. Gli spazi labirintici del reticolo endoplasmatico rappresentano circa la metà dell’area occupata dalle membrane. Talora le cavità del RE sono virtuali, in quanto le due membrane delle cisterne sono intimamente aderenti. Il RE di distingue in rugoso (RER) e liscio (REL). Le membrane del RE contengono numerose classi di proteine differenti che vengono sintetizzate ad opera dei ribosomi. Queste proteine in parte sono proteine di membrana integrali, responsabili dei meccanismi che decidono se le proteine neosintetizzate debbano far parte della membrana o meno. Il RER: è caratterizzato dall’adesione di numerosi ribosomi alla faccia delle membrane rivolte verso il citosol. Esso prevale nelle cellule con citoplasma fortemente basofilo. Nel RER alcune proteine integrali della membrana provviste di attività enzimatica e rivolte verso il lume delle cisterne iniziano il processo di glicosilazione per la produzione di glicoproteine, che si completerà nell’apparato del Golgi. Gli zuccheri necessari per il processo di glicosilazione vengono fissati alla membrana su un lipide di supporto. Il REL: agranulare, è meno esteso del RER ed è costituito di un sistema di sacche tubulari. Il REL è prevalentemente responsabile della sintesi dei lipidi, degli ormoni steroidei e del metabolismo del glicogeno. I lipidi sono sintetizzati per l’attività di alcuni enzimi situati sulla faccia della membrana rivolta verso il citosol. Altri enzimi provvedono s trasferire i lipidi negli strati interno ed esterno della membrana oppure a trasferirli verso altre regioni del sistema di membrane intracellulari. I lipidi legati a proteine di trasporto passano nel citosol per raggiungere i mitocondri e i cloroplasti. Il colesterolo invece diffonde libero nel citoplasma senza l’ausilio delle proteine di trasferimento. APPARATO DEL GOLGI E’ un organello costituito di una serie di cisterne appiattite e da vescicole. È presente in tutte le cellule animali e vegetali. Nelle cellule vegetali il Golgi è un frammento in più complessi di membrane che i botanici chiamano dittiosomi. Il Golgi è per lo più localizzato nei pressi del nucleo dal lato ove la cellula rilascia i prodotti della secrezione. È in genere strettamente collegato al RER in quanto provvede alle ulteriori modificazioni delle macromolecole destinate alla secrezione. Le cisterne del Golgi rivolte verso il nucleo sono chiamate cis o ingresso, quelle situate dal lato opposto sono dette trans o di maturazione. Tra il RER e il Golgi e ai lati delle cisterne del Golgi si formano delle piccole vescicole cariche di proteine. Alcune di queste gemmano dal RER ( vescicole di transizione) e si fondono con le cisterne cis, altre gemmano dai margini delle cisterne e probabilmente servono al trasferimento di proteine da una cisterna all’altra ( vescicole spola). Le proteine e i lipidi transitano cosi dal RER verso le cisterne cis e attraverso le cisterne mediane si trasferiscono nelle cisterne trans, da cui fuoriescono mature sotto forma di piccole vescicole di moderata densità. Altre vescicole si fondono per formare i lisosomi. Grazie al ricchissimo repertorio di enzimi, nelle cisterne del Golgi si completano le modificazioni delle glicoproteine e dei glicolipidi iniziate nel RER. LISOSOMI E PEROSSISOMI Dal Golgi si forma un’altra classe di importanti organelli cellulari, i lisosomi che rivestono una grande importanza funzionale nelle cellule animali. Essi hanno la funzione di “sistema digestivo” della cellula,

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degradando sia materiale trasportato dall’esterno della cellula, che componenti cellulari non più utili. Nella loro forma più semplice appaiono come vacuoli sferici, ma possono presentare forme e dimensioni diverse, in relazione ai materiali che sono stati trasportati al loro interno per essere degradati. I lisosomi si dimostrano ricchi di enzimi idrolitici attivi a pH acido, in grado di degradare la maggior parte delle macromolecole organiche. Le idrolasi acide sono almeno una quarantina. Esse agiscono sui carboidrati (glicosidasi), sui legame peptidici delle proteine (peptidasi), liberando gli amminoacidi, sugli acidi nucleici ( desossiribonucleasi). Per mantenere acido il pH al loro interno i lisosomi devono attivamente concentrare ioni H+ . Ciò è assicurato dalla presenza nella membrana di una pompa protonica, che trasporta attivamente protoni dal citosol nei lisosomi. L’attività di questa pompa richiede consumo di energia che è formata da idrolisi di ATP per mantenere nei lisosomi una concentrazione di ioni H+ circa 100 volte più alta rispetto al citosol. La membrana lisosomiale impedisce la fuoriuscita dei prodotti della digestione fino a quando questa non avrà prodotto molecole sufficientemente piccole per essere utilizzate per la sintesi di sostanze proprie della cellula . Le idrolasi lisosomiali e le proteine di membrana dei lisosomi sono sintetizzate nel RER e attraverso l’apparato del Golgi vengono trasportate agli endosomi tardivi ( precursori dei lisosomi) da vescicole che gemmano dalla porzione trans del Golgi. Esse portano un marcatore sotto forma di mannosio G-fosfato (M6P) che, riconosciuto da recettori di M6P transmembrana presenti nel trans Golgi, vengono impacchettate in vescicole rivestite di clatrina e successivamente liberate nell’endosoma tardivo. Vengono distinti quattro tipi di lisosomi, di cui uno è detto primario e gli altri tre secondari: - Il lisosoma primario o granulo di accumulo: di piccole dimensioni, contiene l’uno o l’altro degli enzimi che si sommeranno nei lisosomi secondari. I lisosomi primari gemmano dalle cisterne trans del Golgi. - L’eterofagosoma o vacuolo digerente: è un lisosoma secondario derivante da una vescicola formatasi per invaginazione della membrana plasmatica, contenente materiale extracellulare attraverso meccanismi di fagocitosi ed endocitosi. - il secondo tipo di lisosoma secondario è rappresentato dai corpi residui in cui la digestione del materiale extracellulare è incompleta per cui si verifica l’accumulo di svariate sostanze che possono provocare gravi disturbi. - L’autofagosoma chiamato anche vacuolo antofagico o citolisosoma, contiene frammenti di organelli cellulari, come mitocondri o parte del RE. L’azione degli enzimi idrolitici si esercita all’interno del lisosoma solo sul materiale che viene inglobato. Se i lisosomi vengono danneggiati, per esempio per cause tossiche, gli enzimi fuoriescono digerendo tutta la cellula. L’accumulo intracellulare di materiale indigesto si può avere in soggetti normali per insufficienze lisosomiali che possono originare: - Inibizione degli enzimi digestivi lisosomiali; - Incongruità di substrati inerti o poco digeribili; - Eccesso di materiale rispetto alle capacità digestive della cellula. Le malattie d’accumulo lisosomiali (LSD) sono un gruppo di malattie clinicamente eterogenee sono malattie rare di origine genetico, clinicamente eterogenee, con gravi conseguenze patologiche, più spesso nel sistema nervoso. La maggior parte delle LSD diagnosticate si presentano nei primi anni di vita o in età pediatrica. Sono importanti l’anamnesi familiare e segni clinici chiave perché il quadro clinico può essere non evidente in fase precoce, specie in varianti lievi. L’alterazione genetica di uno degli enzimi deputati alla degradazione enzimatica, provoca accumulo di prodotti all’interno dei lisosomi, determinando gravi danni cellulari. Poiché esistono numerosi enzimi lisosomiali, ognuno con il compito di degradare una determinata molecola, esistono anche moltissime e diverse malattie lisosomiali. Attualmente si conoscono 40 tipi diversi di malattie lisosomiali, classificate in base alla deficienza di un determinato enzima. In base a questo e quindi anche alle sostanze accumulate, le malattie lisosomiali vengono classificate in vari gruppi.

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PEROSSISOMA Sono una classe di organelli delle cellule vegetali e animali. Contengono enzimi capaci di formare e degradare l’acqua ossigenata. Ai perossisomi vengono assimilati altri organelli che inizialmente venivano chiamati microcorpi o microbodies, microperossisomi e gliossisomi. MITOCONDRI sono organuli cellulari la cui funzione e quella di fornire energia alla cellula eucariotica. Sono quegli organuli in cui assistiamo alla conversione dell’energia chimica (che normalmente e presente nei composti ossidabili) in una forma di energia diversa, cioè sotto forma di ATP. I mitocondri non hanno una forma ben precisa, normalmente hanno una forma che somiglia tanto a quella dei batteri bacilli, quindi hanno la forma di un bastoncello, leggermente allungata. La forma inoltre e soggetta a variazioni, in rapporto con le attività metaboliche che questi organuli vanno a svolgere. In una cellula non vi e un numero fisso di mitocondri. Il numero, infatti, e legato al metabolismo che la cellula svolge. Una cellula che e più attiva dal punto di vista metabolico e che avrà bisogno di una quantità di energia maggiore, avrà anche bisogno di un numero di mitocondri maggiore. Inoltre, nella cellula i mitocondri non hanno una localizzazione fissa e ben precisa, ma generalmente li troviamo localizzati in quei punti della cellula in cui e richiesto un maggiore apporto energetico. In un mitocondrio ciò che possiamo subito notare sono le creste, che sono orientate in senso perpendicolare rispetto all’asse longitudinale di questi organuli. I mitocondri sono particolari perche hanno la capacità di autoduplicarsi e lo fanno con una modalita di divisione simile alla scissione nei batteri. Nello spermatozoo, ad esempio, e presente un flagello che e un appendice mobile, e la motilita e un processo che richiede energia. Proprio per questo motivo nello spermatozoo i mitocondri (anzi per essere precisi ve ne e uno solo con una particolare forma a spirale) sono prevalentemente localizzati nella porzione mediale del flagello, che e quella parte in cui e richiesta una notevole quantita di energia per garantire la motilita di quest’appendice. Nelle cellule muscolari i mitocondri sono invece soprattutto concentrati a livello delle fibrille muscolari, quindi proprio a livello delle unita contrattili delle cellule che chiaramente devono garantire la contrazione muscolare e quindi hanno bisogno di ATP. Nei mitocondri troviamo una doppia membrana, quindi noi parliamo di una membrana esterna e di una interna. Queste due membrane non sono tra loro strettamente aderenti, ma sono separate da uno spazio che si chiama appunto spazio intermembrana. La membrana interna si ripiega verso l’interno dell’organulo dando origine alle creste mitocondriali, che quindi sono delle proiezioni della membrana interna, che e quella parte che piu di altre regioni del mitocondrio e coinvolta nei processi respiratori. Quindi per questo organulo avere una superficie maggiore in cui poter disporre i vari componenti proteici che sono coinvolti nei vari processi respiratori e molto importante. Infatti maggiore e la superficie a disposizione, piu efficace sara il processo respiratorio. Ovviamente le creste mitocondriali vanno a delimitare all’interno del mitocondrio uno spazio, che chiamiamo matrice mitocondriale. Sia sulla membrana esterna che su quella interna troviamo delle componenti proteiche , ma in quella interna la componente proteica e di gran lunga superiore a quella presente nella membrana esterna. Le due membrane, infatti, sono diverse, sia per quanto riguarda la composizione chimica che per quanto riguarda il grado di permeabilita. La membrana esterna e piu permeabile di quella interna, ed e piu ricca in lipidi piuttosto che in proteine. Nella membrana interna invece prevale la componente proteica su quella lipidica, e si tratta di una membrana particolarmente selettiva. Sulla membrana esterna, che e piu permeabile e consente l’ingresso di soluti e ioni all’interno del mitocondrio, troviamo delle proteine integrali di membrana che si chiamano porine. Una volta che determinati soluti e ioni sono passati attraverso la membrana esterna e sono entrati

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nello spazio intermembrana, c’e da chiedersi, essendo la membrana interna poco permeabile, in che modo queste sostanze riescono ad entrare nel mitocondrio. Hanno infatti bisogno di essere trasportati, esistono quindi dei sistemi di trasporto. Nella matrice mitocondriale troviamo alcune molecole di DNA circolare (da 8 a 10 molecole), che viene appunto chiamato DNA mitocondriale (indicato con la sigla mtDNA). Vi e inoltre la presenza di ribosomi.

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