La cellula eucariotica contiene una varietà di organelli
circondati da membrane.
Reticolo
endoplasmatico
ruvido
Reticolo
endoplasmatico liscio
Nucleo
Flagello
Assenti nella
maggior parte
delle cellule
vegetali
Lisosoma
Ribosomi
Centriolo
Perossisoma
Microtubulo
Citoscheletro
Filamento
intermedio
Microfilamento
Apparato
di Golgi
Membrana plasmatica
Mitocondrio
IMPORTANZA DEGLI ORGANULI MEMBRANOSI
Compartimentazione di attività biochimiche
Incremento della superficie totale di membrana
Possibile origine evolutiva del nucleo e del reticolo
endoplasmatico
Possibile origine evolutiva dei mitocondri
BIOGENESI DEI COMPARTIMENTI CELLULARI
Ogni compartimento ha un suo corredo caratteristico di proteine,
lipidi e altre molecole che determinano la sua funzione
La maggior parte delle molecole che costituiscono un
compartimento non sono sintetizzate nel compartimento stesso
e devono quindi esservi trasportate
Lo smistamento delle proteine è di importanza fondamentale per
la creazione e il mantenimento dell’identità del compartimento
PRINCIPI GENERALI DELLO SMISTAMENTO DELLE PROTEINE
- Dove risiede l’informazione per la corretta localizzazione di
una proteina?
- In che modo questa informazione dirige il trasporto della
proteina al compartimento di destinazione?
Molte proteine hanno una sequenza segnale
Alcune sequenze segnale tipiche
FUNZIONE DELLA SEQUENZA SEGNALE
Importazione al nucleo
Esportazione dal nucleo
Importazione nei mitocondri
Importazione nei plastidi
Importazione nei perossisomi
Importazione nel RE
Ritorno al RE
ESEMPIO DI SEQUENZA SEGNALE
Le proteine vengono trasferite agli organelli tramite
tre meccanismi diversi
Importazione attraverso pori (nucleo)
Importazione attraverso il doppio strato fosfolipidico
(mitocondri, cloroplasti, perossisomi, reticolo endoplasmatico)
Trasporto vescicolare (Golgi, lisosomi, superficie cellulare)
Involucro nucleare
Poro nucleare
Il “complesso del poro nucleare” forma una barriera che
controlla il passaggio delle macromolecole
Trasporto vescicolare
Tramite gemmazione e fusione di
vescicole gli organuli del sistema di
endomembrane scambiano sia il
contenuto che i componenti di
membrana.
ORGANELLI MEMBRANOSI
Reticolo endoplasmatico
Complesso di Golgi
Lisosomi
Endosomi
Vescicole di trasporto
Nucleo
Mitocondri
Cloroplasti
Perossisomi
Sistema di endomembrane
TRASPORTO VESCICOLARE
ORIGINE
Dalle membrane
degli organelli
DESTINAZIONE
Verso altri organelli
(trasporto intracellulare)
Verso l’ambiente
extracellulare (esocitosi)
Dalla membrana
plasmatica
Verso l’ambiente
intracellulare (endocitosi)
Gli organelli del sistema di endomembrane svolgono
funzioni specifiche altamente coordinate
Il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi, operando in maniera
sequenziale, provvedono alla sintesi e allo smistamento di proteine e
lipidi ad altri organelli o all’esterno della cellula
Gli endosomi e i lisosomi sono destinati alla raccolta, degradazione e
digestione di particelle e sostanze importate nelle cellule
dall’ambiente esterno
Le vescicole membranose sono addette al trasporto di sostanze di
origine intra- ed extra-cellulare verso le rispettive destinazioni
IL RETICOLO ENDOPLASMATICO (RE)
Reticolo endoplasmatico rugoso
(RER)
Reticolo endoplasmatico liscio
(REL)
Il reticolo endoplasmatico
Involucro nucleare
Nucleo
Ribosomi
Reticolo endoplasmatico
rugoso
Reticolo endoplasmatico liscio
Relazione tra RE e
involucro nucleare
FUNZIONI DEL REL
Sintesi dei lipidi di membrana
Sequestro e rilascio di ioni Ca2+
Diverse attività enzimatiche
Sintesi dei fosfolipidi nella membrana del RE
Gli organelli del sistema di
endomembrane acquisiscono lipidi dal
RE tramite trasporto vescicolare
Gli organelli che non fanno parte del
sistema di endomembrane acquisiscono
lipidi dal RE tramite proteine che
scambiano lipidi
Sequestro e rilascio di ioni calcio
ATPasi pompano
Ioni calcio all’interno
del RE
che viene rilasciato a
seguito di stimoli
ESEMPIO DI RE SPECIALIZZATO: RETICOLO SARCOPLASMATICO (muscolo)
FUNZIONI DEL REL
Diverse attività enzimatiche:
- Catabolismo del glicogeno Glucosio-6 fosfatasi
- Detossificazione da farmaci: reazioni di idrossilazione (aggiunta gruppo
ossidrilico ad opera di citocromo P450 (solubilizzazione facilita l’escrezione
ri sostanze tossiche
-Sintesi di ormoni steroidei: Idrossimetilglutaril CoA reduttasi
FUNZIONI DEL RER
Sintesi dei lipidi di membrana
trans-membrana
(membrana plasmatica e
sistema di endomembrane)
Sintesi delle proteine del sistema
di endomembrane
del lume degli organelli
(sistema di endomembrane)
di secrezione
Il Reticolo endoplasmatico ruvido di una cellula pancreatica esocrina
Il RER produce e confeziona proteine
all’interno di vescicole di trasporto
Proteina destinata ad
uno degli organuli del
sistema di
endomembrane oppure
all’ambiente
extracellulare
Ribosomi liberi nel citosol
Ribosomi legati a membrane
Importazione
co-traduzionale
Trasporto
vescicolare
Importazione post-traduzionale
Le proteine destinate al RE contengono una sequenza segnale
all’estremità N-terminale
La sequenza segnale, appena emerge dal ribosoma, viene riconosciuta da
una particella di riconoscimento del segnale (SRP) nel citosol
La SRP lega prima la sequenza segnale e poi un recettore presente sulla
membrana del RE ancorandovi il complesso ribosoma-mRNA-polipeptide
Il modo in cui le sequenze segnale delle proteine destinate al RE
dirigono i ribosomi alla membrana del RE
Il modo in cui una proteina solubile viene rilasciata nel lume del RE
Il modo in cui una proteina trans-membrana viene integrata nella
membrana del RE
La maggior parte delle proteine sintetizzate nel RER sono glicosilate per
aggiunta di un oligosaccaride comune a catene di asparagina
L’oligosaccaride interviene nel corretto ripiegamento
Il complesso o apparato di Golgi
Il complesso di Golgi collabora con il reticolo endoplasmatico nella sintesi e
smistamento di proteine e lipidi ad altri organelli o all’esterno della cellula
Complesso di
Golgi
Reticolo
endoplasmatico
Funzioni del Complesso di Golgi
aggiunta e modificazione di
oligosaccaridi
Maturazione delle proteine
sintetizzate nel RE
fosforilazione
tagli proteolitici
Smistamento ai vari
compartimenti cellulari
Le catene di oligosaccaridi sono modificate gradualmente nel Golgi
Funzioni della glicosilazione delle proteine
- la glicosilazione facilita il ripiegamento corretto
- la glicosilazione aumenta la solubilità e protegge
dall’attacco di proteasi
- la maggior parte delle proteine che vengono glicosilate
verranno poi smistate alla membrana plasmatica
ESTERNO
Le catene di zuccheri aggiunte
alle proteine nel RE-Golgi
vanno a formare il glicocalice
CITOSOL
Durante lo smistamento viene
mantenuta l’asimmetria delle
membrane. Il lume del RE e del Golgi
sono topologicamente equivalenti allo
spazio extracellulare
Catene oligosaccaridiche
Proteine glicosilate
Nell’apparato di Golgi si
formano vescicole con
contenuti specifici
Le vescicole sono in grado
di riconoscere e di fondersi
con la corretta membrana
bersaglio
Il complesso di Golgi svolge un ruolo centrale nella
via secretoria-biosintetica
Via secretoria-biosintetica
Sintesi e smistamento di molecole neosintetizzate ad altri
organelli o alla superficie cellulare
RET. ENDOPLASMATICO
GOLGI
VESCICOLE
SECRETORIE
LISOSOMI
ENDOSOMI
SUPERFICIE CELLULARE
SECREZIONE
Sintesi
Maturazione
Smistamento alla membrana plasmatica
Esocitosi
ESOCITOSI
Avvicinamento della vescicola
alla membrana plasmatica
Fusione delle membrane
Rottura della membrana
e rilascio del contenuto
SECREZIONE COSTITUTIVA
Avviene in maniera continua
Le vescicole raccolgono contenuti non specifici
Contribuisce alla formazione della matrice
extracellulare e della membrana plasmatica
SECREZIONE REGOLATA
Avviene in risposta ad uno stimolo
Le vescicole raccolgono contenuti specifici
Contribuisce al rilascio di enzimi digestivi, ormoni, neurotrasmettitori
Le proteine destinate alla secrezione
vengono segregate e concentrate
all’interno di vescicole secretorie
Rilascio di insulina da una
vescicola secretoria di una
cellula β del pancreas
Membrana plasmatica
Lisosomi
Mitocondri
Golgi
Vescicole
secretorie
Perossisomi
Cloroplasti
RER
Nucleo
Smistamento
Come si formano delle vescicole con un
contenuto specifico?
In che modo le vescicole riconoscono la corretta
membrana bersaglio con cui fondersi?
Le vescicole sono rivestite da specifiche proteine
COP = coat protein
Utilizzo di rivestimenti diversi nel traffico vescicolare
Clatrina: spostamento di materiali dal trans-Golgi verso i lisosomi e nella via endocitica
COPI: spostamento del materiale in senso retrogrado dal Golgi al RE
COPII: spostamento del materiale dal RE al Golgi
Alcune vescicole sono
rivestite di clatrina
triskelion
Funzioni del rivestimento di clatrina
1) Forza meccanica per la formazione della gemma
2) Selezione del contenuto
Un esempio: lo smistamento delle proteine lisosomiali
proteina lisosomiale
mannosio-6-fosfato
recettore per il
mannosio-6-fosfato
Le proteine lisosomiali sono marcate con
un’ “etichetta” costituta da mannosio-6-fosfato
I recettori per il mannosio-6-fosfato
selezionano le proteine lisosomiali e le
raccolgono in vescicole che andranno a
fondersi con i lisosomi
La specificità di indirizzamento è assicurata da serie
complementari di marcatori di superficie
- Proteine Rab
- Proteine SNARE
Le proteine Rab e SNARE forniscono specificità di
riconoscimento e catalizzano la fusione delle membrane
Fusione delle vescicole
Le tossine del BOTULINO e del TETANO sono capaci di idrolizzare alcune proteine
del complesso SNARE della giunzione neuromuscolare impedendo il rilascio del
neurotrasmettitore acetilcolina dalle vescicole sinaptiche e provocando paralisi
Caveolae as signaling platforms: caveolin proteins
Razani et al., (2001) J. Biol.
Chem. 276
-Caveolae: flask-shaped invaginations within CEMMs
-In most cell types, although more abundant in adypocytes,
endothelial cells and myocytes.
-Involved in: endocytosis
lipid recycling
signaling: compartmentalization
of signaling cascades
-Essential protein component: Caveolin.
H-Ras
MEK/Erk
SCD: oligomerization Cav1
Direct interaction with other proteins (regulation).
Scaffolds for the assembly of signalling molecules.
Regulate the activation state of these molecules.
Ser/ Tyr residues: substrates for several kinases
(regulation).
SCD
Spisni et al., 2005. BBRC
EGF-R
Fak
eNOS
Src
PI3K
Razani et al.,
(2001) J. Biol.
Chem. 276
