Biologia cellulare@Yale

Contenuto della lezione

Introduzione

La via secretoria nelle cellule eucariotiche è usata per inviare proteine e lipidi alla membrana plasmatica e ad alcuni organelli legati alla membrana e per rilasciare materiale all’esterno della cellula. Ci sono due tipi di secrezione: costitutiva e regolata. La secrezione costitutiva è la via predefinita ed è usata principalmente per rifornire di materiale la membrana plasmatica e alcuni organelli legati alla membrana. La secrezione regolata termina in vescicole secretorie che immagazzinano il materiale secreto fino a quando un segnale innesca la fusione con la membrana plasmatica. Entrambi i tipi di secrezione usano lo stesso percorso, ma le sequenze di segnale deviano le proteine nel percorso regolato. Le cellule recuperano anche materiale dalla membrana plasmatica attraverso l’endocitosi. Questo materiale può essere riciclato alla membrana plasmatica o degradato nel lisosoma.

Principi della via secretoria

Proteine e lipidi sono sintetizzati nell’ER e poi trasportati al Golgi. Le proteine sono smistate nel Golgi e inviate alla membrana plasmatica, al lisosoma o alle vescicole secretorie. Il trasporto di proteine e lipidi tra compartimenti legati alla membrana è mediato da vescicole che nascono da un compartimento e poi si fondono con il compartimento successivo. Rabs, tether e SNAREs aumentano la probabilità che le vescicole si fondano con la corretta membrana di destinazione. Le cellule mantengono l’integrità e la funzionalità dell’ER e del Golgi inibendo alle proteine residenti di entrare nelle vescicole e recuperando quelle proteine che sfuggono.

Glicosilazione

La glicosilazione è l’attacco covalente di zuccheri alle proteine che avviene per la maggior parte delle proteine nell’ER. La glicosilazione aiuta le proteine a ripiegarsi, indirizza le proteine a specifici organelli (per esempio il lisosoma) e inibisce la proteolisi. Inoltre, molte proteine sulla superficie delle cellule e nella matrice extracellulare che circonda le cellule sono pesantemente glicosilate per una varietà di scopi biologici.

La glicosilazione N-linked avviene nell’ER e comporta l’aggiunta di un gruppo di 14 zuccheri al gruppo amminico delle asparagine. I gruppi contengono una miscela di N-acetilglucosamina, mannosio e glucosio. I residui di glucosio sono rimossi nell’ER prima che la proteina sia trasportata al Golgi. Nel Golgi le catene laterali di zucchero possono essere ulteriormente modificate dalla rimozione e dall’aggiunta di diversi zuccheri.

La glicosilazione O-linked è la seconda forma e comporta l’aggiunta di zuccheri a serine o treonine. La glicosilazione O-linked inizia probabilmente nel Golgi con l’aggiunta di un singolo zucchero. Altri enzimi aggiungono zuccheri in gruppi di due e le catene laterali dello zucchero possono diventare estremamente lunghe.

Il complesso del Golgi è una pila di cisterne di membrana con composizioni biochimiche uniche. Le cisterne sono di solito chiamate rete cis, mediale, trans e trans-Golgi, con le proteine che entrano nel cis dall’ER ed escono dal TGN. Le cisterne sembrano contenere un insieme unico di enzimi che modificano le catene laterali degli zuccheri sulle proteine. Per esempio, il mannosio viene rimosso principalmente nella cisterna mediale mentre il galattosio viene aggiunto nella cisterna trans.

Trasporto vescicolare

Il trasporto tra i compartimenti di membrana è mediato da piccole vescicole. Le vescicole contengono un rivestimento proteico che guida la formazione delle vescicole e recluta le proteine nelle vescicole. Le vescicole sono indirizzate al compartimento corretto da una combinazione di proteine Rab e SNARE. Le Rab sono una grande famiglia di piccole proteine legate al GTP, e ogni compartimento di membrana nella via secretoria sembra contenere un’unica proteina Rab. Le SNARE sono proteine su vescicole e compartimenti di membrana che si accoppiano per mediare la fusione. Le SNARE comprendono un’altra grande famiglia di proteine e diversi compartimenti probabilmente contengono proteine SNARE uniche.

Formazione delle vescicole

La formazione delle vescicole dall’ER è più chiaramente compresa e servirà come esempio della formazione delle vescicole. Il meccanismo è probabilmente simile per altri compartimenti. L’assemblaggio di un mantello proteico guida la formazione e l’assemblaggio del mantello inizia con il legame della piccola proteina legante GTP Sar1. Sar1-GTP si associa con ER e inserisce una piccola elica nel foglietto esterno del bilayer della membrana ER per iniziare la curvatura della membrana. Sar1-GTP recluta altri due gruppi di proteine che costituiscono il mantello della vescicola: il complesso Sec23-Sec24 che si lega alle proteine di carico e il complesso Sec13-Sec31 che aiuta a guidare la formazione della vescicola. La selezione del carico per la maggior parte delle proteine richiede una sequenza di segnale che interagisce con il complesso Sec23-24. Le proteine solubili all’interno del lume dell’ER si associano a recettori di carico che contengono una sequenza di segnale che lega Sec23-Sec24. Il complesso di rivestimento che circonda le vescicole dell’ER è chiamato COP II.

Targeting Vesicles to Correct Compartment

Due gruppi di proteine sembrano aiutare le vescicole a fondersi con la corretta membrana target. Una serie di proteine coinvolge i legami che si localizzano nei compartimenti della membrana bersaglio e interagiscono con i componenti del mantello della vescicola. Nelle cellule sono stati identificati diversi tether e ognuno sembra localizzarsi in un compartimento distinto. I tether formano strutture che si estendono dalla membrana del compartimento al citosol. Questo può aiutare i tether a interagire con le vescicole che arrivano dal precedente compartimento di membrana.

Un secondo gruppo di proteine che aiuta a indirizzare correttamente la vescicola alla membrana appropriata sono le SNARE. Le SNARE mediano anche la fusione tra le membrane. Le vescicole contengono una proteina SNARE (vSNARE) e i compartimenti di membrana contengono da 2 a 3 proteine SNARE (tSNARE). Le proteine SNARE sulle vescicole e sui compartimenti di membrana interagiscono con specificità. Le cellule animali esprimono 35 diverse proteine SNARE ma solo alcuni gruppi di SNARE interagiscono tra loro. Localizzando quelle SNARE che interagiscono solo alle vescicole e alla loro membrana bersaglio, le cellule assicurano che le vescicole si fondano alla loro corretta membrana bersaglio.

Fusione di membrana

Le proteine SNARE mediano la fusione tra le vescicole e il loro compartimento di membrana bersaglio. Le proteine SNARE contengono lunghe regioni che formano strutture elicoidali. I domini elicoidali in vSNAREs e tSNAREs interagiscono e sembrano zippare. L’energia rilasciata attraverso l’accoppiamento completo di vSNAREs e tSNAREs è pensato per guidare la fusione tra la membrana della vescicola e la membrana del compartimento, anche se il meccanismo esatto rimane poco chiaro.

Alcune vescicole attraccano sulla loro membrana bersaglio ma non si fondono. Per esempio, le vescicole secretorie immagazzinano proteine e altre piccole molecole fino a quando la cellula viene segnalata per rilasciarle. Alcune vescicole secretorie si attraccano alla membrana plasmatica attraverso l’interazione di vSNAREs e tSNAREs, ma agli SNAREs viene impedito di accoppiarsi completamente per guidare la fusione della membrana. Segnali esterni innescano la rimozione dell’inibizione dell’accoppiamento, permettendo alle vescicole di fondersi con la membrana plasmatica.

Smistamento delle proteine nella rete trans-Golgi

Una volta raggiunta la rete trans-Golgi, la maggior parte delle proteine sono destinate alla loro destinazione finale. Il percorso predefinito sembra essere il trasporto alla membrana plasmatica, poiché la membrana plasmatica ha bisogno di sostituire continuamente lipidi e proteine. Altre proteine vengono smistate ai lisosomi e alle vescicole secretorie. Il segnale per inviare una proteina al lisosoma coinvolge la catena laterale dello zucchero. La maggior parte delle proteine lisosomiali contengono mannosio 6-fosfato che viene aggiunto nel cis-Golgi. Il recettore che lega il mannosio 6-fosfato risiede nella rete trans-Golgi e recluta le proteine del mantello nella rete trans-Golgi. La clatrina forma il mantello intorno a queste vescicole, e le vescicole accumulano proteine lisosomiali prima di gemmare dalla rete trans-Golgi. Queste vescicole si fondono con gli endosomi. Il lume degli endosomi ha un pH basso che causa la dissociazione del recettore del mannosio 6-fosfato dalle proteine lisosomiali. Il recettore del mannosio 6-fosfato viene restituito alla rete trans-Golgi e la vescicola che contiene le proteine lisosomiali matura in un lisosoma funzionale.

Alcune proteine vengono smistate in vescicole secretorie che immagazzinano queste proteine fino a quando la cellula viene segnalata per liberarle. Il meccanismo con cui le proteine vengono smistate nelle vescicole secretorie, dato che queste proteine non condividono una sequenza comune di segnali di smistamento.

Endocitosi

Le cellule non solo rilasciano materiale nell’ambiente esterno, ma assorbono anche materiale dall’esterno della membrana plasmatica attraverso l’endocitosi. Ci sono diverse forme di endocitosi.

La fagocitosi permette ad alcune cellule (macrofagi, neutrofili) di inghiottire e prendere grandi particelle come microrganismi e cellule morte. La fagocitosi comporta la protrusione della membrana plasmatica intorno alla particella. La protrusione è guidata dalla polimerizzazione dell’actina. La membrana plasmatica alla fine circonda la particella e si fonde per racchiuderla completamente e formare una grande vescicola endocitica.

La pinocitosi forma vescicole molto più piccole (~ 100 nm) e permette alle cellule di assorbire piccole quantità di fluido extracellulare e porzioni della membrana plasmatica. Una forma di pinocitosi è l’endocitosi mediata dalla clatrina che permette alle cellule di prendere proteine specifiche dalla superficie cellulare.

L’endocitosi mediata dalla clatrina inizia con la formazione di una fossa nella membrana plasmatica. La fossa è circondata sul lato citoplasmatico da proteine adattatrici che collegano la clatrina alla fossa. Gli adattatori interagiscono anche con le proteine nella membrana plasmatica che sono destinate all’endocitosi. La fossa può ospitare ~ 1000 proteine. La polimerizzazione della clatrina guida la formazione di una vescicola che alla fine si stacca dalla membrana plasmatica. La GTPasi dynamin catalizza la reazione di distacco. Le vescicole rivestite di clatrina si fondono con gli endosomi dove il basso pH dissocia i ligandi dai recettori. Alcune proteine vengono poi restituite alla membrana plasmatica, mentre altre sono destinate al lisosoma dove vengono degradate.

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