Organizzazione Cellulare della Cellula Eucariotica

Le membrane cellulari sono superfici di lavoro cellulare, che delimitano particolari compartimenti cellulari come il nucleo, il REL, il REG, l’apparato di Golgi, i lisosomi, le vescicole ed i vacuoli cellulari.
Le attività cellulari sono infatti localizzate in compartimenti specifici, i reagenti concentrati in una piccola parte del volume cellulare interagiscono meglio: la velocità delle reazioni metaboliche è aumentata, permettendo alla cellula d’immagazzinare energia, inoltre alcuni composti potrebbero danneggiare la cellula se non fossero compartimentalizzati.

Il nucleo è l’organello più grande, il primo che fu scoperto, visibile al microscopio ottico, contiene DNA e cromatina, è avvolto da un involucro nucleare composto da una doppia membrana legata al reticolo endoplasmatico rugoso, con dei pori sull’involucro nucleare che permettono il passaggio di sostanze tra nucleo e citoplasma. All’interno possiamo trovare una struttura molto importante, il nucleolo, importante per la formazione degli RNA ribosomiali.


Il reticolo endoplasmatico rugoso è importante in quanto sintetizza proteine, ad esempio è molto presente nelle cellule del fegato, e si struttura come una continuazione del nucleo con una serie di tubuli, sacchi e cisterne anastomizzate tra loro, su cui si trovano i ribosomi, mentre il reticolo endoplasmatico liscio è adibito alla produzione di acidi grassi e fosfolipidi, e si caratterizza per una serie di tubuli superficialmente lisci anastomizzati tra loro.

L’involucro nucleare è formato dalla membrana nucleare interna che è in collegamento alla lamina nucleare, una struttura di filamenti intermedi che si disgrega in mitosi, mentre la membrana nucleare esterna è simile al reticolo endoplasmatico rugoso, in quanto sono in collegamento tra loro.

I pori nucleari sono strutture proteiche presenti a livello dell’involucro nucleare formate da più di 100 proteine, che permettono la comunicazione a livello della membrana tra sostanze che devono transitare dal nucleo al citoplasma e viceversa, è presente infatti un canale acquoso attraverso cui le piccole molecole idrosolubili passano per diffusione passiva. Il trasporto a livello dei pori permette anche il passaggio di proteine sintetizzate sui ribosomi citoplasmatici ma che svolgono la loro funzione nel nucleo, come gli istoni, la DNA e la RNA polimerasi ed altri enzimi che servono per la replicazione e la trascrizione del DNA, come le elicasi o le primasi, fattori trascrizionali che attivano o reprimono la trascrizione di geni nel nucleo e proteine coinvolte nella maturazione del RNA, tipo nello splicing o nella formazione della coda di poliA. Proteine piccole con diametro inferiore a 9 nm passano per diffusione passiva, mentre le proteine più grandi passano per trasporto attivo. Il segnale d’importazione nel nucleo lo ritroviamo all’interno della proteina stessa, è detto segnale di localizzazione nucleare ed è fatto da una serie di amminoacidi carichi positivamente, in un numero che va da quattro a otto ed è presente nella sua sequenza primaria. Queste sequenze vengono riconosciute da proteine citoplasmatiche specializzate che trasportano altre proteine dal citoplasma al nucleo, come le nucleoporine, appartenenti alla famiglia delle ciaperonine. Esse mediano il trasferimento ed il legame al complesso del poro, attraverso cui le proteine da trasportare sono portate all’interno del nucleo con idrolisi di ATP.

Il complesso di Golgi fa parte del sistema membranoso del citoplasma, a cui arrivano vescicole di trasporto al Golgi-cis, le sostanze delle vescicole si spostano alle zone sottostanti per subire processi di maturazione e dal Golgi-trans queste molecole vengono esocitate.

 

Per quanto riguarda lo smistamento post-traduzionale delle proteine, possiamo dire che una tipica cellula di mammifero contiene circa 100000 proteine (è dovuto al fatto che da un RNA-messaggero possano derivare proteine diverse, per i diversi processi della sua maturazione che possono avvenire), la cui corretta funzione dipende dalla loro giusta localizzazione. A parte alcune proteine sintetizzate sui ribosomi dei mitocondri, la maggior parte delle proteine sono codificate dal DNA nucleare, sintetizzate sui ribosomi citosolici ed indirizzate alle corrette destinazioni mediante l’azione sequenziale di diversi segnali ed eventi di trasporto. Questo indirizzamento deve avvenire sulla giusta membrana, ovvero con i giusti recettori, i canali di membrana, le proteine trasportatrici, gli enzimi, e nel giusto compartimento, o citosolico (citoplasma, matrice mitocondriale, nucleo, lisosomi, perossisomi) o extracellulare (per le proteine secrete).

Tutte le proteine sintetizzate dalla cellula possiedono uno o più segnali che li indirizzano ai giusti compartimenti o allo spazio extracellulare, a parte le proteine citosoliche. Alcune proteine nascenti contengono all’NH2-terminale una specifica sequenza segnale che dirige i ribosomi interessati sulle membrane del reticolo endoplasmatico rugoso. Dopo essere state processate nel RER, le proteine si dirigono all’apparato di Golgi, dove subiscono altre modificazioni e vengono smistate alla superficie cellulare e poi secrete attraverso una secrezione costitutiva o una secrezione regolata, portate ai lisosomi o alle porzioni più esterne delle membrane plasmatiche delle cellule o degli organelli. La sintesi di tutte le altre proteine codificate nel nucleo viene fatta sui ribosomi liberi nel citoplasma, ed esse rimangono nel citoplasma, a meno che non contengano una specifica sequenza segnale che le orienti verso i mitocondri, i cloroplasti, i perossisomi o il nucleo, possono però anche andare a far parte della porzione interna della membrana cellulare.

Per quanto riguarda le proteine sintetizzate sulla membrana del reticolo rugoso, dopo il legame con i ribosomi sintetizzanti le proteine secretorie alla membrana del RER, attraversano la membrana del RER cotraduzionalmente, si fissano alla membrana con la sequenza topogenica della proteina che si lega in maniera covalente agli amminoacidi idrofobici mentre la porzione nel lume viene lavorata e glicosilata, poi attraverso una vescicola citoplasmatica la proteina si dirige all’apparato di Golgi, ed infine verso i loro destini metabolici.
Le proteine inserite nella membrana del RER possono subire vari destini: rimanere residenti, andare alla membrana plasmatica, andare alla membrana plasmatica del REL, andare alle membrane plasmatiche del Golgi, alle membrane lisosomiali o endosomali. Tutte queste proteine che entrano nella via secretoria del RER contengono una sequenza segnale per il RER: la destinazione finale è codificata da una particolare sequenza aminoacidica.

Le proteine sintetizzate nel lume o nella membrana plasmatica del RER sono incorporate in vescicole di trasporto, che si fondono formando il reticolo cis-Golgi, poi in un processo detto progressione delle cisterne una nuova pila di cis-Golgi con il suo carico di proteine si sposta alla posizione trans, diventando successivamente cisterna intermedia del Golgi e poi cisterna trans.
Le proteine destinate ad essere secrete si spostano sulla faccia trans del Golgi e poi formano il reticolo trans del Golgi, da cui avviene lo smistamento in due tipi di vescicole a seconda che si tratti di secrezione costitutiva (ad esempio il collagene nei fibroblasti e le proteine plasmatiche negli epatociti), in cui le proteine sono incorporate in vescicole di trasporto che passano subito alla membrana plasmatica e fondendosi con essa rilasciano il loro contenuto nello spazio extracellulare per esocitosi, o di secrezione regolata (ad esempio le cellule esocrine ed endocrine), in cui le proteine sono accumulate in forma di precursori nelle vescicole e non vengono esocitate se non sotto stimolo nervoso od ormonale.

Tutte le proteine che devono essere trascritte nel reticolo edoplasmatico rugoso hanno una sequenza che trasporta il ribosoma sul RER, una ribonucleoparticella detta SRP interagisce in modo specifico con la sequenza segnale della proteina per il reticolo, si associano l’SRP e il complesso proteina-ribosoma, inoltre adiacenti ci sono i trasloconi, complessi proteici che permettono il passaggio di una molecola polare come la proteina che viene internalizzata nel lume del reticolo, la sequenza segnale viene poi eliminata con una peptidasi.
Le proteine transmembrana devono invece rimanere incastrate nella membrana del RER stesso, esse hanno una sequenza segnale al NH2-terminale e una sequenza topogenica all’interno, costituita da amminoacidi idrofobici, che funziona da sequenza di arresto del trasferimento e di ancoraggio alla membrana plasmatica del RER, assicurando il giusto orientamento ed inserimento della proteina nella membrana del RER e quindi nella membrana definitiva.

Tra le principali modificazioni post-traduzionali annoveriamo il ripiegamento appropriato della proteina, la formazione di ponti disolfuro nel RER, la glicosilazione (avviene sia nel RER che nell’apparato di Golgi), il clivaggio proteolitico (le proteine prodotte come precursori subiscono il clivaggio proteolitico nel trans-Golgi prima di essere esocitate) e l’assemblaggio di proteine multimeriche nel RER.

I ponti disolfuro si formano e sono eventualmente riarrangiati nel lume dell RER, in particolare si formano per ossidazione dei gruppi sulfidrici presenti su due residui di cisteina della stessa molecola o di molecole differenti. Hanno la funzione di stabilizzare la struttura terziaria o quaternaria delle proteine. Tutto ciò avviene nel RER perchè, al contrario del citosol, essendo un ambiente ossidante (non si conosce ancora l’agente ossidante) è un ambiente favorevole per l’ossidazione dei gruppi SH, le proteine citosoliche non possiedono infatti ponti disolfuro. Nel citoplasma il glutatione è la principale molecola riducente (contiene il gruppo SH), ed impedisce la formazione dei ponti disolfuro.

Tutte le proteine multimeriche sono assemblate nel RER, ed il numero e le posizioni relative delle subunità in una proteine multimerica determinano la sua struttura quaternaria.

 

La glicosilazione, cioè l’aggiunta e la successiva elaborazione dei carboidrati, rappresenta la principale modificazione per le proteine secretorie (tipo i fattori di crescita) e le proteine di membrana, tra cui quelle che mediano i diversi processi metabolici. Alcune reazioni di glicosilazione avvengono nel reticolo endoplasmatico rugoso, altre nell’apparato di Golgi.

Esistono due modalità di glicosilazione cellulare, si parla di N-glicosilazione, ovvero di quel processo che porta alla formazione di un legame tra una GlcNAc (N-acetilglucosammina) e l’azoto ammidico di un residuo di asparagina, portando alla formazione di oligosaccaridi N-legati lunghi e ramificati. Può avvenire anche la O-glicosilazione, in questo caso il legame si forma tra una GalNAC (N-acetilgalattosammina) e il gruppo –OH di un serina o una treonina. In quest’ultimo caso gli oligosaccaridi formati sono corti, da 1 a 4 residui.
La O-glicosilazione avviene tramite il trasferimento sequenziale di zuccheri provenienti da precursori nucleotidici, in particolare sono aggiunti uno alla volta da una serie di diversi enzimi detti glicosil-transferasi alla proteina, poi le modificazioni degli oligosaccaridi O-legati sono completate nell’apparato del Golgi.
Nella N-Glicosilazione il legame avviene invece tra la proteina solitamente presente nel reticolo endoplasmatico rugoso ed un precursore oligosaccaridico comune formato da 14 residui veicolati da un lipide, il dolicolo. Le modificazioni degli oligosaccaridi N-legati sono completate nell’apparato del Golgi: le cisterne del Golgi contengono ognuna un corredo diverso di enzimi che attuano specifiche modificazioni alle proteine, determinando la formazione della loro conformazione finale, fondamentale per la loro funzione da svolgere.

 

Il clivaggio proteolitico è un fenomeno che riguarda alcune proteine sintetizzate come precursori inattivi (tipo le pro-proteine come la proalbumina o la proinsulina), che subiscono uno o più tagli (clivaggi) proteolitici nelle fasi tardive della loro maturazione. Il clivaggio proteolitico porta all’attivazione della proteina, ed avviene nelle vescicole di trasporto che si staccano dal trans-Golgi.

I lisosomi sono organelli cellulari che contengono enzimi chiamati idrolasi acide che ad un pH acido consentono la demolizione delle macromolecole biologiche, i cui costituenti fondamentali possono essere riutilizzati o eliminati dall’organismo. La famiglia delle idrolasi è composta generalmente da nucleasi, proteasi, fosfatasi, lipasi e glicosidasi. La malattia di Tay-Sachs è una malattia genetica dovuta alla sostituzione puntiforme di una lipasi dei lisosomi, proprio quella lipasi che è in grado di scindere dei particolari gangliosidi del cervello. Questi gangliosidi si accumulano così nelle cellule cerebrali, creando un ritardo mentale fortissimo e sintomi neurologici molto importanti. L’azione dei lisosomi può esplicarsi su un vacuolo alimentare che viene digerito oppure su un organello cellulare danneggiato, che si fonde con il lisosoma e viene parzialmente riciclato.

I perossisomi sono organelli cellulari caratterizzati dalla presenza di ossidasi che servono per ossidare attraverso O2 sostanze organiche, ad esempio l’ossidazione degli acidi grassi porta alla formazione di enegia termica e di gruppi acetilici, utilizzati come precursori per la formazione degli acidi grassi, con la β-ossidazione degli acidi grassi che avviene nella matrice mitocondriale siamo infatti in grado di produrre numerose molecole di ATP, ma queste ossidazioni sono importanti anche per mantenere una temperatura corporea adeguata. Per azione delle ossidasi si forma però H2O2, acqua ossigenata, che per il nostro organismo è tossica, questi perossisomi possiedono però anche delle catalasi che scindono questo composto in ossigeno e acqua.

I vacuoli sono presenti sia nelle cellule animali che vegetali, e sono utilizzati ad esempio per ingerire sostanze nutritive.

I mitocondri sono caratterizzati da una particolare struttura, sono caratterizzati da due membrane fosfolipidiche che determinano uno spazio compreso chiamato camera, mentre la membrana interna è caratterizzata da diverse increspature interne che vanno a delimitare uno spazio ancora più interno chiamato matrice mitocondriale. Nella matrice mitocondriale avvengono importanti reazioni metaboliche, avviene la degradazione ossidativa del glucosio e degli acidi grassi, che a spese di ossigeno portano alla formazione di ATP, la valuta energetica del nostro organismo, e di CO2. Tutto ciò è in relazione al sostentamento degli organismi autotrofi, che a spese di CO2, di H2O e di energia luminosa producono O2 e glucosio.

I cloroplasti sono organelli presenti nelle cellule vegetali, circondati da una doppia membrana e contenenti un sistema di spazi interconnessi delimitati da membrane chiamate tilacoidi, appiattiti a formare dei dischi, impilati in grani ed immersi nello stroma. Le membrane tilacoidali contengono clorofille, altri pigmenti ed enzimi per il processo di fotosintesi clorofilliana, in uno spazio chiamato lume tilacoidale.

 I vacuoli ed i cloroplasti sono gli organelli cellulari che differenziano maggiormente la composizione della cellula animale e della cellula vegetale, quest’ultima caratterizzata alla presenza di un grosso vacuolo centrale che intorno confina con l’apparato del Golgi, con i reticoli endoplasmatici, con mitocondri e cloroplasti e con il nucleo, inoltre esternamente sono caratterizzate dalla presenza di una parete cellulare.