Trasporto cellulare delle proteine

Per veicolare le proteine all’interno del nucleo è presente la famiglia delle importine: queste proteine riconoscono il “Nuclear Localization Signal” e si legano alla proteina, trasportandola attraverso il poro dentro il nucleo cellulare. Una volta qui, l’importina si stacca dalla proteina e per ritornare al citosol si lega ad un’altra proteina, appartenente alla famiglia RAN, una proteina G monomerica. La proteina RAN, che in forma attiva lega il GTP, idrolizza quest’ultimo a GDP e riesce così a riportare l’importina nel citoplasma. Non viene dunque spesa energia per il trasporto diretto di una molecola dal citoplasma al nucleo, perchè altrimenti soprattutto in fase G1 questo processo sarebbe troppo dispendioso dal punto di vista energetico. Per il processo inverso, cioè di esportazione nucleare, la proteina presente nel nucleo si lega con una esportina, che a sua volta si lega a formare un complesso trimerico con la proteina RAN in forma attiva: tramite il processo di idrolisi del GTP in GDP, tutto il complesso viene portato nel citosol, con la proteina da esportare che viene liberata, mentre l’esportina e la proteina RAN in forma inattiva ritornano tranquillamente nel nucleo.

Sebbene i MITOCONDRI siano degli organelli con una loro autonomia in quanto possiedono un loro DNA (un DNA circolare a doppio filamento che se subisce mutazioni può dare origini a importanti cambiamenti sul metabolismo energetico, ma in particolare i suoi geni fanno riferimento a resistenze per dei farmaci), una loro attiva trascrizione, i loro ribosomi e la loro traduzione per quanto riguarda le proteine mitocondriali, si è notato che vi sono al loro interno molte proteine che vengono trascritte dal DNA genomico e poi veicolate ai mitocondri. Per studiare questo tipo di processi è possibile separare i mitocondri dal resto della cellula e tramite studi di proteomica (identificazione strutturale e caratterizzazione di determinate proteine) andare a vedere le proteine che sono nei vari distretti, quindi le proteine della matrice, quelle della membrana mitocondriale interna e della membrana mitocondriale esterna, ma anche quelle dello spazio intermembrana. Il segnale che identifica una proteina come mitocondriale è una sequenza di 18 aminoacidi, in parte idrofobici e in parte carichi positivamente. Questo è un segnale anfipatico, perche forma una α-elica in cui una superficie presenta delle cariche e una superficie è idrofobica, inoltre è presente nella parte N-terminale della proteina. Se si fa uno studio delle membrane mitocondriali esterna ed interna, si osserva che sono presenti una serie di canali trasportatori, costituiti da proteine integrali di membrana che a loro volta fanno parte di complessi multiproteici. In particolare sistono diversi complessi, tra cui citiamo il complesso TOM (Transporter Outer Membrane), formato da due subunità che ricordano molto i trasloconi del reticolo endoplasmatico rugoso, inoltre abbiamo a questo livello dei recettori associati a questi canali: costituisce la principale componente di trasporto della membrana mitocondriale esterna, ad esempio gli ansiolitici si legano proprio qui con i recettori del complesso TOM. Il complesso TIM23 è un complesso di traslocazione “inner membrane” ed è costituito da proteine che spaziano dalla membrana interna a quella esterna, preservando lo spazio intermembrana. Il complesso TIM22 ha la capacità di rotazione delle proteine, e quindi può formare α-eliche di membrana. Si trova nella membrana mitocondriale interna. Per finire chiudiamo con il complesso OXA che si trova nella membrana mitocondriale interna ed è un canale semplice specializzato nel portare le proteine all’interno dello spazio intermembrana. Possiamo considerare questi complessi come dei trasloconi, che quando legano il ligando tendono ad aprirsi.

Il processo che porta alla traslocazione di una proteina prevede che la proteina che possiede il segnale di veicolazione ai mitocondri prende contatto con i recettori del complesso TOM e in questo modo il canale si apre, così l’apertura del canale favorisce il contatto diretto con il canale TIM23, in questo modo si crea un canale continuativo nel quale la proteina può passare e ritrovarsi nella matrice mitocondriale, dove viene clivato il segnale di localizzazione mitocondriale grazie a una peptidasi. Ma il processo non è così semplice, infatti le proteine per poter passare attraverso il complesso TOM e nella matrice devono rimanere “unfolded”, cioè rimanere in forma lineare. A questo compito adempiono le proteine chaperon, in particolare la proteina Hsp 70, che grazie all’idrolisi di ATP formano delle interazioni proteina-proteina impedendo alla proteina da traslocare di formare avvolgimenti. In particolare queste proteine funzionano sia a livello citosolico che a livello della matrice mitocondriale (con due proteine diverse), fin quando la peptidasi non stacca il peptide segnale. C’è un’altra proteina chiamata MSF che mantiene lineare la sequenza amminoacidica da trasportare nel mitocondrio, mediandone il legame con il complesso TOM, in particolare questa proteina agisce in modo analogo alla SRP, legandosi al dominio idrofobico della sequenza di localizzazione mitocondriale.

Abbiamo detto che oltre alla sequenza di localizzazione mitocondriale, può essere presente un ulteriore peptide segnale idrofobico, quest’ultimo infatti può venire in contatto con gli altri due complessi della membrana interna, TIM22 e OXA. In questo caso la proteina viene incorporata nella membrana mitocondriale interna e il peptide segnale non viene tagliato, e questo è il caso in cui la proteina viene legata sulla membrana mitocondriale interna dal TIM22 o dal TIM23 (in questo caso questo complesso può lasciare la proteina direttamente legata alla membrana mitocondriale interna, oppure la rilascia nella matrice ed il peptide segnale ritorna sulla membrana mitocondriale interna per legarsi con il complesso OXA che la rilascerà nella membrana mitocondriale interna). Altrimenti con la presenza di questo ulteriore peptide segnale idrofobico, la proteina viene liberata successivamente nella matrice grazie al taglio anche di questo peptide segnale, dopo essere stata incorporata come proteina appartenente alla membrana mitocondriale interna. Purtroppo non è ancora noto il meccanismo di attracco delle proteine alla membrana mitocondriale esterna.

I PEROSSISOMI sono importanti compartimenti che svolgono una serie di importanti processi metabolici negli organismi eucariotici tra cui la β-ossidazione degli acidi grassi e la difesa contro gli stress ossidativi, quali possono essere dati ad esempio da un accumulo di acqua ossigenata (in questo caso intervengono importanti enzimi chiamati perossidasi). Vengono anche a questo livello importate numerose proteine a livello della matrice del perossisoma attraverso un processo di riconoscimento specifico mediato da un recettore, legato funzionalmente a un particolare traslocone, che riconosce la sequenza segnale al C-terminale, che poi va incontro alla sua apertura grazie all’azione dell’irolisi di una molecola di ATP.

Le PROTEINE CITOPLASMATICHE possono andare incontro a un numero di modificazioni che supera addirittura le 200, in particolare tra le più importanti possiamo ricordare la farnesilazione (ricordiamo l’acido farnesilico che lega al foglietto interno della membrana cellulare la proteina G monomerica P21-RAS), la miristilazione (un acido miristico è molto importante in quanto lega al foglietto interno della membrana plasmatica la tirosin cinasi P60-SRC), l’ubiquitinazione, la fosforilazione, l’acetilazione, la metilazione e la fosfatazione. Queste modificazioni sono importanti perchè cambiano la funzione della proteina e sono tutte modificazioni reversibili. La fosforilazione in particolare rappresenta una modificazione che rientra nei meccanismi di trasduzione del segnale, ovvero parte un segnale dall’esterno della cellula e viene portato al nucleo per condizionare o regolare la trascrizione genica e molto spesso sono basati su cascate di eventi fosforilativi. Gli enzimi adibiti alla fosforilazione sono le cinasi di cui si possono distinguere due grandi classi, le tirosin cinasi e le serin-treonin cinasi. Le fosforilazioni sono delle modificazioni estremamente transienti, vale a dire che vengono attivate e disattivate (attraverso enzimi chiamati fosfatasi) in modo intermittente in maniera continua, ma la stessa cosa vale anche per le metilazioni (processi molto importanti che consentono di stabilizzare e di allungare la vita da una proteina, che solitamente avvengono per effetto di enzimi metil-transferasi che agiscono ad esempio molto spesso su una glutammina) e le acetilazioni (processi che hanno la stessa funzione delle metilazioni, avvengono in particolare per effetto di enzimi chiamati acetilasi che agiscono su una lisina, mentre la reversibilità del processo è garantita da enzimi chiamati deacetilasi). Il problema nasce quando questo segnale rimane acceso ed è esattamente quello che avviene nelle cellule neoplastiche. L’ubiquitinazione avviene attraverso enzimi ubiquitinanti, che, attraverso il consumo di ATP, legano residui di ubiquitina alla proteina. Quando questo succede, la proteina va ad inserirsi in un dominio citoplasmatico detto proteasoma, dove viene idrolizzata in tanti peptidi e questo rappresenta il sistema proteolitico più efficiente all’interno della cellula. Per esempio, le cicline hanno un dominio, chiamato “destruction box”, adibito alla ubiquitinazione.

Il meccanismo attraverso il quale le VESCICOLE sanno a quale compartimento attraccare (non possono però svolgere questo tipo di processo se ad esempio sono circondate da un rivestimento di clatrina) è di tipo sia probabilistico che specifico, infatti è probabilistico perchè dipende dall’interazione tra la vescicola ed il giusto compartimento, e specifico perchè si devono realizzare determinate condizioni affinchè si abbia l’aggancio definitivo della vescicola al compartimento cellulare.

Siccome tutto il sistema di trasporto e maturazione delle proteine avviene in compartimenti non contigui tra loro, esso necessita di un complesso di vescicole che gemmano e si fondono nei vari distaccamenti.