La cellula eucariotica contiene una varietà di organelli circondati da membrane.

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1 La cellula eucariotica contiene una varietà di organelli circondati da membrane. Reticolo endoplasmatico ruvido Reticolo endoplasmatico liscio Nucleo Assenti nella maggior parte delle cellule vegetali Citoscheletro Flagello Lisosoma Centriolo Perossisoma Microtubulo Filamento intermedio Mitocondrio Apparato di Golgi Ribosomi Membrana plasmatica Microfilamento

2 IMPORTANZA DEGLI ORGANULI MEMBRANOSI Compartimentazione di attività biochimiche Incremento della superficie totale di membrana

3 Possibile origine evolutiva del nucleo e del reticolo endoplasmatico

4 Possibile origine evolutiva dei mitocondri

5 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

6 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?

7 Alcune sequenze segnale tipiche Molte proteine hanno una sequenza segnale FUNZIONE DELLA SEQUENZA SEGNALE Importazione al nucleo Esportazione dal nucleo Importazione nei mitocondri ESEMPIO DI SEQUENZA SEGNALE Importazione nei plastidi Importazione nei perossisomi Importazione nel RE Ritorno al RE

8 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)

9 Involucro nucleare Poro nucleare

10 Il complesso del poro nucleare forma una barriera che controlla il passaggio delle macromolecole

11 Trasporto vescicolare Tramite gemmazione e fusione di vescicole gli organuli del sistema di endomembrane scambiano sia il contenuto che i componenti di membrana.

12 ORGANELLI MEMBRANOSI Reticolo endoplasmatico Complesso di Golgi Lisosomi Endosomi Vescicole di trasporto Sistema di endomembrane Nucleo Mitocondri Cloroplasti Perossisomi

13 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)

14 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

15 IL RETICOLO ENDOPLASMATICO (RE) Reticolo endoplasmatico rugoso (RER) Reticolo endoplasmatico liscio (REL)

16 Il reticolo endoplasmatico Involucro nucleare Nucleo Ribosomi Reticolo endoplasmatico rugoso Reticolo endoplasmatico liscio

17 Relazione tra RE e involucro nucleare

18 FUNZIONI DEL REL Sintesi dei lipidi di membrana Sequestro e rilascio di ioni Ca 2+ Diverse attività enzimatiche

19 Sintesi dei fosfolipidi nella membrana del RE

20 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

21 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)

22 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

23 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

24 Il Reticolo endoplasmatico ruvido di una cellula pancreatica esocrina

25 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

26 Ribosomi liberi nel citosol Ribosomi legati a membrane Importazione co-traduzionale Trasporto vescicolare Importazione post-traduzionale

27 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

28 Il modo in cui le sequenze segnale delle proteine destinate al RE dirigono i ribosomi alla membrana del RE

29 Il modo in cui una proteina solubile viene rilasciata nel lume del RE

30 Il modo in cui una proteina trans-membrana viene integrata nella membrana del RE

31 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

32 Il complesso o apparato di Golgi

33 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

34 Funzioni del Complesso di Golgi aggiunta e modificazione di oligosaccaridi Maturazione delle proteine sintetizzate nel RE fosforilazione tagli proteolitici Smistamento ai vari compartimenti cellulari

35 Le catene di oligosaccaridi sono modificate gradualmente nel Golgi

36 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

37 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

38 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

39 Il complesso di Golgi svolge un ruolo centrale nella via secretoria-biosintetica

40 Via secretoria-biosintetica Sintesi e smistamento di molecole neosintetizzate ad altri organelli o alla superficie cellulare RET. ENDOPLASMATICO GOLGI LISOSOMI VESCICOLE SECRETORIE ENDOSOMI SUPERFICIE CELLULARE

41 SECREZIONE Sintesi Maturazione Smistamento alla membrana plasmatica Esocitosi

42 ESOCITOSI Avvicinamento della vescicola alla membrana plasmatica Fusione delle membrane Rottura della membrana e rilascio del contenuto

43 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

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45 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

46 Membrana plasmatica Lisosomi Vescicole secretorie Golgi Mitocondri Perossisomi RER Cloroplasti Nucleo Smistamento

47 Come si formano delle vescicole con un contenuto specifico? In che modo le vescicole riconoscono la corretta membrana bersaglio con cui fondersi?

48 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

49 Alcune vescicole sono rivestite di clatrina triskelion

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51 Funzioni del rivestimento di clatrina 1) Forza meccanica per la formazione della gemma 2) Selezione del contenuto

52 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

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54 La specificità di indirizzamento è assicurata da serie complementari di marcatori di superficie - Proteine Rab - Proteine SNARE

55 Le proteine Rab e SNARE forniscono specificità di riconoscimento e catalizzano la fusione delle membrane

56 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

57 Caveolae as signaling platforms: caveolin proteins -Caveolae: flask-shaped invaginations within CEMMs Razani et al., (2001) J. Biol. Chem 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. 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). MEK/Erk EGF-R Src enos PI3K Fak H-Ras Razani et al., (2001) J. Biol. Chem. 276 SCD Spisni et al., BBRC