Sistema Membranoso Cellulare: citoplasma, organelli e trasporto vescicolare

SISTEMA MEMBRANOSO CELLULARE

A partire dalla scorsa lezione, mediante la descrizione delle caratteristiche strutturali e funzionali della membrana plasmatica, si è entrati in merito alla trattazione delle cellule. Nell'attuale lezione verrà preso in esame il citoplasma, all'interno del quale sono distribuiti i cosiddetti organuli o organelli citoplasmatici. Il citoplasma viene definito "citosol" e da un punto di vista ottico appare omogeneo in quanto in esso si trovano disciolte numerose macromolecole. Tuttavia un esame più attento, di tipo morfologico o effettuato tramite tecniche di separazione attraverso l'utilizzo di una centrifuga, è in grado di mettere in evidenza all'interno del citoplasma delle strutture chiuse delimitate da porzioni di membrana. Tali strutture formano dunque dei compartimenti separati, i quali possono risultare talvolta connessi fisicamente gli uni agli altri. Un esempio è rappresentato dal nucleo e dal reticolo endoplasmatico: l'involucro nucleare infatti è in diretta continuità con la membrana che va a delimitare la superficie del reticolo endoplasmatico.

Tra questi compartimenti separati non si instaura una comunicazione basata sulla continuità delle strutture, bensì una comunicazione basata sulla possibilità che da un compartimento possano fuoriuscire delle porzioni discrete sottoforma di vescicole, le quali vanno a fondersi con altri compartimenti citologici. Per esempio, dall'apparato del Golgi si staccano delle vescicole che procedono verso la porzione apicale della membrana plasmatica per poi fondersi con essa.

endosoma citosol lisosoma apparato di Golgi perossisoma mitocondrio .... reticolo endoplasmatico con poliribosomi attaccati alla membrana poliribosomi liberi nucleo membrana plasmatica

Tali vescicole possiedono una doppia funzione: contribuiscono al rinnovamento della membrana plasmatica permettendo la realizzazione del cosiddetto "turn over", e al tempo stesso risultano essere essenziali per la trasmissione verso l'esterno delle sostanze segregate all'interno delle vescicole stesse.

Nell'immagine sulla sinistra viene rappresentato il sistema membranoso interno citoplasmatico o cellulare, nel quale sono presenti gli organelli delimitati da membrana.

Nell'immagine in basso invece il sistema membranoso cellulare viene rappresentato nelle tre dimensioni dello spazio, in maniera tale da fornire una rappresentazione spaziale delle comunicazioni che esistono a livello dell'involucro nucleare e del reticolo endoplasmatico. Queste interazioni sono favorite dal fatto che l'involucro nucleare non rappresenta una barriera fisica che ostacola totalmente la comunicazione, ma èdotato di determinate strutture, i pori nucleari, i quali consentono una permeabilità selettiva dei componenti dell'involucro, che possono quindi essere veicolati in entrambe le direzioni.

REL -- Pori nuclear RER REL RER Nudled Mitocondri Ebotomi- Apparato di Dolgi

Le caratteristiche dettagliate delle strutture prese in questione non sono visibili al microscopio ottico: risulta per cui essere necessario l'utilizzo del microscopio elettronico. Questa immagine sulla destra consente di osservare la struttura del nucleo e dell'involucro nucleare. In prossimità del nucleo vi sono tutta una serie di strutture chiuse, definite anche come cisterne oppure sacculi appiattiti, strettamente ravvicinate. Tali sacculi possono contenere delle strutture più dense, individuabili come dei corpiccioli più scuri, i quali possono trovarsi aderenti ai sacculi stessi. Frapposti fra questi si trovano altri corpiccioli tondeggianti, i mitocondri.

reticolo endoplasmático ruvido nucleo lisosomi 5 pm perossisoma mitocondrio

Organelli delimitati da membrane di una cellula animale

PEROSSISOMI I MITOCONDRIQ NUCLEO LISOSOMA ENDOSOMI RETICOLO ENDOPLASMÁTICO Endosoma tardivo Endosoma primario APPARATO DI GOLGI CITOPLASMA GRANULO SECRETORIO MEMBRANA PLASMATICA

In questa immagine invece viene rappresentata una cellula considerata polarizzata, in cui le strutture membranose, come il reticolo endoplasmatico, l'apparato del Golgi, le vescicole secretorie, e gli endosomi (che vanno a formarsi della introflessione di discrete porzioni della membrana plasmatica), hanno una traiettoria ben definita. Nel caso di cellule non polarizzate, invece, questi organelli si vanno a distribuire all'interno del citoplasma in maniera caotica.Si possono citare due vantaggi correlati all'estrema eterogeneità funzionale degli organelli citoplasmatici.

1. Gli ioni possono concentrarsi in maniera differenziale all'interno dei vari organelli. Tipico esempio è quello dello ione calcio, la cui concentrazione è estremamente variabile:
   • Nel citoplasma ha una concentrazione estremamente bassa, che si aggira intorno a 10-8/10-7 M.
   • Nel nucleo, nel reticolo endoplasmatico e nel tessuto muscolare (definito come reticolo sarcoplasmatico), la sua concentrazione cresce notevolmente. Il reticolo endoplasmatico del tessuto muscolare funziona come un serbatoio di ioni calcio e risulta perciò molto importante nell'ambito delle contrazione muscolare.

Concentrazione di Ca2+ nei compartimenti cellulari

Nei compartimenti cellulari la concentrazione di Ca2+ è diversa

• Nei mitocondri, in particolare nello spazio intermembrana, la concentrazione dello ione calcio assume valori simili a quelli riscontrati nel nucleo e nel reticolo endoplasmatico.

1. È possibile stabile all'interno degli organelli citoplasmatici differenti valori di pH.

pH dei compartimenti cellulari

Il pH dei compartimenti cellulari è diverso

• Nel citosol, nel nucleo e nel reticolo endoplasmatico i valori di pH si aggirano intorno alla neutralità.
• All'interno dei lisosomi il pH si abbassa notevolmente, raggiungendo valori intono al 4/5.
• Nell'endosoma primario e nell'endosoma tardivo (strutture precursori nelle tappe che portano alla formazione dei lisosomi) il pH raggiunge valori intorno al 5/6.

Tale possibilità di poter legare determinati valori di pH a specifiche strutture è di rilevanza fondamentale, in quanto su di essa si basa la cinetica enzimatica e di conseguenza anche il metabolismo cellulare, dal momento che gli enzimi risultano essere essenziali in tutte le tappe metaboliche delle macromolecole del nostro organismo.

I RIBOSOMI

Dal nucleo, attraverso i pori nucleari, possono migrare in maniera altamente selettiva delle strutture corpuscolari che vengono sintetizzate al livello del nucleolo. Si tratta dei ribosomi, definiti come corpiccioli tondeggianti e costituiti principalmente da RNA ribosomiale, ai quali viene associato I'RNA messaggero nella sua forma primitiva. Questa prima tappa viene definita trascrizione del DNA in RNA messaggero: quest'ultimo e i ribosomi formatosi superano l'involucro nucleare e danno inizio nel citoplasma all'evento della traduzione dell'RNA messaggero in proteine.

Trasporto tra nucleo e citoplasma

Trasporto tra nucleo e citoplasma Trascrizione NUCLEO CITOPLASMA RNA Proteine TraduzioneDa un punto di vista morfologico saranno dunque presenti nel citosol dei corpiccioli tondeggianti estremamente aderenti alle superfici esterne delle membrane del reticolo endoplasmatico. I ribosomi, talvolta, possono anche trovarsi non associati ad alcuna membrana e quindi liberi nel citoplasma.

Nel citoplasma si trova un'estesa rete interconnessa di varie strutture: canalicoli o canali membranosi, cisterne e sacculi appiattiti. Tali strutture sono in grado di anastomizzarsi tra di loro, dando luogo, tramite questa loro congiunzione, alla transizione del reticolo endoplasmatico. Quest'ultimo viene detto ruvido o rugoso se sulla superficie esterna della sua membrana aderiscono i ribosomi oppure viene denominato liscio qualora i ribosomi non aderiscano alla sua superficie.

Reticolo endoplasmatico ruvido e liscio

ER ruvido ER liscio Estesa RETE interconnessa di: - canalicoli o canali membranosi - cisterne - vescicole lume dell'ER

Questi due compartimenti non sono differenziati solamente dal punto di vista morfologico, ma anche e soprattutto dal punto di vista funzionale.

Nello studio degli organuli circondati da membrana si è dimostrato di valido aiuto il ricorso alla centrifugazione: ponendo il preparato cellulare a delle centrifugazioni differenziali si riesce a separare, sulla base del loro peso molecolare, diversi componenti. I ribosomi fanno parte di quella categoria di componenti cellulari che viene separata alla fine, solamente sottoponendoli a centrifugazioni ad altissima velocità. Lo studio delle compenti morfologiche e funzionali degli organelli citoplasmatici è reso possibile grazie alla possibilità di instaurare diverse velocità di centrifugazione.

Distribuzione differenziale dei ribosomi

La distribuzione differenziale dei ribosomi 3 RIBOSOMI LIBERI 5' POLIRIBOSOMI LIBERI LEGATI AL RE 3 5' mRNA Ribosoma Cisterna del ER rugoso Proteine citosoliche & del citoscheletro Proteine misfolded & denaturate 1 Coniugazione con ubiquitina Processazione e smistamento nell'apparato di Golgi - Proteine specifiche importate da Vescicole di secrezione Lisosomi Mitocondri Porossisomi Nucleo Degradazione della proteina nel proteasoma Proteine di secrezione Proteine della membrana plasmatica

La distribuzione differenziale determina la presenza di ribosomi che possono trovarsi liberi nel citoplasma oppure associati a determinate strutture cellulari, come il reticolo endoplasmatico.

• Quando liberi nel citosol, i ribosomi si congiungono a formare i cosiddetti polisomi, i quali assumo spesso una forma a spirale lungo una molecola di mRNA. Tali ribosomi daranno origine a tutta una serie di proteine che, una volta ultimata la loro formazione, saranno importate e raggiungeranno organelli come i mitocondri, i perossisomi e il nucleo. Queste proteine sono dunque destinate a rimanere esclusivamente all'interno della cellula.
• Qualora invece i ribosomi siano legati alla superficie esterna del reticolo endoplasmatico oppure alla membrana nucleare esterna, le proteine risultanti verranno in un primo momento assorbite all'interno