Apparato di Golgi e trasporto vescicolare

L’apparato di Golgi è un organello della cellula composto da cisterne appiattite impilate che comunicano attraverso vescicole che gemmano dallo stesso apparato. Qui vengono svolte diverse funzioni: per esempio, vengono indirizzate le proteine verso la loro destinazione finale come un organello o una membrana.

Complesso di Golgi

È composto da un insieme di cisterne appiattite (da 3 a 20) disposte una sopra l’altra a formare una pila è composta da un lato cis in cui vengono ricevute le vescicole e un lato trans di maturazione rivolto verso la membrana plasmatica. Ogni cellula può contenerne da poche a parecchie migliaia, interconnesse da tubuli membranosi. Dal Golgi, le vescicole gemmano sempre da un dominio laterale. Le cisterne del Golgi sono sostenute da proteine: spettrina, anchirina e actina.

Il Golgi ed il Reticolo endoplasmatico rugoso sono interconnessi: dal RER partono vescicole senza ribosomi che gemmano e si fondono con altre. La zona tra RER e GOLGI è detta ERGIC (Endoplasmic Reticulum Golgi Intermediate Compartment).

Le funzioni dell’apparato di Golgi

  • continua la glicosilazione delle proteine (mediata da una sequenza glicosil-transferasi) man mano che le proteine passano da una cisterna all’altra
  • Gli oligosaccaridi di base (residui di mannosio) vengono rimossi e vengono attaccati altri zuccheri (sempre sul lato cisternale) dalle glicosil-transferasi
  • L’enzima sialil-transferasi aggiunge acido sialico nella catena e si trova all’estremità trans
  • Sintetizza la maggior parte dei polisaccaridi complessi (glucosamminoglicani, proteoglicani, pectine ed emicellulosa).

Il carico viene sia trasportato dalle vescicole dal RER alla membrana plasmatica in modo anterogrado (trasporto vescicolare), sia da compartimento a compartimento in modo retrogrado (maturazione delle cisterne).

Prove per il trasporto vescicolare:

  1. Ogni cisterna ha una popolazione di enzimi residenti, quindi il Golgi potrebbe rimanere fermo e sempre uguale mentre i materiali si spostano mediante vescicole anterograde
  2. Le vescicole sono state osservate gemmare

Prove per la maturazione delle cisterne:

  1. Sono stati osservati materiali che non escono mai dalle cisterne per viaggiare sotto forma di vescicole (come le molecole di precollagene nei fibriblasti) e quindi dovrebbero essere le cisterne ad andare avanti e trasportare il materiale
  2. Sono state osservate vescicole con direzione retrograda, forse per trasportare enzimi alle cisterne precedenti per mantenere la specificità di ogni compartimento
  3. Se il trasporto RE-Golgi è bloccato con dei farmaci, tutto il Golgi scompare.

Proteine malconformate

La proteina di membrana viene inserita nel doppio strato fosfolipidico con già l’orientamento definitivo. Ogni vescicola ha il suo segnale che la indirizza al sito di destinazione: possono essere una sequenza di amminoacidi o oligosaccaridi. Le vie biosintetiche rendono le endomembrane una rete interconnessa. Le vescicole hanno le proteine transmembrana inserite nella membrana e quelle solubili legate a specifici recettori.

Per controllare che le proteine nella vescicola siano quelle giuste:

  • La glucosidasi elimina due molecole di glucosio
  • La calnexina riconosce la proteina malconformata con un’oligosaccaride monoglucosato
  • Il glucosio viene rilasciato e se la proteina è normale; se non è ripiegata bene, la glicosiltransferasi lega un glucosio
  • La chaperonina riconosce la proteina grazie ai due gluciosio e prova a ripiegarla.
  • Se l’insuccesso persiste, la glicoproteina viene portata nel citosol
  • N-glicanasi rimuove l’oligosaccaride
  • Ubiquitina marca la proteina in modo tale che possa essere riconosciuta per essere degradata nel proteasoma.

Rivestimento e traffico delle vescicole

Le vescicole hanno un rivestimento proteico sul versante citosolico che aiuta le membrane a ripiegarsi per formare la vescicola e seleziona il materiale che deve essere trasportato. Lo strato interno delle proteine forma un’impalcatura e quello interno da adattatore per legare il carico della vescicola.

  • COP I per il traffico retrogrado. Riportano indietro al RE le proteine che hanno sequenza KDEL e riportano alle cisterne gli enzimi con direzione retrograda. Le proteine del RE senza KDEL non vengono recuperate e le proteine lisosomiali geneticamente modificate per esprimerlo non arriveranno mai al lisosoma. Il suo lavoro è coadiuvato da:
    • ARF1 (+ GTP): il GTP può essere idrolizzato per disassemblare il rivestimento.
  • COP II per il traffico anterogrado. Selezionano e concentrano alcuni componenti che hanno il segnale di esportazione dal RE. Il suo lavoro è coadiuvato da alcune proteine:
    • SAR1 (+ GTP) inizia la formazione delle vescicole piegando la membrana
    • SEC23 e SEC24 danno un’ulteriore pressione sulla superficie della membrana per facilitarne la curvatura
    • SEC 13 e SEC31 si legano alla membrana per formare un’impalcatura proteica.

Una volta che l’impalcatura proteica è pronta la vescicola gemma. Quando deve fondersi, le proteine devono disassemblarsi e questo è possibile grazie all’idrolisi del GTP di SAR1. Sar-GDP infatti ha minore affinità per la membrana  della vescicola.

  • CLATRINA per il traffico dal trans-golgi ai lisosomi ed endosomi o dalla membrana lungo la via endocitica: quando è avvenuto il riconoscimento tra il ligando e il recettore, vengono accumulati in fossette rivestite da clatrina e si forma una vescicola. Appena si forma, la clatrina si dissocia e la vescicola non rivestita si fonde a formare l’endosoma precoce. Sono rivestite da clatrina le vescicole che dovranno andare ai lisosomi. Le proteine da portare qui vengono riconosciute da enzimi che per distinguerle dalle altre glicoproteine aggiungono un gruppo fosfato al mannosio. Il rivestimento di clatrina è coadiuvato da alcune proteine:
    • ADATTATORI PROTEICI GGA che si legano da un lato alla clatrina e a dall’altro al ARF1-GTP e ad un recettore per il mannosio 6-fosfato dentro la vescicola.

Esistono due vie secretorie verso l’esterno e una verso l’interno:

  1. Via secretoria costituitiva: trasporta materiale continuamente verso l’esterno o ad un organulo accettore
  2. Via secretoria regolata: i materiali vengono accumulati in granuli secretori e quindi scaricati in risposta ad uno stimolo (prendono parte a questa via ormoni ed enzimi digestivi).
  3. Via endocitica: trasporta i materiali dalla superficie della cellula in compartimenti interni come endosomi e lisosomi.

Indirizzamento delle vescicole

Le vescicole si muovono verso il compartimento adatto perché hanno proteine specifiche e vengono diretti dai microtubuli. Questa specificità è data dalle Rab (proteine G) di ormeggio, che si attivano quando sono legate al GTP e in questo stato si associano alle membrane attraverso un’ancora lipidica.

  1. Il primo contatto della vescicola con la membrana di destinazione avviene per mezzo di proteine di ormeggio:
    • Forma a bacchetta: formano un ponte tra le membrane poste a notevole distanza
    • Complessi multiproteici: che mantengono le membrane in stretta vicinanza tra loro.
  2. Una volta che si sono formate queste strutture, intervengono delle proteine transmembrana (SNARE):
  • V-SNARE incorporate nelle vescicole di trasporto
  • T-SNARE incorporate nelle membrane degli organelli di destinazione

Queste proteine si giustappongono creando fasci di quattro filamenti.

  1. Avvenuto questo contatto e dato un segnale di attivazione (per esempio l’aumento del Ca+), inizia la fusione. La proteina citosolica NSF si attorciglia attorno agli SNARE e li spezza utilizzando ATP.
Fagocitosi: è l’ingestione di grosse particelle (>0.5 micrometri) per acquisire cibo. La praticano gli eucarioti unicellulari

Lisosomi e turnover degli organelli

Hanno enzimi idrolitici (chiamate idrolasi acide) e pompe protoniche (H+-ATPasi) per mantenere il pH acido nel lume. Hanno anche proteine che trasportano i prodotti della digestione nel citosol. Verso il lato luminale è molto glicosilato.

I prodotti degradati vengono esocitati o resi disponibili per la cellula. Terminata la digestione, l’auto-fagolisosoma diventa corpo residuo e viene esocitato o accumulato come granuli di lipofuscina. Se la cellula è senza nutrimento va incontro ad autofagia cannibalizzando i suoi organelli per ricavare energia.

I lisosomi hanno un ruolo nel turnover (ricambio) degli organelli:

  1. Formazione dell’autofagosoma in cui l’organello è completamente circondato da una doppia membrana che deriva dal RER
  2. La membrana dell’autofagosoma si fonde con la membrana del lisosoma e si forma l’autofagolisosoma in cui l’organello è digerito
  3. L’autogagolisosoma una volta digerito diventa corpo residuo, che viene eliminato dalla cellula o tenuto come granulo di lipofuscina

I perossisomi sono organuli delimitati da una membrana paragonabili ai lisosomi. Sono abbondanti nelle cellule renali e negli epatociti di mammiferi. Attuano l’ossidazione degli acidi grassi e degli amminoacidi. Sono un sito di formazione dell’H2O2 durante i processi di ossidazione. Inoltre sono in grado di degradare l’H2O2 grazie alla catalasi e di aumentare di numero per divisione di perossisomi preesistenti.

Fonte: Karp, G., 2015, Biologia cellulare e molecolare, Edises

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