Le proteine, per mantenere la loro funzionalità, sono soggette a un continuo ricambio. Vanno incontro a processi di denaturazione o modificazioni chimiche, come danni ossidativi, che ne compromettono la funzione. Ogni proteina ha una sua vita media, al termine della quale viene degradata e scomposta in aminoacidi, utilizzati per sintetizzare nuove proteine.
Biosintesi delle Proteine: Intracellulari vs. Extracellulari
Dal punto di vista della biosintesi, le proteine intracellulari vengono sintetizzate dai ribosomi citoplasmatici e svolgono la loro funzione nel citoplasma o nel nucleo. Allo stesso modo vengono sintetizzate le proteine mitocondriali e quelle dei perossisomi. Per contro, le proteine di membrana o extracellulari sono sintetizzate dai ribosomi associati al Reticolo Endoplasmico Rugoso (RER). Queste proteine possiedono una sequenza aminoacidica segnale N-terminale che viene riconosciuta dal poro del reticolo endoplasmico e associa ad esso il ribosoma. Come risultato, la catena polipeptidica nascente si forma nel lume del reticolo endoplasmico.
La distinzione basata sulla sede della biosintesi non è sufficiente per il trasferimento interno della proteina alla sua sede definitiva, poiché diversi tipi di proteine condividono lo stesso meccanismo biosintetico.
Il Ruolo della Sequenza Leader
Le proteine destinate alla secrezione nell'ambiente extracellulare (o quelle destinate a svolgere la loro funzione nella membrana cellulare) presentano una sequenza aminoacidica "leader" all'estremità ammino terminale, che viene sintetizzata per prima. La sequenza leader viene riconosciuta da un poro proteico sulla superficie del reticolo endoplasmico e associa il ribosoma al reticolo durante la traduzione. Di conseguenza, la proteina viene sintetizzata e secreta nel lume del reticolo endoplasmico, che diventa rugoso grazie all'associazione dei ribosomi. La sequenza leader può poi essere rimossa dopo la biosintesi.
Il reticolo endoplasmico forma vescicole contenenti le proteine che migrano attraverso l'apparato di Golgi e successivamente da questo alla membrana cellulare dove la vescicola si fonde e riversa il suo contenuto all'esterno della cellula. Pertanto, la secrezione di proteine richiede un traffico intracellulare di vescicole lipidiche, dal RE o dal Golgi alla membrana. Se sono richieste modificazioni post-traduzionali (ad es. glicosilazione) queste vengono in genere effettuate nell'apparato di Golgi.
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Traffico Vescicolare e Apparato di Golgi
All'interno del citoplasma di tutte le cellule c'è un intenso traffico di vescicole, che sono fondamentali per la via di secrezione. Le vescicole che gemmano dal reticolo endoplasmatico Rugoso (RER) sono trasportate alla faccia cis dell'apparato del Golgi, dove si fondono con la sua membrana rilasciando il loro contenuto all'interno del lume. Una volta nel lume, le molecole vengono modificate, raggruppate e spedite verso la loro destinazione finale. Gli apparati del Golgi sono di solito più grandi e numerosi nelle cellule che sintetizzano e secernono una quantità considerevole di sostanze.
Le vescicole svolgono quindi un ruolo fondamentale nel trasporto e nella distribuzione dei materiali all'interno della cellula. Inoltre, le vescicole sono coinvolte anche nel processo di endocitosi ed esocitosi. Nel caso dell'endocitosi, le vescicole si formano dalla membrana plasmatica e trasportano il materiale entrato nella cellula verso i lisosomi, dove viene degradato e riciclato. In conclusione, le vescicole sono compartimenti cellulari fondamentali per il trasporto e la distribuzione dei materiali all'interno della cellula. Grazie alla loro capacità di separare il materiale da trasportare dal resto della cellula e di indirizzarlo con precisione verso il suo punto di destinazione, le vescicole permettono alla cellula di svolgere le sue funzioni in modo efficiente.
Tipi di Vescicole
Le vescicole si differenziano inoltre in base al tipo di rivestimento che presentano, dovuto dal distacco di una gemma rivestita, la quale distaccandosi forma una vescicola rivestita. Si possono distinguere tre tipi principali di vescicole:
- ESOCITOTICHE: contengono proteine destinate per il rilascio extracellulare.
- SECRETORIE: contengono anch'esse proteine destinate al rilascio extracellulare. Dopo il confezionamento, le vescicole gemmano e sono immagazzinate nella cellula fino a quando non viene dato un segnale per la loro liberazione. Quando l'appropriato segnale viene ricevuto, esse si muovono verso la membrana e vi si fondono per rilasciare il loro contenuto.
- LISOSOMIALI: contengono proteine destinate al lisosoma, organulo di degradazione contenente molte idrolasi acide. Queste proteine includono sia gli enzimi digestivi sia le proteine di membrana. Tutte le proteine destinate al lisosoma sono marcate con una glicosilazione di mannosio-6-fosfato.
Modificazioni Post-Traduzionali: La Glicosilazione
Nel reticolo endoplasmatico ruvido avvengono inoltre le prime fasi della glicosilazione delle proteine, ovvero l'aggiunta di catene oligosaccaridiche per la produzione di glicoproteine, le quali sono un componente abbondante nei recettori di membrana e nella matrice extracellulare. La maturazione delle proteine sintetizzate avviene preliminarmente nel RER e si completa nel Golgi, comprendendo una fase detta di glicosilazione. Le catene oligosaccaridiche sono siti di legame nella loro interazione con altre macromolecole e facilitano la proteina a cui sono attaccati nel ripiegarsi correttamente.
Vi sono 2 tipi di glicosilazione, che differiscono in vari aspetti: meccanismo di azione, compartimento cellulare in cui si svolgono e sito di attacco delle catene glicosidiche:
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- N-glicosilazione: vede l'aggiunta di una catena glucidica standard a livello dell'atomo di azoto di una catena laterale di asparagina. La prima fase consiste nel trasferimento di una catena di 14 zuccheri ad un residuo laterale di asparagina. L'oligosaccaride è assemblato all'interno del reticolo endoplasmatico a partire da singoli carboidrati, ed è trasferito da uno speciale enzima da una molecola di dolicolo fosfato alla proteina, come singolo elemento. L'attacco della catena glucidica può avvenire in realtà su un'asparagina qualsiasi presente nella sequenza Asn-X-Ser o Asn-X-Thr, dove X rappresenta un amminoacido qualunque ad esclusione della prolina. In un secondo tempo si ha la modifica della catena di zuccheri appena aggiunta, sempre a livello del reticolo endoplasmatico.
- O-glicosilazione: legata all'ossigeno, la O-glicosilazione è un processo altamente specifico, che non vede l'aggiunta seriale di carboidrati alla proteina in processazione. Si svolge completamente nell'apparato di Golgi (cisterna cis), dove zuccheri vengono legati al peptide a livello dell'atomo di ossigeno delle catene laterali di serina, treonina o idrossilisina.
Degradazione delle Proteine
La principale via di degradazione delle proteine intracellulari passa per il meccanismo della coniugazione con l'ubiquitina. L'ubiquitina è una piccola proteina (76 residui aminoacidici) altamente conservata. Al termine del processo la proteina che deve essere degradata è coniugata con molte molecole di ubiquitina attraverso la formazione di legami isopeptidici su residui di lisina. La proteina poli-ubiquitinata viene riconosciuta da un complesso multienzimatico chiamato proteasoma che digerisce la proteina e ne rilascia nel citoplasma gli aminoacidi costituenti. La scelta delle proteine denaturate o comunque destinate alla degradazione è dovuta alle ubiquitina ligasi.
Le proteine extracellulari sono soggette anch'esse a turnover e in genere il turnover avviene mediante ricaptazione selettiva da parte di varie cellule, mediante processi di endocitosi, pinocitosi o endocitosi mediata da recettore. In questo modo la proteina entra nella cellula all'interno di una vescicola (endosoma primario) che va incontro a fusione con altre vescicole, sempre derivate dal reticolo endoplasmico, contenenti gli enzimi digestivi (lisosomi).
Endocitosi Mediata da Recettore
Un caso particolare di traffico proteico si osserva per quelle proteine che possiedono uno specifico recettore sulla membrana della cellula bersaglio; ad esempio la transferrina, principale proteina di trasporto del ferro. In questi casi la proteina si combina con il suo recettore di membrana e induce un cambiamento conformazionale che si riflette sulla struttura della porzione citoplasmatica del recettore; spesso il cambiamento conformazionale è mediato dalla dimerizzazione del recettore che è monomerico in assenza della proteina segnale e dimerico in sua presenza. A causa del cambiamento conformazionale il recettore acquisisce la capacità di combinarsi con una specifica proteina citoplasmatica, la clatrina. La diffusione laterale dei recettori combinati con la clatrina, e la capacità di autoaggregarsi della clatrina porta al raccogliersi dei recettori in una regione definita della membrana, la fossetta rivestita (di clatrina, coated pit), che si trasforma per endocitosi in una vescicola rivestita (coated vesicle).
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