Lezione Biologia Cellulare: traffico vescicolare, funzioni del rivestimento, Appunti di Biologia

Scarica Lezione Biologia Cellulare: traffico vescicolare, funzioni del rivestimento e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! LEZIONE 10 BIOLOGIA CELLULARE TRAFFICO VESCICOLARE (2) Questa immagine seppur corretta, indica la formazione di una vescicola e la sua funzione con il compartimento bersaglio facendo cadere in inganno perché sembra che tutto quello che è presente nel compartimento donatore sia inglobato nella vescicola e vada nel compartimento accettore o bersaglio, ma non è così e questo è vero per qualsiasi tipo di vescicola che si forma. La vescicola seleziona il carico sia in termini di proteine del lume della vescicola (quello che è dentro alla vescicola), sia in termini di proteine della membrana della vescicola. Nella vescicola vengono incorporate principalmente alcune proteine della membrana e a livello del lume; questo deve essere così perché se fosse vero che la vescicola incorpora tutto quello che c’è nel compartimento donatore, lo porta al compartimento accettore, in breve tempo non si avrebbe più distinzione tra i vari compartimenti. FUNZIONI DEL RIVESTIMENTO Come è possibile che la vescicola possa selezionare il carico? Fondamentale nella formazione della vescicola è il rivestimento. Il rivestimento è fatto da proteine di rivestimento, in questo caso la clatrina (proteine di rivestimento più importante COP1 e COP2). Questo vale anche per vescicole che si formano dal reticolo, dal Golgi o da altri compartimenti. Il rivestimento della vescicola si inizia ad assemblare dal lato citoplasmatico perché le proteine di rivestimento sono presenti nel citosol. A cosa serve il rivestimento? Il rivestimento serve a 2 cose:  fare incurvare la membrana  selezionare il carico della vescicola, ovvero quello che la vescicola dovrà trasportare. Tutto ciò avviene perché il rivestimento è costituito non solo da proteine di rivestimento ad esempio la clatrina, ma anche da proteine che vengono dette ADATTATRICI che formano i complessi adattatori e che vengono chiamate ADATTINE. Le adattine sono la congiunzione tra la proteina rivestimento (clatrina) e le proteine che devono essere inserite nella membrana della vescicola. Come funzionano? Le adattine si legano alla porzione citosolica (sporge nel citosol) delle proteine della membrana, così facendo fermano queste proteine nella zona in cui si sta formando la vescicola perché la membrana è definita come l’insieme dei lipidi che formano i due foglietti lipidici in cui sono immerse tutte una serie di proteine e la membrana risponde al modello chiamato MOSAICO FLUIDO, perché non è tutto fermo ma i lipidi e le proteine si muovono in continuazione spostandosi nella membrana. Il punto successivo è stato di cercare di capire in che modo la vescicola potesse selezionare il carico in termini di proteine o altri tipi di molecole nel lume della vescicola, cioè quando la vescicola si forma abbiamo la membrana e il lume della vescicola e non si riusciva a capire come potesse essere coinvolto il rivestimento dato che il rivestimento è situato nell’altro lato. Quello che è stato visto è che le adattine selezionano le proteine di membrana, alcune di esse non sono altro che dei recettori per proteine o altre molecole e quindi si legheranno e verranno selezionate all’interno della vescicola. STRUTTURA CLATRINA La clatrina è la prima proteina di rivestimento ad essere scoperta, ci sono vari studi e si sa quasi tutto di lei. Ha una struttura chiamata A TRISCHELIO, perchè simile ad una figura della mitologia greca, ha 3 catene pesanti e 3 catene leggere. Questa struttura si ripete (un numero n di volte) fino a formare una sorta di gabbia intorno alla vescicola. Quando un numero n di molecole di clatrina interagiscono tra di loro, formando il rivestimento della vescicola. Figura D) La formazione di una vescicola rivestita da clatrina: a partire dalla “fossetta rivestita”, la membrana si sta invaginando e poi si distacca totalmente dalla membrana. Oltre ad avere dal lato citoplasmatico il rivestimento, si concentra anche materiale all’interno della vescicola rispetto a quello che succede ai suoi lati, perchè le adattine al’interno vanno a legare le proteine transmembrana che si fermano in quella posizione. Dunque dove si sta formando una vescicola si forma anche una concentrazione proteica selezionata. Questo sono immagine del microscopio a trasmissione. Nel microscopio a scansione si vedono le vescicole rivestite da clatrina in maniera tridimensionale. È come se vedessimo la membrana dal citoplasma, si vede come sia piena di “fossette rivestite” che si stanno rivestendo con la clatrina, dunque di vescicole in formazione. Come viene reclutato il rivestimento? Si parte dalla membrana chiamata MEMBRANA DONATRICE, (perchè nel traffico vescicolare si parla di compartimento donatore, accettore o bersaglio), il rivestimento si dispone su di essa, la fa incurvare e seleziona innanzitutto le proteine di membrana, che se a loro volta sono dei recettori andranno a legare i loro ligandi. Questo porta alla formazione di una vescicola che poi si deve staccare. Come fa la vescicola a staccarsi? Si stacca in quanto si forma il collo della vescicola, che viene contornato da PROTEINE DI FISSIONE e di piegamento della membrana: fissione è il distacco della vescicola (come per i mitocondri o perossisomi, quando uno grande si divide in 2. Si accumulano queste proteine di fissione che vanno a staccare la vescicola. Una volta staccata la vescicola, perderà il rivestimento. Una di queste proteine si chiama DINAMINA. La dinamina forma degli anelli a spirale intorno al collo della vescicola, stringendola finchè la vescicola non si stacca. Questa dimanina non è altro che una proteina che idrolizza e lega il GTP e tramite l’idrolisi del GTP è in grado di fare quello che fa e di far staccare la vescicola. La funzione della dinamina si è scoperta per legare il GTP e i ricercatori hanno dato alla dinamina un analogo non idrolizzabile del GTP. Se non viene idrolizzato la dimanina resterà sempre attaccata al GTP e il risultato di dare alla dinamina un analogo non idrolizzabile del GTP è stato quello di avere vescicole con colli lunghissimi. Cosa regola l’assemblamento del rivestimento? È necessaria la proteina G (interruttori molecolari, da stato ON legato a GTP a stato OFF legato a GDP e regolano così tutta una serie di processi cellulari ad esempio il trasporto al nucleo, trasporto al reticolo). La proteina Sar1-GDP legata al GDP è in stato OFF, quando si avvicina al reticolo dopo alcuni eventi di segnalazione, Sar1 si attiva lega il GTP e si ancora alla membrana del reticolo e a livello della membrana La maggior parte di queste vie portano ai lisosomi perché il materiale che viene dall’esterno deve essere degradato e l’endocitosi e la fagocitosi sono effettuate principalmente a scopo “nutritivo”. In questa via endocitica abbiamo la formazione di una vescicola, endosomi precoci, endosomi tardivi e poi i lisosomi. Arrivati nei lisosomi il materiale internalizzato trova le idrolasi acide(enzimi che funzionano a PH acido ecc..) che vanno a degradare molte macromolecole biologiche. Stessa cosa accade con la fagocitosi: nella fagocitosi viene internalizzato materiale particolato, in alcuni libri viene indicato un batterio che viene fagocitato e si forma un organello chiamato FAGOSOMA. Si possono internalizzare protozoi e anche atri tipi di cellule ad esempio se ci sono dei globuli rossi che non funzionano più vengono fagocitati e rimossi da cellule fagocitiche. Possono essere anche frammenti di cellule, poiché le cellule possono andare in apoptosi (morte cellulare programmata). Una cellula può morire per uno stress fisico o per esposizione a reagenti chimici (necrosi). Quando una cellula muore per necrosi, si lisa e tutto il suo materiale lo ritroviamo all’esterno fuoriuscito, e danneggia tutto ciò che sta intorno. La morte per necrosi danneggia quindi il tessuto. La cellula però può decidere (tramite vie di segnalazione) di morire per un qualsiasi motivo (perché invecchiata o non serve più…), si chiama anche suicidio cellulare. Si frammenta in pezzetti di cellula, racchiusi da membrana (corpi apoptotici) che vengono inglobati da cellule fagocitiche che poi li distruggono. La caratteristica della morte per apoptosi è proprio che la cellula muore senza danneggiare il tessuto. Anche in questo caso si arriva al lisosoma: l’arrivo al lisosoma non è immediato, da un fagosoma che inizialmente è immaturo, poi diventa un fagosoma precoce, un fagosoma tardivo e poi alla fine avremo il FAGOLISOSOMA (organello in grado di degradare tutto quello che è stato internalizzato). Arriva al lisosoma anche il “path way” autofagico, che porta quello che è stato inserito nell’autofagosoma al lisosoma per la degradazione. PORTALI DI ENTRATA NELLE CELLULE EUCARIOTE (Entrata sempre mediata da vescicole o compartimenti delimitati da membrana). Ci sono tantissimi tipi di pinocitosi, praticamente sono classificati in base al rivestimento: endocitosi regolata da clatrina (porta alla formazione di vescicole mediante il rivestimento di clatrina), oppure mediata da caveolina, da flotilina, ecc… . Come è stata scoperta dai ricercatori? La prima ad essere scoperta è stata l’endocitosi mediata da clatrina e i ricercatori sono riusciti a trovare un modo per bloccare la prima endocitosi, l’hanno bloccata ma continuava a entrare materiale e allora hanno scoperto un altro tipo di endocitosi mediata da caviolina bloccando anche questa, gli altri tipi di endocitosi sono definiti come endocitosi non dipendenti da clatrina o da caviolina. Ci sono endocitosi non dipendenti da clatrina o da caviolina, ma che utilizzano la DINAMINA perché se si blocca la dinamina non si avranno più queste endocitosi, ma ci sono anche endocitosi che non dipendono da dinamina, quindi hanno una diversa proteina di fissione. Un altro tipo di path way importante è la MACROPINOCITOSI: è una pinocitosi perchè non viene inglobato materiale particolato ma sempre materiale solubile, ma ha un meccanismo diverso. Tutte le pinocitosi si effettuano tramite invaginazione della membrana. Nella fagocitosi invece è il contrario, è la membrana che forma delle protrusioni per inglobare il materiale particolato, è la membrana che va a prendere quello che deve inglobare (forma strutture come filopodi e lamellipodi che inglobano il meteriale). Nella macropinocitosi non c’è un’invaginazione ma la formazione di queste protusioni che vanno a richiudersi sulla membrana formando l’organello chiamato MACROPINOSOMA. Ci sono varie vie di endocitosi, le più studiate sono quelle mediata da clatrina e la fagocitosi. SCHEMA SUI COMPARTIMENTI COINVOLTI NELL’ENDOCITOSI MEDIATA DA CLATRINA Se partiamo da sinistra vediamo la formazione di vescicole che arrivano agli endosomi precoci, poi si arriva agli endosomi tardivi e successivamente ai lisosomi. Una cosa importante da notare è che tra gli endomi precoci e gli endosomi tardivi ci sta un compartimento che viene chiamato CORPO MULTIVESCICOLARE, perchè è stato visto per microscopia elettronica che all’interno di esso sono presenti vescicole. Queste vescicole possono essere presenti anche a livello degli endosomi precoci però è difficilissimo vederle, mentre nel corpo multivescicolare e degli endosomi tardivi sono numerossisime e vengono chiamate INTRALUMINALI, per molto tempo non si è capito cosa fossero e a cosa servissero. Dopo gli endosomi tardivi abbiamo i lisosomi oppure quelli che vengono chiamati ENDOLISOSOMI, che vengono dalla fusione di essi. Nei lisosomi e negli endolisosomi le vescicole vengono degradate dalle idrolasi acide, tra cui ci sono anche delle lipasi che vanno a degradare le vescicole interne. Oltre a questi compartimenti della via principale (si parte dalla membrana plasmatica e dall’esterno della cellula per entrare dentro la cellula e finire alla fine dei lisosomi), ci sono degli endosomi chiamati ENDOSOMI DI RECUPERO, DI RICICLO, ovvero ogni volta che abbiamo una via di trasporto vescicolare in una direzione, si ha anche una via di recupero opposta perché serve a: 1) riportare indietro quello che è arrivato tramite trasporto vescicolare ma che non sarebbe dovuto arrivare; 2) per recuperare o riciclare proteine che sono andate correttamente da una parte all’altra ma che devo tornare indietro per funzionare di nuovo nella cappa del trasporto, per esempio se abbiamo recettori della transferrina (la transferrina è una proteina che si lega al ferro e che è importante in quanto porta il ferro nella cellula). Le frecce in celeste indicano dei path way di recupero che vanno sia direttamente dagli endosomi precoci alla membrana plasmatica tramite vescicole, sia indirettamente tramite un compartimento specifico. Un altro esempio che entra normalmente tramite endocitosi mediata da clatrina sono le LDL (Low Density Lypoprotein, Lipoproteine a Bassa Densità): vengono misurate mediante analisi del sangue insieme al colesterolo e alle HDL (Liporoteine ad Alta Densità). Le LDL sono delle lipopropteine che traportano colesterolo. Il colesterolo, che vediamo sempre come qualcosa di negativo se in alti livelli nel sangue, è in realtà un costitutivo fondamentale delle membrane ed inoltre è la base di partenza per fare tutte una serie di molecole, come gli ormoni steroidei. Il colesterolo è qualcosa di utile alla cellula, ed essa lo internalizza tramite un recettore per le LDL. Il recettore per le LDL è presente sulla membrana plastica e lega le LDL trasportandole poi nella via endocitica fino alla fine ai lisosomi. PERCORSO LDL 1. Le LDL si legano a dei recettori, cioè al recettore LDL; 2. Il recettore delle LDL è selezionato nelle vescicole rivestite da clatrina perchè si lega alle adattine; 3. Si forma una vescicola rivestita da clatrina piena di recettori per LDL e LDL; 4. Alla fine perde il rivestimento e va a fondersi con gli endosomi precoci; 5. A livello degli endosomi precoci, il recettore si stacca dalle LDL e il recettore viene recuperato attraverso la via recupero; mentre le LDL procedono nella via endocitica agli endosomi tardivi formando l’endolisosoma 6. Vengono degradate le LDL e liberato il colesterolo, che ritroviamo nel citoplasma dove verrà poi utilizzato Come si è scoperto il trasporto delle LDL? Si è scoperto grazie a 2 ricercatori (Nobel) Brown e Goldstain, che stavano studiando l’ipercolesterolemia familiare: una patologia in cui in maniera ereditaria i pazienti accumulano colesterolo nel sangue. Se ci sono alti livelli di colesterolo nel sangue questo è dannoso e aumenta il rischio di patologie cardiovascolari, ecc.. Analizzando le cellule di questi pazienti i ricercatori sono riusciti ad individuare il meccanismo mediante il quale le LDL portavano il colesterolo all’interno della cellula. Si è riuscito a capire dai risultati di questi esperimenti anche perchè i pazienti avevano questa patologia. Dal grafico: sono state prese cellule di alcuni pazienti (in rosso) e cellule di individui sani (in verde), che sono state incubate con LDL marcate radioattivamente. Si è andato a vedere quanto queste cellule potessero legare le LDL. Questo è stato fatto a 0 gradi, poichè a questa temperatura l’endocitosi non funziona. Sulle ordinate vediamo la quantità di proteine LDL legate, sulle ascisse le ore. Vediamo che le cellule normali legano le LDL, sempre di più col passare del tempo. La curva arriva a un certo punto a saturazione, a plateaux perchè sulla membrana c’è un certo numero di recettori che vengono occupati dalle LDL che abbiamo legato, quindi non ce ne sono più. Nelle cellule malate invece non c’è questo legame perchè questa quantità di LDL legate puó essere considerata un background. Cosa si è scoperto? Transcitosi significa attraversare la cellula, è una via che serve ad andare da un lato all’altro della cellula. Si applica nelle cellule polarizzate(cellule con due domini diversi di membrana). Esempio di dove succede ciò sono le IMMUNOGLOBULINE (anticorpi). Si consideri che questa sia una cellula dell’epitelio mammario e che sia al contrario; si vede la membrana basolaterale e la membrana apicale. Ci saranno dei recettori per gli anticorpi sulla membrana basolaterale, (ANTICORPI) di colore verde formati da una catena pesante e una leggera a forma di X, viene riconosciuto da un recettore e internalizzato in vescicole rivestite da clatrina e finisce negli endosomi precoci basolaterali e successivamente passa agli endosomi apicali di riciclo. Al contrario nel bambino che prende il latte succede che a livello del lume intestinale si ha la membrana apicale che avrà i recettori per gli anticorpi, quindi si avranno vescicole rivestite da clatrina che vanno agli endosomi precoci apicali, dagli endosomi ci saranno vescicole che arrivano agli endosomi di recupero reciclati e che riporteranno gli anticorpi ai fluidi extracellulari. ENDOCITOSI MEDIATA DA CAVEOLINA Sulla destra si può notare una vescicola rivestita da clatrina che si sta formando, mentre altre strutture ricoperte da caveolina sono strutturalmente diverse. La CAVEOLINA è una proteina che lega il colesterolo e che si trova su delle strutture chiamate CAVEOLE, non sono presenti in tutte le cellule, ma sono molto abbondanti nelle cellule endoteliali. Le cellule endoteliali sono quelle cellule che rivestono i capillari sanguigni e sono a piastra nel senso che si allargano nel citoplasma e sono rivestite dalla proteina. Come funziona il trasporto mediato da caveole? L’endocitosi mediata da clatrina è quella più efficiente e più veloce, la formazione di una vescicola rivestita da clatrina richiede pochi minuti e si arriva agli endosomi in 5 min, mentre l’endocitosi mediata da caveole è molto lenta, meno dinamica e richiede circa 1 ora di tempo, porta ad un organello molto particolare chiamato CAVEOSOMA, all’interno di esso si trova parte del rivestimento, nell’endosoma invece il rivestimento di clatrina non c’è più perché le vescicole lo hanno perso. Altro aspetto particolare è che dal caveosoma si va principalmente o al reticolo o al complesso del Golgi, è un endocitosi che non porta ai lisosomi. La MACROPINOCITOSI viene attivata dopo una seganalazione che ha qualche recettore e si formano protusioni di membrana (filipodi e lamellipodi) che si richiudono su se stessi formando l’organello MACROPINOSOMA, è chiamato così perchè è molto più grande delle normali vescicole e porta materiale all’interno. FAGOCITOSI La FAGOCITOSI è la capacità posseduta da diverse cellule di ingerire materiali estranei e di distruggerli. Nell’immagine si può osservare un macrofago che sta fagocitando degli eritrociti, non c’è l’invaginazione della membrana ma la membrana si sta allungando per inglobare le 2 cellule. Nel microscopio a scansione si vede un neutrofilo (cellula che fa fagocitosi) che sta fagocitando LEISHMANIA, è un parassita. La fagocitosi è utilizzata dalle cellule del sistema immunitario per inglobare e distruggere microrganismi di vario genere che si ritrovano nell’organismo che vorrebbero infettare. In questa immagine è ben chiaro come sia proprio una protusione della membrana, perché queste cellule estroflettono la membrana tramite la riorganizzazione del citoscheletro di actina per inglobare microrganismi. I meccanismi della fagocitosi possono essere vari:  MECCANISMO A CERNIERA LAMPO, ad esempio il batterio espone sulla superficie una proteina che viene conosciuta dai recettori e man mano questi lamellipodi vanno a riconoscere le proteine presenti sulla superficie e in questo modo si forma il fagosoma che porta il batterio internalizzato alla degradazione;  MECCANISMO A INNESCO, il legame del batterio con un recettore innesca una trasduzione del segnale che va a riorganizzare il citoscheletro di actina per la formazione di filopodi e lamellipodi che vanno a inglobare il batterio. I PATOGENI CELLULARI sono chiamati così perché danno la patologia indipendentemente dal fatto che la cellula abbia tutti questi meccanismi di difesa. Quando sono patogeni intracellulari (riescono a sopravvivere dentro la cellula) succede perché la fagocitosi non riesce a eseguire la sua funzione; ci sono però una serie di patogeni che riescono a sfuggire a questo rompendo il fagosoma o a moltiplicarsi all’interno.