Smistamento e trasporto delle proteine
In cosa consiste lo smistamento e il trasporto delle proteine dopo che è avvenuta la sintesi proteica?
20 febbraio 2007
Per poter vivere, crescere e moltiplicarsi, ogni cellula (sia che costituisca un organismo monocellulare, sia che faccia parte di un organismo pluricellulare) non solo deve sintetizzare le proteine che di volta in volta le sono necessarie, ma deve anche fare in modo che esse raggiungano il compartimento cellulare o la parte dell’organismo al di fuori della cellula in cui tali proteine devono esplicare la loro funzione.
Ciò è particolarmente rilevante nelle cellule eucariotiche, caratterizzate dalla presenza di organelli intracellulari, ciascuno dei quali costituisce un compartimento delimitato da una membrana. Lo smistamento (sorting) e il trasporto delle proteine costituiscono appunto i processi che fanno sì che ogni proteina raggiunga la sede in cui deve svolgere la propria funzione. Si tratta di processi complessi, che iniziano ancor prima che la sintesi di ciascuna proteina sia terminata e che avvengono gradualmente, attraverso una serie di “scelte” che suddividono le proteine in “gruppi” sempre più piccoli e con destinazioni man mano più definite.
La localizzazione finale di ciascuna proteina è in ultima analisi codificata nella sua sequenza amminoacidica e quindi nella sequenza nucelotidica dell’RNA messaggero (e quindi in quella del gene) che ne determina la sintesi.
Come è noto, nelle cellule eucariotiche, la sintesi delle proteine avviene nel citoplasma. Gli RNA messaggeri (mRNA), sintetizzati nel nucleo e trasportati attraverso la membrana nucleare, vengono a trovarsi sospesi nel citosol, la sostanza gelatinosa che riempie la cellula, dove incontrano i ribosomi, organelli deputati alla sintesi delle proteine, che vengono “programmati” a sintetizzare la specifica proteina codificata dal messaggero con cui si sono combinati.
Qualunque sia il destino della proteina, la sintesi inizia con la formazione di un complesso mRNA-ribosomi sospeso nel citosol, ma la prima grossa suddivisione tra le proteine avviene subito dopo l’inizio della sintesi: nelle proteine destinate ad essere proteine di membrana, o ad entrare nei lisosmi, o ad essere secrete all’esterno della cellula, i primi 25-30 aminoacidi costituiscono il cosiddetto “peptide segnale” (formato in prevalenza da amminoacidi apolari): la sua presenza fa sì che la sintesi di queste proteine si arresti a livello del peptide segnale e possa proseguire solo se il ribosoma si lega a una membrana del reticolo endoplasmico ruvido (RER). In questo modo il peptide segnale indirizza la proteina verso la cosiddetta “via secretiva”.
La sequenza amminoacidica iniziale delle proteine destinate a rimanere nel citosol o ad entrare in tutti gli altri organelli intracellulari (nucleo, mitocondri, ecc.) non presenta invece le caratteristiche del peptide segnale, per cui la loro sintesi, una volta iniziata, prosegue indisturbata fino alla fine ad opera di complessi mRNA-ribosomi liberi nel citosol.
L’ulteriore destino di queste proteine è però codificato nella sequenza amminoacidica di ciascuna proteina, perché le proteine destinate a ciascuno degli organelli presentano in determinati punti della loro sequenza amminoacidica e quindi della superficie delle loro molecole, particolari gruppi di amminoacidi che rappresentano una specie di “etichetta” che indica l’organello di cui la proteina deve entrare a far parte.
Quando la proteina, nel continuo movimento cui sono sottoposte le molecole in soluzione, collide con la membrana che delimita l’organello cui la proteina è destinata, quei particolari gruppi di amminoacidi vengono riconosciuti da specifici recettori presenti nella membrana e ciò fa scattare i meccanismi che portano al trasferimento della proteina all’interno dell’organello.
Le proteine che non presentano nella loro sequenza alcuno dei gruppi di amminoacidi che ne indicano la destinazione a qualcuno degli organelli sono quelle che devono rimanere sciolte nel citosol.
Tornando alla via secretiva, se il ribosoma che ha iniziato la sintesi di una proteina, ma è rimasto bloccato a livello del peptide segnale, interagisce con una membrana del RER, legandosi, esso riprende la sintesi, mentre nella membrana viene a crearsi una specie di poro attraverso il quale la proteina in corso di sintesi viene “spinta” verso il lume della cisterna del reticolo endoplasmico.
Sulla faccia interna della membrana del RER sono presenti diversi enzimi che agiscono da catalizzatori sulla catena della proteina in corso di sintesi: il primo è una proteasi che “taglia” la catena in corso di sintesi a livello del peptide segnale, che viene così rimosso e non si ritrova nella proteina matura; altri enzimi trasferiscono su particolari amminoacidi della catena polipeptidica in corso di sintesi (di solito asparagine) degli oligosaccaridi formati da diversi monosaccaridi, per cui tutte le proteine che seguono questa via risultano alla fine essere delle glicoproteine (proteina + zucchero). Prima della fine della sintesi avviene poi un’ulteriore smistamento (sempre condizionato dalla sequenza della catena polipeptidica): le proteine destinate ad essere proteine di membrana presentano nella loro sequenza segmenti formati da amminoacidi apolari che fanno sì che esse, una volta terminata la sintesi, restino parzialmente inserite nella membrana, sporgendo in parte verso il lume delle cisterne del RER; quelle destinate ai lisosomi o alla secrezione non presentano questi segmenti e quindi, terminata la sintesi, vanno in soluzione nel liquido contenuto nel lume delle cisterne.
Dalle cisterne del RER si staccano (gemmano) delle vescicole la cui membrana contiene, rivolte verso l’interno, le proteine destinate alla membrana e il cui lume contiene in soluzione le proteine destinate alla secrezione e ai lisosomi.
Queste vescicole vanno a fondersi con le cisterne dell’apparato di Golgi, a livello del quale si verificano ulteriori modificazioni a carico delle proteine (modificazioni post-traduzionali, soprattutto per quanto riguarda gli oligosaccaridi). Dall’apparato di Golgi gemmano poi due tipi di vescicole: 1) le vescicole secretorie, delimitate da una membrana nella quale sono inserite, rivolte verso l’interno, le proteine di membrana e contenenti in soluzione le proteine destinate alla secrezione; 2) i lisosomi primari, che contengono, sciolte nel liquido in essi contenuto, le proteine (enzimi) lisosmali. Le vescicole secretorie migrano fino alla membrana plasmatica, con la quale, spontaneamente o in seguito a specifici segnali, si fondono (esocitosi). In seguito a questo processo, il contenuto della vescicola viene riversato all’esterno (secreto), mentre la faccia interna della loro membrana viene a trovarsi esposta all’esterno della cellula, per cui le proteine che prima si trovavano rivolte verso il lume della vescicola si trovano ora esposte all’esterno della cellula.
Ciò è particolarmente rilevante nelle cellule eucariotiche, caratterizzate dalla presenza di organelli intracellulari, ciascuno dei quali costituisce un compartimento delimitato da una membrana. Lo smistamento (sorting) e il trasporto delle proteine costituiscono appunto i processi che fanno sì che ogni proteina raggiunga la sede in cui deve svolgere la propria funzione. Si tratta di processi complessi, che iniziano ancor prima che la sintesi di ciascuna proteina sia terminata e che avvengono gradualmente, attraverso una serie di “scelte” che suddividono le proteine in “gruppi” sempre più piccoli e con destinazioni man mano più definite.
La localizzazione finale di ciascuna proteina è in ultima analisi codificata nella sua sequenza amminoacidica e quindi nella sequenza nucelotidica dell’RNA messaggero (e quindi in quella del gene) che ne determina la sintesi.
Come è noto, nelle cellule eucariotiche, la sintesi delle proteine avviene nel citoplasma. Gli RNA messaggeri (mRNA), sintetizzati nel nucleo e trasportati attraverso la membrana nucleare, vengono a trovarsi sospesi nel citosol, la sostanza gelatinosa che riempie la cellula, dove incontrano i ribosomi, organelli deputati alla sintesi delle proteine, che vengono “programmati” a sintetizzare la specifica proteina codificata dal messaggero con cui si sono combinati.
Qualunque sia il destino della proteina, la sintesi inizia con la formazione di un complesso mRNA-ribosomi sospeso nel citosol, ma la prima grossa suddivisione tra le proteine avviene subito dopo l’inizio della sintesi: nelle proteine destinate ad essere proteine di membrana, o ad entrare nei lisosmi, o ad essere secrete all’esterno della cellula, i primi 25-30 aminoacidi costituiscono il cosiddetto “peptide segnale” (formato in prevalenza da amminoacidi apolari): la sua presenza fa sì che la sintesi di queste proteine si arresti a livello del peptide segnale e possa proseguire solo se il ribosoma si lega a una membrana del reticolo endoplasmico ruvido (RER). In questo modo il peptide segnale indirizza la proteina verso la cosiddetta “via secretiva”.
La sequenza amminoacidica iniziale delle proteine destinate a rimanere nel citosol o ad entrare in tutti gli altri organelli intracellulari (nucleo, mitocondri, ecc.) non presenta invece le caratteristiche del peptide segnale, per cui la loro sintesi, una volta iniziata, prosegue indisturbata fino alla fine ad opera di complessi mRNA-ribosomi liberi nel citosol.
L’ulteriore destino di queste proteine è però codificato nella sequenza amminoacidica di ciascuna proteina, perché le proteine destinate a ciascuno degli organelli presentano in determinati punti della loro sequenza amminoacidica e quindi della superficie delle loro molecole, particolari gruppi di amminoacidi che rappresentano una specie di “etichetta” che indica l’organello di cui la proteina deve entrare a far parte.
Quando la proteina, nel continuo movimento cui sono sottoposte le molecole in soluzione, collide con la membrana che delimita l’organello cui la proteina è destinata, quei particolari gruppi di amminoacidi vengono riconosciuti da specifici recettori presenti nella membrana e ciò fa scattare i meccanismi che portano al trasferimento della proteina all’interno dell’organello.
Le proteine che non presentano nella loro sequenza alcuno dei gruppi di amminoacidi che ne indicano la destinazione a qualcuno degli organelli sono quelle che devono rimanere sciolte nel citosol.
Tornando alla via secretiva, se il ribosoma che ha iniziato la sintesi di una proteina, ma è rimasto bloccato a livello del peptide segnale, interagisce con una membrana del RER, legandosi, esso riprende la sintesi, mentre nella membrana viene a crearsi una specie di poro attraverso il quale la proteina in corso di sintesi viene “spinta” verso il lume della cisterna del reticolo endoplasmico.
Sulla faccia interna della membrana del RER sono presenti diversi enzimi che agiscono da catalizzatori sulla catena della proteina in corso di sintesi: il primo è una proteasi che “taglia” la catena in corso di sintesi a livello del peptide segnale, che viene così rimosso e non si ritrova nella proteina matura; altri enzimi trasferiscono su particolari amminoacidi della catena polipeptidica in corso di sintesi (di solito asparagine) degli oligosaccaridi formati da diversi monosaccaridi, per cui tutte le proteine che seguono questa via risultano alla fine essere delle glicoproteine (proteina + zucchero). Prima della fine della sintesi avviene poi un’ulteriore smistamento (sempre condizionato dalla sequenza della catena polipeptidica): le proteine destinate ad essere proteine di membrana presentano nella loro sequenza segmenti formati da amminoacidi apolari che fanno sì che esse, una volta terminata la sintesi, restino parzialmente inserite nella membrana, sporgendo in parte verso il lume delle cisterne del RER; quelle destinate ai lisosomi o alla secrezione non presentano questi segmenti e quindi, terminata la sintesi, vanno in soluzione nel liquido contenuto nel lume delle cisterne.
Dalle cisterne del RER si staccano (gemmano) delle vescicole la cui membrana contiene, rivolte verso l’interno, le proteine destinate alla membrana e il cui lume contiene in soluzione le proteine destinate alla secrezione e ai lisosomi.
Queste vescicole vanno a fondersi con le cisterne dell’apparato di Golgi, a livello del quale si verificano ulteriori modificazioni a carico delle proteine (modificazioni post-traduzionali, soprattutto per quanto riguarda gli oligosaccaridi). Dall’apparato di Golgi gemmano poi due tipi di vescicole: 1) le vescicole secretorie, delimitate da una membrana nella quale sono inserite, rivolte verso l’interno, le proteine di membrana e contenenti in soluzione le proteine destinate alla secrezione; 2) i lisosomi primari, che contengono, sciolte nel liquido in essi contenuto, le proteine (enzimi) lisosmali. Le vescicole secretorie migrano fino alla membrana plasmatica, con la quale, spontaneamente o in seguito a specifici segnali, si fondono (esocitosi). In seguito a questo processo, il contenuto della vescicola viene riversato all’esterno (secreto), mentre la faccia interna della loro membrana viene a trovarsi esposta all’esterno della cellula, per cui le proteine che prima si trovavano rivolte verso il lume della vescicola si trovano ora esposte all’esterno della cellula.
