FUNZIONE CELLULARE E TRAFFICO INTRACELLULARE

Glicolipide

Doppio

strato

Lipidico

5-8 nm

Acido grassoRegione

ad α-elica

di proteina

transmembrana

Proteina

periferica di

membrana

Proteina integrale

di membrana

Carboidrati proteine

MODELLO A MOSAICO FLUIDOSinger e Nicolson, 1972

Come comunica la cellula con

l’esterno?

In che modo vengono smistate le proteine all’interno della cellula?

Che cosa media il riconoscimento tra le cellule nell’organizzazione tissutale?

Diffusione semplice, facilitata, trasporto attivo

Diffusione facilitata implica un cambiamento di conformazione della proteina carrier

Le proteine canale coinvolte nella diffusione facilitata di ioni presentano una struttura tale da consentire il passaggio degli

ioni

Trasporto attivo• Contro un gradiente di

concentrazione o

elettrochimico

• Uso di ATP

La concentrazione del sodio è 143 mM all'esterno della membrana

cellulare e 14 mM all'interno, mentre la concentrazione del

potassio è dalle 10 alle 14 volte maggiore all'interno.

Questo processo contribuisce ad evitare che vengano dissipati i

gradienti ionici esistenti tra esterno e interno he stanno alla base della differenza di potenziale esistente

tra ambiente intracellulare ed ambiente extracellulare

Destino di una cellula viene deciso in base a stimoli

esterni (segnali) che interagiscono con molecole proteiche chiamate recettori

I «segnali» sono chiamati ligandi dei recettori

Esempio di segnalazione dipendente da contatto : i recettori Notch

Notch scoperto in Drosophila

Funzioni di Notch

It decides cell fate!

Stemness

Survival

(anti� Apoptosis)

Cell identityB or T cells

Proliferation

Esempio di segnalazione paracrina

L’ossido nitrico innesca il rilassamento della

muscolatura liscia nella parete dei

vasi sanguigni

Esempio di segnalazione paracrina

Esempio di segnalazione autocrina: citochina interleuchina-1 nei monociti. Quando viene prodotta in risposta ad uno stimolo esterno, si può legareai recettori sulla superficie cellulare della stessa cellula che li ha prodotti.

Esempio di segnalazione endocrina: estrogeni prodotti dalle ovaie hanno la ghiandola mammaria come target

I ligandi possono essere di natura idrofilica o idrofobica

Idrofilici: citochina interleuchina-1ormone peptidico glucagone

idrofobici: ormoni steroidei

Recettori intracellulari legano il DNA

70 % dei tumori della mammella presenta il recettore estrogenico

Il tamossifene blocca l’attività trascrizionale del recettore

I recettori di membrana trasducono un segnale all’interno della cellula

Il più delle volte la trasduzione del segnale

utilizza reazioni di fosforilazione!!!

3 Tipi di recettori di superficie

b) Recettori legati a proteine G

Esempio : Attivazione proteina chinasi A (PKA) e i suoi substrati

La proteina chinasi A (PKA) viene attivata da AMP ciclico

Recettori che attivano le proteine G: Attivazione proteina chinasi A (PKA)

Tra le varie attività della PKA c’è la fosforilazione di enzimi che porta al rilascio di glucosio (glucagone) o la fosforilazione della proteina CREB che attiva la trascrizione di

geni target (ormone luteinizzante e sintesi di progesterone

Recettori che attivano le proteine G: Attivazione della proteina chinasi C (PKC) attivata da ormoni e neurotrasmettitori come acetilcolina , vasopressina ossitocina.

c) Recettori di membrana collegati ad enzimi

Recettori legati a enzimi

Il VEGF stimola l’angiogenesi (ad esempio riparo tessutale) ma promuovela crescita di vasi all’interno del tumore

Alcuni tumori al polmone hanno alti livelli di EGFR e possono essere bloccaticon ligandi che bloccano il recettore

Bowers Front. Endocrinol., 15 May 2015

IGF-1 è implicato nell’aumentato rischio di cancro in quanto induce la proliferazione cellulare

Esempio: Recettori di membrana collegati ad enzimi- recettori che attivano la proteina ras

a) Recettori che attivano canali ionici

Smistamento delle proteine nei compartimenti cellulari, esocitosi endocitosi

Le vie principali

Esperimenti hanno dimostrato che una volta che il dominio proteico di una proteina multidominio emerge dal ribosoma, forma nel giro di pochi secondi una struttura compatta che contiene la maggior parte della struttura secondaria finale (αααα eliche e foglietti ββββ) allineata più o meno nel modo giusto. Per molti domini proteici, questa struttura insolitamente aperta e flessibile, che è chiamata globulo fuso, è il punto di partenza per un processo relativamente lento in cui avvengono molti aggiustamenti di catene laterali che alla fine formano la struttura terziaria corretta. Nonostante ciò, poiché ci vogliono alcuni minuti per sintetizzare una proteina di dimensioni medie, buona parte del processo di ripiegamento è completata quando il ribosoma rilascia l’estremità C-terminale di una proteina.

(A) Una forma del globulo fuso del

citocromo b562 è più aperta e meno

ordinata della forma finale ripiegata

della proteina, mostrata in (B).

Folding e misfolding delle proteine

Chaperone molecolari aiutano a guidare il ripiegamento di molte proteine

Una visione corretta del ripiegamento

delle proteine.

Ciascun dominio di una proteina

appena sintetizzata raggiunge

rapidamente uno stato di “globulo

fuso”. Il ripiegamento successivo

avviene più lentamente e per vie

multiple, comportando spesso l’aiuto

da parte di una proteina chaperone

molecolare.

Alcune molecole possono comunque

non riuscire a ripiegarsi correttamente;

queste sono riconosciute e degradate

da proteasi specifiche.

Le chaperoni molecolari sono state identificate per la prima volta nei batteri quando vennero studiati mutanti di E. coli che non

permettevano al fago lambda di replicarsi al loro interno. Questi mutanti producono versioni leggermente alterate del macchinario

chaperone e come risultato sono difettosi in passaggi specifici dell’assemblaggio delle proteine virali.

Le chaperone molecolari sono incluse fra le proteine dello shock da calore (heat-shock proteins, di cui laloro designazione come hsp), perché sono sintetizzate in quantità enormemente maggiore dopo unabreve esposizione delle cellule ad una temperatura elevata (per esempio, 42°°°°C per cellule chenormalmente vivono a 37°°°°C). Ciò riflette l’operazione di un sistema feedback che risponde a qualunqueaumento di proteine ripiegate male (come quelle prodotte da temperature elevate) aumentando la sintesi delleproteine chaperone che aiutano queste proteine a ripiegarsi.

Le cellule eucariotiche hanno almeno due famiglie principali di chaperone molecolari – hsp60 e hsp70.Membri diversi della famiglia svolgono la loro funzione in organelli diversi. Così i mitocondri contengono le loro molecole hsp60 e hsp70 che sono distinte da quelle che agiscono nel citosol e una hsp70 speciale (chiamata BIP) aiuta a ripiegare correttamente le proteine nel reticolo endoplasmatico rugoso..Il macchinario hsp70 agisce precocemente nella vita di molte proteine, legandosi ad una fila di circa 7 amminoacidi idrofobici prima che la proteina lasci il ribosoma.

Chaperone molecolari aiutano a guidare il ripiegamento di molte proteine

Le proteine del tipo hsp60 formano una struttura a forma di botte che agisce più tardi nella vita di una proteina, dopo che è stata completamente sintetizzata. Questo tipo di chaperone forma una “camera di isolamento” in cui entrano proteine ripiegate non correttamente, impedendone l’aggregazione e fornendo loro un ambiente favorevole in cui tentare di ripiegarsi.

Regioni idrofobiche esposte forniscono segnali cruciali per il controllo qualità delle

proteine.

Circa il 20% delle proteine vengono aiutate dalla hsp70 e il 10% dalle hsp60.

In che modo queste proteine vengono scelte per questo ripiegamento catalizzato da ATP?Una proteina che ha un’ampia zona di amminoacidi idrofobici esposta sulla superficie è in genere anormale: o non è riuscita a ripiegarsi correttamente dopo aver lasciato il ribosoma, o ha subito un incidente che l’ha svolta parzialmente in un tempo successivo, o non è riuscita a trovare la subunità partner normale in un complesso proteico più grande. Una tale proteina non è semplicemente inutile per la cellula, può essere pericolosa. Molte proteine con una regione idrofobica esposta anormalmente possono formare aggregati, precipitando fuori dalla soluzione. In rari casi, questi aggregati possono provocare malattie molto gravi.

Folding e misfolding delle proteine

Quando tutti i controlli di qualità di una proteina falliscono, grossi aggregati proteici tendono ad accumularsi nella cellula colpita. Gli

aggregati possono, adsorbendo su di essi macromolecole cruciali, danneggiare gravemente le cellula e causarne anche morte. Gli

aggregati proteici rilasciati da cellule morte tendono ad accumularsi nella matrice extracellulare e, in casi estremi, possono anche

danneggiare i tessuti. Il cervello, poiché è composto da un’insieme altamente organizzato di cellule nervose, è altamente vulnerabile.

Aggregati proteici nel cervello causano principalmente neurodegenerazione (malattia di Huntington e la degenerazione di Alzheimer –

causa di demenza correlata all’età e colpisce più di 20 milioni di persone nel mondo d’oggi. Molti aggregati proteici che causano

problemi formano fibrille costituite da una serie di catene polipeptidiche che sono stratificate l’una sull’altra come pile continue di

foglietti β (filamento cross-beta resistente alla proteolisi). Questa struttura si osserva in tanti disordini neurologici in cui produce

depositi colorati in modo anormale noti come amiloide.

Le proteine ripiegate in modo anormalo possono aggregarsi causando malattie umane distruttive.

Una varietà particolare di questa malattia ha

raggiunto una particolare notorietà: le malattie da prioni. A differenza delle

malattie di Huntington e di Alzheimer, quella

da prioni si può diffondere da un organismo

all’altro, purché il secondo organismo mangi

un tessuto contenente l’aggregato proteico.

Una serie di malattie – chiamate scrapie

nella pecora, malattie di Creutzfeldt-Jacob

(CJD) nell’uomo e encefalopatia spongiforme bovina (BSE) nei bovini (morbo della mucca pazza) – è causata da

una forma male ripiegata e aggregata di una

proteina chiamata PrP (proteina prionica).

La PrP si trova normalmente sulla superficie

esterna della membrana plasmatica,

soprattutto nei neuroni. La sua funzione

normale è sconosciuta ma ha la sfortunata

proprietà di essere convertibile in una

conformazione anormale molto speciale.

Questa conformazione non soltanto forma

filamenti cross beta resistenti alla proteolisi

ma è anche “infettiva” perché converte

molecole di PrP ripiegate normalmente nella

stessa forma (da PrP a PrP*).

Nel nucleo e dal nucleo: sequenza di localizzazione, trasportatore e consumo di energia

Mitocondri

Dal citosol ai mitocondri-Translocator Outer (Inner) Membrane TOM/TIM

Dal citosol al RER

Dal citosol al RER

Dal citosol al RER

Dal citosol al RER

Orientamento delle glicoproteine nelle membrane biologiche

Dal citosol al RER

involucro nucleare

RE

lisosoma

endosoma tardivo

endosoma precoce

membranaplasmatica

CITOSOL

vescicolasecretoria

reticolocis

pile reticolotrans

apparato di Golgi

VIA SECRETORIAVIA ENDOCITICAVIA DI RECUPERO

TRAFFICO VESCICOLARE NELLE VIE

SECRETORIE ED ENDOCITICHE

CITOSOL

NUCLEO PEROSSISOMA

PLASTIDIMITOCONDRI

RETICOLO ENDOPLASMATICO

GOLGI

LISOSOMI VESCICOLE

SECRETORIE

ENDOSOMA

SUPERFICIE CELLULARE

Molti dei polisaccaridi delle

cellule sono prodotti dall’apparato

di Golgi come pure i glicosamminoglicani

della matrice extracellulare

La via secretoria (o esocitosi) maestra, diretta verso

l’esterno, arriva alla superficie cellulare via RER-Golgi.

In alternativa si arriva ai lisosomi passando per gli

endosomi.

Lo smistamento ai vari organuli avviene tramite la formazione e trasferimento di vescicole indotte da proteine specifiche

Nel primo tratto della via secretoria

COPII dal RE

COPI dal GOLGI

Successivamente

CLATRINA dalla MEMBRANA PLASMATICA

e tra ENDOSOMI e GOLGI

Proteine coinvolte nella formazione delle vescicole

Le proteine SNARE e le Rab sulle vescicole e mediano il riconoscimento e la fusione delle vescicole alle membrane

Ruolo della clatrina nella formazione e smistamento delle vescicole

I lisosomi si formano a partire da vescicole che originano dal Golgi :ruolodel mannosio 6 fosfato

miscela di proteine smistamento

Golgi

Segnale comeormone o neurotrasmettitore

recettore del

mannosio 6 fosfato

flusso verso

la superficie

VIA SECRETORIA

REGOLATA

SMISTAMENTO AI LISOSOMI

MEDIATO DA SEGNALE

SECREZIONECOSTITUTIVA

Esocitosi è il processo implicato nel trasporto dal Golgi alla membrana plasmatica e che porta alla secrezione di sostanze nello spazio extracellulare

Es: un accumulo di glucosio ematico segnala alle cellule pancreatiche di secernere ormone

insulina.

TRAFFICO VESCICOLARE NELLE VIE ENDOCITICHE: pinocitosi e fagocitosi

endocitosi

fagocitosi

autofagia

batterio fagosoma

membrana

cellulare

ENDOSOMATARDIVO

LISOSOMA

R. E.mitocondrio

autofagosoma

Endosoma precoce

La clatrina è implicata anche nell’endocitosi, il processo di trasferimento di materiale all’interno della cellula attraverso

un’invaginazione della membrana plasmatica: esempio del colesterolo (pinocitosi)

Ingresso del colesterolo: Endocitosi mediata da recettori

Meccanismi di adesione cellulareAdesione fra cellule

Adesione fra cellule e fra cellule e matrice extracellulare è stabilizzata da giunzioni cellulari specializzate

Giunzioni strette- sigillano e materiale non può passare attraverso spazio tra le cellule

Giunzioni aderenti- collegate all’actina- funzione meccanica

Giunzioni comunicanti- consentono il passaggio di alcune molecole

Matrice extracellulare

Matrice extracellulare è l’ancoraggio delle cellule di un tessuto and un substrato comune

1) funzione di sostegno, mantenimento forma e mobilità cellulare (epitelio poggia sulla lamina basale)

2)costituita da proteine strutturali (collagene, elastina) o adesiva (fibronectina) immerse in una rete di proteine altamente idratate i (proteoglicani)

1) nell’osso (sali insolubili di calcio)-connettivo-cartilagine la matrice cellulare è caratterizzata da una particolare rigidità.

Proteine della matrice extracellulare

� Collagene funzione strutturale- resistente non elastico

� Elastina- conferisce elasticità alla parete dei vasi

� Proteoglicani proteine legate a glucosammine altamente idratate funzione

da «cuscinetto

� Fibronectina ancora le cellule alla matrice cellulare

Proteine della matrice extracellulare

Le integrine collegano le cellule alla matrice extracellulare esono collegate al citoscheletro

Le integrine attivano anche geni che inducono proliferazione cellulare