FUNZIONE CELLULARE E TRAFFICO INTRACELLULARE€¦ · Esperimenti hanno dimostrato che una volta che...
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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