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Gaetano Odierna » 12.Ribosomi, smistamento proteine, reticolo endoplasmatico


Ribosomi

I ribosomi sono presenti nel citoplasma delle cellule dei procarioti e degli eucarioti. Negli ultimi si trovano anche nella matrice dei mitocondri e dei cloroplasti.

Furono descritti da Palade nel 1953 in immagini al microscopio elettronico, dove i ribosomi appaiono come particelle globulari, non rivestite da membrane, di 15-20 nm di diametro.

Negli eucarioti, i ribosomi sono sintetizzati nel nucleolo e esportati nel citoplasma, dove possono essere sia liberi sia legati al lato citoplasmatico delle membrane del Reticolo Endoplasmatico (RE).


Polisomi

Al Microscopio elettronico i ribosomi appiano associati in catene di 5 -20 elementi, denominati POLISOMI, dove avviene la traduzione degli mRNA, ovvero la sintesi proteica.

In figura: Micrografia, pseudocolorata, al M. elettronico di polisomi e, sotto, rappresentazione funzionale di un polisoma.

Polyribosomes

Micrografia, pseudocolorata, al M. elettronico e rappresentazione funzionale di un polisoma

Micrografia, pseudocolorata, al M. elettronico e rappresentazione funzionale di un polisoma


Ribosomi – struttura

I ribosomi sono ribonucleoproteine; contengono rRNA e proteine (ribosomali) ad essi associati. I ribosomi dei procarioti e degli eucarioti presentano caratteri sia comuni sia distintivi. In entrambi, partecipano alla traduzione degli mRNA; presentano due subunità, la maggiore e la minore. Le due subunità sono libere nel citoplasma e si associano per operare la traduzione degli mRNA. Le due subunità vengono riferite in base loro valore S (coefficiente di sedimentazione) link alla penultima DIA.

I ribosomi dei procarioti e degli eucarioti presentano un numero differente di molecole sia rRNA sia di proteine.

Per la morfologia dei ribosomi si è soliti riferirsi a quelli dei procarioti e in particolare a quelli di Escherichia coli (rappresentata in figura).

La morfologia dei ribosomi degli eucarioti varia a secondo dell’organismo considerato.

Subunità minore e maggiore libere ed associate a formare il ribosoma

Subunità minore e maggiore libere ed associate a formare il ribosoma

Morfologia delle sub-unità dei ribosomi di Escherichia coli

Morfologia delle sub-unità dei ribosomi di Escherichia coli


Confronto tra Ribosomi batterici ed eucariotici

Nell’immagine e in tabella sono riportate le maggiori differenze tra i ribosomi dei procarioti e degli eucarioti.

E’ da evidenziare che le molecole di rRNA e le proteine delle due sub-unità, una volta dissociate ed isolate, possono autoassemblare a formare sub-unità pienamente funzionali.


Funzione dei ribosomi

Per l’attività funzionale dei ribosomi nella sintesi proteica si rimanda a specifici corsi, ad es. quello di biologia molecolare.


Smistamento proteine

La traduzione degli mRNA inizia sempre nel citoplasma ma in dipendenza di specifici segnali può continuare e ultimare nel citoplasma stesso o sui ribosomi legati al Reticolo Endoplasmatico.


Smistamento proteine: importazione co-traduzionale

Nel caso che il peptide nascente presenti una particolare sequenza di amminoacidi, detta peptide segnale, la sintesi proteica è momentaneamente bloccata per continuare dopo la smistamento dei polisomi sulla membrana del Reticolo Endoplasmatico (RE). Le proteine sintetizzate entrano lume del RE, da qui passano nell’apparato di Golgi, per essere poi inviate:

  • alla membrana plasmatica;
  • a vescicole di secrezione;
  • ai lisosomi.

Lo smistamento delle proteine al RE avviene durante la traduzione ed è, pertanto, detta: importazione co-traduzionale.

Traslocazione al Reticolo Endoplasmatico

Traslocazione al Reticolo Endoplasmatico


Smistamento proteine: importazione post-traduzionale

Nel caso che sui polisomi il peptide nascente non presenti il peptide segnale, la sintesi proteica viene completata nel citoplasma stesso e le proteine sintetizzate in dipendenza di specifici segnali possono:

  • restare nel citoplasma;
  • oppure essere trasferite:
    • nel nucleo;
    • nei mitocondri;
    • nei plastidi;
    • nei perossisomi.

Il trasferimento delle proteine in tali comparti avviene dopo la traduzione ed è pertanto detta: importazione post-traduzionale.


Smistamento proteine nei diversi distretti cellulari

L’importazione co-traduzionale o post-traduzionale delle proteine dipende dalla presenza o assenza del peptide segnale sui peptide nascente.


Sequenze segnale

Lo smistamento delle proteine ai comparti cellulari dipende da specifiche sequenze di amminoacidi presenti sulla proteina stessa. Tali sequenze sono dette sequenze segnale.

Pertanto, il destino della proteina è noto già al momento della trascrizione del gene corrispondente.

Smistamento delle proteine ai vari organelli in dipendenza di specifiche sequenze segnale

Smistamento delle proteine ai vari organelli in dipendenza di specifiche sequenze segnale


Struttura delle sequenze segnale

La sequenza (peptidica) segnale può essere presente:

  • alla estremità amino-terminale come ad esempio la sequenza per l’importo al RER;
  • alla estremità carbossi-terminale come ad esempio la sequenza per l’importo nei perossisomi;
  • intersperse come ad esempio nell’importo o esporto nucleare.

La presenza delle sequenze segnali prevede che esse siano riconosciute da specifiche proteine (recettori di smistamento) che le indirizzano al compartimento bersaglio; qui si legano a specifiche proteine e/o a canali di traslocazione presenti sulla membrana del comparto bersaglio in modo da consentire l’inserimento della proteina o all’interno del comparto o alla sua membrana.


Reticolo endoplasmatico

Il Reticolo Endoplasmatico (RE) è presente in tutte le cellule eucariotiche. E’ una intricata rete di cisterne e tubuli intercomunicanti tra loro.

E’ compartimento unico con porzioni morfologicamente e funzionalmente differenti, distinte in:

  • Reticolo endoplasmatico Rugoso (RER): i tratti del RE che portano i ribosomi legati sul versante citoplasmatico.
  • Reticolo endoplasmatico liscio (REL): i tratti di RE privi di ribosomi.
Micrografia elettronica e rappresentazione schematica del Reticolo Endoplasmatico

Micrografia elettronica e rappresentazione schematica del Reticolo Endoplasmatico


Reticolo endoplasmatico Rugoso – struttura

Il Reticolo Endoplasmatico Rugoso è costituito da cisterne appiattite intercomunicanti, con i ribosomi legati alla superficie citosolica.

Il RER è molto sviluppato nelle cellule che attivamente secernono proteine o glicoproteine (ad esempio i neuroni, le cellule del pancreas esocrino, le plasmacellule).

In figura: Micrografia al Microscopio elettronico e modello del Reticolo endoplasmatico rugoso. In arancio è indicato il lume delle cisterne, con la superficie citosolica costellata da ribosomi (in rosso).


Reticolo endoplasmatico Rugoso – funzioni: sintesi proteine

Sul RER vengono sintetizzate le proteine che penetrate nel lume del RER, passano al Golgi e da qui smistate alla membrana plasmatica, ai lisosomi e alla vescicola di secrezione.

L’importazione delle proteine nel lume del RER è co-traduzionale.

Nelle immagini sono riportate le principali tappe di tale processo:

  1. legame tra il peptide segnale e la proteina solubile SRP con blocco della sintesi proteica;
  2. legame tra il complesso mRNA-Ribosomi-SRP e il recettore dell’SRP (una proteina transmembrana del RE);
  3. legame del ribosoma al traslocone e distacco della SRP dal suo recettore;
  4. ripresa del sintesi della proteina che tramite il canale del traslocone penetra nel lume del RER;
  5. la peptidasi del segnale taglia il peptide segnale dalla proteina;
  6. rilascio della proteina nel lume del RER.
Schema della importazione co-traduzionale delle proteine al RER

Schema della importazione co-traduzionale delle proteine al RER


RER – funzioni: sintesi proteine transmembrana

Le proteine sintetizzate sul RER in dipendenza di assenza o presenza nelle proteine in sintesi di una specifica “sequenza di arresto di trasferimento” possono sia passare nello spazio luminale o restare inserite nella membrana, ovvero diventare proteine transmembrana:

  • A – in assenza del sequenza di arresto di trasferimento, eliminato il peptide segnale la proteina passa nel lume del RER;
  • B – in presenza del “segnale di arresto di trasferimento ” (una serie di aminoacidi apolari), eliminato il peptide segnale, la proteina resta inserita nella membrana, come proteina transmembrana monopasso;
  • C – in presenza di due o più segnali di arresto di trasferimento, si avranno proteine transmembrana di-, tri- o multipasso.
Fonte: immagini modificate da Becker, Kleinsmith, Hardin, Il mondo della cellula, Edises, 2006

Fonte: immagini modificate da Becker, Kleinsmith, Hardin, Il mondo della cellula, Edises, 2006


Reticolo endoplasmatico Rugoso – funzioni: glicosilazione dell’asparagina

Nel lume del RER inizia la glicosilazione delle proteine. Tale processo continuerà nell’apparato di Golgi ed è importante per l’indirizzamento delle proteine alla membrana plasmatica, ai lisosomi e alle vescicole di secrezione.

La glicosilazione consiste nel trasferimento ad opera di un enzima (la oligosaccaride-dolicol-transferase) di un oligosaccaride, di 14 residui zuccherini, ricco in mannosio, da un glicolipide di membrana (il dolicolo) al gruppo aminico delle asparagine presenti nella catena polipeptidica in crescita (la gicosilazione a livello delle asparagine è detta N-glicosilazione. Nel citoplasma la (eventuale) glicosilazione delle proteine avviene a livello del gruppo –OH delle serine o delle treonine ed è, pertanto, detta O-glicosilazione).

Schema della glicosilazione della asparagina

Schema della glicosilazione della asparagina


Reticolo endoplasmatico Rugoso – funzioni: folding delle proteine

Nel reticolo endoplasmatico inizia il processamento dell’oligosaccaride aggiunto alle asparagine: ad opera di glicosidasi vengono eliminati quattro residui zuccherini (tre glucosio e un mannosio).

Avviene anche il “folding” (ripiegamento) delle glico-proteine, tramite specifiche “chaporonine”, le bip. Le proteine correttamente “folded” vengono smistate all’apparato di Golgi. Quelle non correttamente “folded” vengono traslocate nel citoplasma e degradate da specifici complessi enzimatici (i proteosomi).

Schema dell’eliminazione dall’oligosaccaride legato asparagina dei tre residui di glucosio e folding delle glicoproteine

Schema dell'eliminazione dall'oligosaccaride legato asparagina dei tre residui di glucosio e folding delle glicoproteine


Reticolo endoplasmatico Liscio – struttura

Il reticolo endoplasmatico liscio (REL o SER da Smooth Endoplasmatic Reticulum) si differenzia dal RER soprattutto per la mancanza di ribosomi sul versante citosolico.

E’ costituito essenzialmente da tubuli interconnessi tra loro.

Il REL è molto sviluppato nelle cellule steroidogenetiche, quali ad esempio le cellule di Leydig o quelle mineralcoticoidi del surrene, nelle fibre muscolari scheletriche dove è denominato Reticolo sarcoplasmatico.

Micrografia elettronica del REL

Micrografia elettronica del REL

Micrografia elettronica e ricostruzione schematica del REL

Micrografia elettronica e ricostruzione schematica del REL


Reticolo Endoplasmatico Liscio: funzioni

Il REL assolve a numerose funzioni; le principali sono di seguito elencate:

  • Biosintesi delle membrane.
  • Partecipa alla biosintesi degli ormoni stereoidei.
  • Metabolismo dei carboidrati.
  • Immagazzinamento del Calcio.
  • Detossificazione dei farmaci.

REL: sintesi di membrane

Nel RE gli enzimi della sintesi dei fosfolipidi hanno il sito attivo sul lato citoplasmatico. Durante la sintesi si ha pertanto la crescita asimmetrica della membrana plasmatica (sintesi di un monostrato).

Particolari enzimi (le scramblasi- dall’inglese to scramble = mescolare) operano il mescolamento casuale dei fosfolipidi, ripristinando le dimensioni corrette dei due foglietti.

Successivamente, altri enzimi ( le flippasi) operano il trasferimento selettivo dei fosfolipidi da un monostrato all’altro, ripristinando l’asimmetria della composizione in fosfolipidi tra i due foglietti della membrana.

Rappresentazione schematica della sintesi di membrane nel REL

Rappresentazione schematica della sintesi di membrane nel REL


Coefficiente di sedimentazione

s = coefficiente di sedimentazione, secondi

s = v / ω2r

v = velocità di sedimentazione (massa, densità propria e del mezzo, al campo centrifugo applicato

ω = velocità angolare del rotore in radianti/s

r = distanza radiale della particella dall’asse di rotazione, cm

I valori comuni di s per le molecole organiche sono nell’ordine di 10-13 sec che equivale per convenzione a 1 unità svedberg (S). Quindi se rRNA a s = 5·10-13 si dice che ha un coefficiente pari a 5S.

I materiali di supporto della lezione

Consultare i capitoli dedicati allo smistamento delle proteine e al Reticolo endoplasmatico nei testi di biologia cellulare e molecolare, quali ad esempio:

Karp. Biologia cellulare e molecolare (3a Edizione). Edises Editore

Becker et al. “Il mondo della Cellula”. Edieses editore

Alberts et al. Biologia molecolare della cellula. Zanichelli Editore

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