TRAFFICO PROTEICO INTRACELLULARE
La cellula eucariota è caratterizzata da numerosi compartimenti, fra i quali il più rappresentato è il citosol,
nel quale viene sintetizzata la maggior parte delle proteine che poi devono essere smistate. Nucleo e citosol
sono in diretto contatto fra loro grazie ai pori nucleari, mentre le altre parti cellulari rappresentano un altro
compartimento dal punto di vista topologico. Le proteine che devono andare dal citosol al nucleo e viceversa
non devono attraversare membrane, come accade nel caso d’ingresso in altri compartimenti.
CITOSOL
NUCLEO
MITOCONDRI, PEROSSISOMI, PLASTIDI, RETICOLO ENDOPLASMATICO
ENDOSOMI
GOLGI
MATRICE EXTRACELLULARE
Il passaggio citosol-nucleo viene definito GATED perché, in ogni caso, i pori consentono il passaggio solo
ad alcune proteine; dal citosol agli organelli è un passaggio trans membrana, mentre fra RE, Golgi, endosomi
e MEC i trasferimenti sono vescicolari.
Fondamentale per il trasferimento è la presenza del segnale nella sequenza proteica, che può trovarsi a livello
C/N terminale o all’interno. Il segnale d’import nucleare è costituito da una serie di Lys e una Arg (basica) ed
è interna cosi come anche quella di export (presenta dei residui idrofobici intervallati da residui random). Le
sequenze a livello amminoterminale portano nei mitocondi dove sono staccate da delle peptidasi in modo che
le proteine non tornino indietro, infatti solitamente una proteina giunge nel mitocondrio per restarvi. Le
proteine nucleari devono, invece, mantenere sempre la sequenza: la cellula va incontro al ciclo cellulare per
cui le proteine devono poter essere riportate all’interno ogni volta che il nucleo si riforma. Questo consente
anche uno scambio di informazioni fra nucleo e citosol. Il segnale di import per il RER è a livello
amminoterminale e presenta residui idrofobici.
GATED
La membrana nucleare è caratterizzata dalla presenza di pori, questi pori sono formati da un complesso
multiproteico a simmetria ottaedrica. Presenta una serie di proteine fibrose citoplasmatiche, subunità
colonnari, fibrille nucleare, subunità anulari (sono presenti due anelli uno prospiciente il citosol, l’altro il
nucleo. Sono pori di grandi dimensioni, che permettono il passaggio di piccole proteine e molecole (che tutte
queste devono essere unfolded). La sequenza di import nucleare (NES) è una sequenza ricca di Lisina e
Arginina ed è interna, così come anche quella di export (presenta residui idrofobici intervallati da residui
random).
La cisterna perinucleare che separa nucleo e citosol, presenta all’interno la lamina nucleare, fibrosa, che
sostiene la struttura. Il passaggio è garantito dai pori: serie di proteine fibrose citoplasmatiche, subunità
colonnari (formano le pareti del poro), fibrille nucleari (formano strutture a canestro) e subunità anulari. I
pori sono di grandi dimensioni. Sostengono proteine fibrose che creano un setaccio molecolare: passaggio
libero per micromolecole mentre le macromolecole devono essere trasportate specificatamente. La sequenza
d’import nucleare viene riconosciuta dai recettori d’import nucleare. Le proteine trasportate sono chiamate
cargo. Può accadere che i recettori possano legarsi a loro volta ad altri recettori, sempre della stessa famiglia.
Il trasporto è favorito dal gradiente di concentrazione che viene mantenuto da una piccola GTPasi: RAN,
presente sia nel nucleo che nel citoplasma. Nel citosol l’attività GTPasica è aumentata dalla RAN-GAP,
formando RAN-GDP, che entra nel nucleo dove incontra RAN-GEF che spiazza GDP per il GTP. Nel citosol
c’è principalmente RAN-GDP, nel nucleo invece prevale RAN-GTP (RAN-GEF è associata alla cromatina,
importante per la riorganizzazione del nucleo a fine mitosi). I recettori riconoscono la sequenza d’import
nucleare della proteina cargo citosolica ed interagiscono, tramite delle sequenze proprie, con le
proteine del poro: domini FG (fenilalanina, glicina). Il legame recettore-poro avviene per pura agitazione
termica, per cui è molto debole: il recettore quindi si lega, si slega e si rilega in vari punti (i domini FG sono
tantissimi e sono all’interno del poro). Questo va avanti finchè il recettore entra nel nucleo. Una volta dentro
interagisce con RAN-GTP che cambia la struttura del recettore provocando il rilascio della cargo. Il recettore
può uscire dal nucleo (legato a RAN-GTP), sempre tramite l’interazione debole dei vari domini FG, ed
incontrare RAN-GAP che induce l’idrolisi del GTP, riformando RAN-GDP che si stacca dal recettore. Il
ciclo può ricominciare. L’export si basa sullo stesso meccanismo, solo che il recettore per l’export necessita
di RAN-GTP per legare il cargo, poi il ciclo procede in maniera uguale.
RAN GTP NUCLEO RAN GDP CITOSOL
MITOCONDRI
Possiede un genoma circolare ma la maggior parte delle proteine devono essere importate dal citosol. Il
genoma mitocondriale è piccolo ( rispetto anche a quello di altre specie): i genomi mitocondriali sono andati
incontro a riduzione, i geni scomparsi dal mticondrio sono riusciti a diventare nucleari: se c’è una doppia
copia quella mitocondriale non viene mantenuta. Codifica per sub unità del complesso I, ATP-sintasi,
citocromo b e citocromo c ossidasi. Generalmente queste proteine si trovano nella membrana mitocondriale
interna , quindi vengono comunque esportate. La sequenza d’import nel mitocondrio è amminoterminale
e si dispone a formare un’elica anfipatica. Viene riconosciuta da recettori specifici che la internalizzano.
Alcuni trasportatori sono sulla MME ed altri su MMI: complesso TOM (traslocazione membrana esterna),
comprende sia i recettori, sia il canale di traslocazione; complesso SAM( è importante per l’assemblamento
di proteine a livello della Membrana mitocondriale esterna). Su MMI abbiamo: complesso TIM23 (il più
importante) e complesso TIM22; complesso OXA. TOM fa passare la proteina riconosciuta dal recettore ed è
a stretto contatto con TIM23. La proteina passa direttamente da un canale all’altro ed entra nella matrice
dove una peptidasi taglia la sequenza rilasciando la proteina matura. Questo sistema richiede energia: ATP
e potenziale trans membrana. A livello di TOM sono importanti le HSP70 che mantengono unfolded la
proteina da importare (anche queste consumano ATP). A livello di TIM23 serve potenziale elettrico:
somministrando valinomicina la proteina non entra. C’è una serie di proteine che devono finire nello
spazione intermembrana o nella membrana esterna: la più importante è la porina (barile beta). Richiede
SAM per assemblarsi nella MME. TIM22 non presenta propaggini che lo collegano a MME, è importante
per il folding di proteine con alfa-eliche nella MMI (trasportatore di nucleotidi adenilici).
Proteina con sequenza N-terminale ! TOM ! TIM 23 ! taglio peptidasico della sequenza segnale.
[RICHIEDE ATP E POTENZIALE TRANSMEMBRANA]
Proteine della MME necessitano di SAM, mentre TIM22 è importante per il folding di proteine nella MMI.
RER
Il segnale di import per il RER è a livello amminoterminale e presenta residui idrofobici.
Possiamo avere la cotraslazione: la proteina viene sintetizzata e rapidamente il ribosoma si lega al RE e la
proteina durante la sintesi viene trasferita; oppure la proteina viene sintetizzata e poi entra nel RE.
La prima è quantitativamente più imponente. C’è una interazione fra ribosoma e specifico trasportatore, il
quale riconosce la sequenza di targeting. SRP (particella di riconoscimento del segnale): riboproteina 7SL
RNA (tre domini proteici: dominio cerniera, dominio legante pausa traslazionale, dominio riconoscimento
sequenza segnale) che lega due domini proteici: uno riconosce la sequenza segnale della proteina, l’altro
è il dominio di pausa traslazionale. Questo RNA è correlato con le sequenze Alu (tipo di SIGNS, sequenze
imparentate con retrotrasposoni, non retro virali, con coda di poliA; i trasposoni in passato possono aver
avuto un ruolo). La sequenza è amminoterminale, riconosciuta da un dominio di SRP, l’altro blocca
l’ingresso dell’amminoacil-tRNA nel ribosoma. Su RER c’è un recettore per SRP, che la lega. In seguito il
recettore mette in contatto il ribosoma con il canale di passaggio per la proteina in sintesi. Per questi
passaggi c’è consumo di GTP, poi la proteina si troverà direttamente nel lume del RER. Il canale è un
complesso di traslocazione: SEC61. RER e citosol, però, devono essere separati, quindi questo canale deve
essere chiuso. A ciò provvede una piccola elica che si sposta quando la proteina entra. Questo traslocatore
può aprirsi lateralmente, inserendo la proteina nella membrana del RER. Gli altri complessi sono: SEC62,
SEC71 e SEC32. Le HSP devono mantenere unfolded le proteine e il passaggio necessita di altre HSP70:
BIP, consumano ATP. Apertura laterale: la sequenza segnale viene bloccata dal traslocatore stesso. Si forma
un’ansa: se la proteina deve entrare c’è una peptidasi che taglia a questo livello e la proteina entra. Ci sono
anche sequenze di arresto di trasferimento che fanno si che la proteina resti nella membrana. Molte proteine
sono glicosilate: O-glicosilazioni, N-glicosilazioni. Le O-glicosilazioni sono aggiunte dal Golgi e
permangono avendo una funzione strutturale; le N-glicosilazioni sono aggiunte nel RER e sono
temporanee: gli zuccheri sono legati alla catena laterale di una asparagina che fa parte di una sequenza
specifica; può anche accadere che uno zucchero preformato su un dolicolo PP venga trasferito sulla
proteina e il dolicolo viene liberato.
l 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-dolicoltransferase) 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).
L’ 80 % delle proteine nel RER non riescono a foldare per cui devono uscire per essere degradate dal
proteasoma. Nel lume del reticolo ci sono sensori per le proteine unfold: vengono attivati dai patch
idrofobici, che aumentano la capacità di folding e stimolano la produzione di chaperon. Uno di questi è
IRE1: se ci sono proteine unfold, dimerizza, si auto fosforila e attiva un dominio ribonucleasico della
proteina che scinde un introne di un mRNA precursore: splicing mediante recettore. Questo nuovo mRNA
sintetizza una proteina regolatrice per la sintesi di chaperon da mandare nel RER.