Organitele sintezei, secretiei si digestiei celulare

ORGANITELE SINTEZEI, SECRETIEI SI DIGESTIEI CELULARE

Organizarea complexa a celulelor eucariote este determinata de prezenta numeroaselor organite celulare membranare si amembranare, care coopereaza intre ele in realizarea anumitor functii. Astfel, ribozomii, reticulul endoplasmatic granular (REG), impreuna cu aparatul Golgi, formeaza un complex functional cu rol de sinteza si secretie celulara .

RIBOZOMII sunt organite celulare amembranare, care in citoplasma celulelor eucariote pot fi liberi sau atasati la membranele REG. Au un aspect elipsoidal, cu dimensiuni aproximative de 20-30nm x 16-17nm si constanta de sedimentare egala cu 80 S (unitati Svedberg) la eucariote si 70 S - la procariote.

Ribozomii sunt alcatuiti din doua subunitati, care difera ca marime si compozitie moleculara. Astfel, in celulele eucariote, subunitatea mare ribozomala este un complex riboproteic cu un coeficient de sedimentare 60 S, alcatuita din trei molecule de ARNr (de 5 S, 28 S si 5,8 S) in complex cu aproximativ 40 de proteine. La procariote, subunitatea mare este de 50 S si contine doua molecule de ARNr (5 S si 23 S) in complex cu aproximativ 30 de proteine. Subunitatea mica la eucariote este de 40 S, fiind alcatuita dintr-o singura molecula de ARNr 18 S in complex cu aproximativ 34 proteine. Subunitatea mica la procariote este de 30 S, fiind alcatuita din ARNr de 16 S si 21-22 proteine (Tabel).

Functia ribozomilor in celula este sinteza proteinelor necesare nevoilor celulare propriii si a celor destinate exportului (proteinele secretate). Cele doua categorii de proteine sunt sintetizate fie la nivelul ribozomilor liberi, fie la nivelul ribozomilor atasati membranelor REG.

Pe ribozomii liberi sunt sintetizate protinele structurale si functionale ale nucleului, mitocondriilor, cloroplastelor (din celula vegetala) si peroxizomilor.

Pe ribozomii atasati membranelor REG sunt sintetizate proteinele din structura plasmalemei si a celorlalte membrane celulare, proteinele de secretie din veziculele secretorii si enzimele lizozomale.

Sinteza unui anumit tip de proteine (a unei anumite secvente de aminoacizi) are loc pe baza codului genetic, inscris pe molecula informationala de ARNm si se desfasoara in mai multe exemplare de-odata, pe complexe ribozomale, numite polizomi (poliribozomi). Polizomii se formeaza prin alinierea mai multor ribozomi pe o molecula de ARNm, care este citita in acelasi timp, la nivelul unor secvente nucleotidice diferite. Mecanismul molecular al sintezei proteice (mecanismul translatiei moleculare a ARN mesager in secventa proteica) a fost discutat mai sus.

Locul de sinteza proteica - pe ribozomii liberi sau pe cei atasati la membranele REG - este determinat de mesajul inscris pe molecula de ARNm, intr-o secventa de nucleotide speciala, numita secventa semnal, sau secventa lider. Astfel, dupa initierea sintezei proteice, prima secventa de aminoacizi, formata pe baza secventei lider, va fi recunoscuta si legata de o particula de recunoastere din citoplasma, care la randul sau va orienta complexul ribozomal de sinteza spre membranele reticulului endoplasmatic, unde va continua procesul de sinteza. Mecanismul molecular prin care peptidele sintetizate pe ribozomii atasati reticulului endoplasmatic sunt transportate in lumenul REG a fost numit translocatie cotranslationala.

Translocarea cotranslationala implica particulele de recunoastere din citoplasma, care recunosc secventa lider de pe peptidul in crestere si se leaga, apoi, de un receptor-canal de pe membrana REG. In urma interactiunii particulei de recunoastere cu receptorul, are loc intrarea capatului peptidic in canal si elongarea lui in lumenul REG. Proteinele care urmeaza a fi incorporate in membranele celulare, sunt initial inserate in membranele REG, fara sa fie eliberate in lumen.

RETICULUL ENDOPLASMATIC GRANULAR (REG)

REG este un organit celular membranar, format din canalicule si cisterne. Membrana REG este in continuitate cu membrana nucleara externa, iar lumenul canaliculelor si cisternelor este in continuitate cu spatiul perinuclear. Structura membranei REG este asemanatoare cu cea a membranelor nucleare sau a plasmalemei, avand un aspect electrono-microscopic trilameler si o grosime de aproximativ 6 nm. Dimensiunile lumenului variaza, fiind de aproximativ 20 - 40 nm.

In microscopia fotonica REG este vizibil datorita prezentei ribozomilor bazofili, alcatuiti din ARN. Este bine evidentiat in celulele cu o sinteza proteica intensa, unde pot forma structuri cu topografie si aspect diferit. Astfel, in celulele glandulare (acini pancreatici si altele), REG ocupa o pozitie bazala, formand structuri concentrice, numite corpusculii Berg. In celulele nervoase, complexele REG, numite corpusculii Nissl, sunt repartizate in toata citoplasma si in jurul nucleului.

In microscopia electronica REG are un aspect de saci aplatizati sau vezicule, care pe suprafata citoplasmatica prezinta granulatii.   

REG este un organit celular care este implicat in plierea si prelucrarea enzimatica a proteinelor nou-sintetizate. Astfel, in lumenul REG, este clivata secventa semnal din capatul polipeptidului, sunt asamblate proteinele din mai multe subunitati, sunt formate legaturile disulfidice intre secventele proteice in scopul plierii proteice, au loc procese de glicozilare si fosforilare a proteinelor.

RETICULUL ENDOPLASMATIC NETED (REN)

REN este un complex membranar aflat in continuitatea membranelor REG. Membrana REN este asemanatoare cu membrana REG, cu deosebirea, ca din loc in loc prezinta fenestrari asemanatoare porilor nucleari. Pe membrana REN nu sunt prezenti ribozomii, de aceea REN nu este vizibil in microscopia fotonica.

In microscopia electronica REN are aspect de labirint de canalicule interconectate si anastamozate, care comunica cu REG .

REN este organitul de sinteza a lipidelor membranare, a hormonilor sterolici, a glicogenului si a pigmentilor. El este implicat, de asemenea, in procesele de transformare a polipeptidelor sintetizate in REG si in procesele de detoxificare celulara.

Sinteza fosfolipidelor membranare are loc pe suprafata citoplasmatica a membranei REN din precursori citoplasmatici solubili in apa. Prima data sunt sintetizate componentele hidrofobe ale fosfolipidelor, care In urma sintezei, raman incastrate in membrana, dupa care, de pe suprafata membranei, sunt adaugate resturile hidrofile. Noile fosfolipide sunt sintetizate numai in jumatatea citosolica a membranei, de unde sunt translocate in jumatatea luminala a membranei cu ajutorul unor proteine membranare, numite flopaze. In REN sunt sintetizate si celelalte lipide membranare - glicolipidele si colesterolul. 

REN este bine reprezentat in celulele care sintetizeaza hormoni sterolici (glande suprarenale, celulele intestinale, testicule, ovare), glicogen (hepatice, miocite) si produc pigmenti (melanocite). In celula musculara striata, REN poarta numele de reticul sarcoplasmatic si are rol de a forma rezerve de Ca²⁺ si ATP, necesare in procesul de cuplare a excitatiei cu contractia.

Functia de detoxificare a reticulului endoplasmatic neted este exercitata cu ajutorul enzimelor membranare de tipul monooxidazelor (din familia citocromilor P450) si glutation-P-transferazelor, care oxideaza si transforma pesticidele, medicamentele si alti constituenti organici in componente solubile, excretate prin urina.

COMPLEXUL GOLGI

Complexul Golgi este un aparat celular de prelucrare, selectie si impachetarea proteinelor destinate exportului celular sau a proteinelor-enzime din lizozomi. Prin functia sa de sinteza a glicolipidelor si a sfingomielinei, complexul Golgi este implicat in formarea si reciclarea membranelor celulare.

Pe preparatele de microscopia fotonica, complexul Golgi este evidentiat prin prelucrarea sectiunilor cu tetraoxid de osmiu, cobalt si nitrat de argint (impregnare argentica), ceea ce duce la colorarea complexului Golgi in negru. Acest organit se gaseste situat in jurul nucleului, sub forma unei retele de filamente neregulate.

In microscopia electronica aparatul Golgi este vazut sub forma unor saci turtiti suprapusi, numiti dictiozomi (5-11/celula), paraleli si curbati, care prezinta:

o fata de formare - cis, proximala, convexa, orientata spre nucleu,

o fata de maturare - trans, distala, concava, orientata spre plasmalema,

microveziculele de 20 - 60 nm (veziculele de formare) aflate in vecinatatea fetei de formare,

macroveziculele de 60 - 200 nm (vezicuele de maturare), care se desprind de pe fata de maturare a complexului.

Functiile complexului Golgi sunt determinate de activitatea enzimatica specifica a membranelor, care alcatuiesc dictiozomii.

Proteinele si lipidele care urmeaza a fi prelucrate de aparatului Golgi, intra in lumenul dictiozomilor la nivelul suprafetei Golgi cis, care primeste veziculele de transport venite de la RE (microvezicule). In cisternele de pe fata cis proteinele de export si lipidele membranare sunt deglicozilate de manozidaze, prin inlaturarea manozelor adaugate in lumenul REG sau REN. Dupa inlaturarea manozelor, tot la nivelul regiunii cis, are loc adaugarea altor resturi glucidice, cu ajutorul glicoziltransferazelor. Dupa transformarea specifica de la nivelul cis, proteinele si lipidele vor trece in regiunea mediana a complexului Golgi, unde vor fi supuse reactilor de adaugare secventiala a N-acetilglucozaminelor, inlaturarii manozelor si adaugarii fucozelor. Dupa transformarile din regiunea mediana, proteinele si lipidele glicozilate vor vi transportate in regiunea trans, unde li se vor adauga resturi de acid sialic.  

Prelucrarea proteinele destinate lizozomilor difera de prelucrarea proteinelor destinate exportului. Astfel, in dictiozomii cis, enzimele lizozomale sunt marcate, prin fosforilarea manozelor si formarea restului glucidic M6P (manozo-6-fosfat). Aceste resturi vor fi recunoscute de receptorii specifici pentru M6P, la nivelul retelei trans a comlexului Golgi.

Transportul proteinelor si lipidelor din regiunea cis, prin regiunea mediana, la reteaua trans are loc prin intermediul veziculelor de tranzitie, care se formeaza prin inmugurirea laterala a dictiozomilor. Astfel, prin inmugurire dictiozomilor din regiunea cis, se vor forma vezicule de transport, care vor fuziona cu dictiozomii din regiunea mediana, eliberand continutul in lumenul acestora. La fel, prin inmugurirea laterala a dictiozomilor din regiunea mediana, se vor forma vezicule de transport, care vor fuziona cu dictiozomii din regiunea trans. In final, dupa prelucrarea enzimatica din regiunea trans, va avea loc sortarea si impachetarea moleculelor in reteaua trans, regiune de formare a veziculelor de maturare.

Pentru exportul proteinelor si lipidelor din complexul Golgi spre destinatiile finale, ele vor fi sortate diferit si impachetate in doua tipuri de vezicule de transport (macrovezicule, sau vezicule de maturare). Daca de la nivelul veziculelor de transport lipsesc semnalele de orientare specifica, moleculele sunt transportate printr-un flux masiv, neselectiv catre membrana plasmatica si apoi catre suprafata celulara. Pe aceasta cal, numita secretie constitutiva sunt incorporate in membrana plasmatica noi proteine si lipide, iar proteinele de secretie sunt eliminate din celula.

Cealalta categorie de vezicule caracterizeaza secretia reglata (controlata) si transportul enzimelor lizozomale. Secretia reglata, sau controlata a proteinelor, este caracteristica celulelor specializate, secretorii, producatoare de enzime digestive, hormoni, neurotransmitatori sau alti produsi de secretie. Produsii de secretie sunt impachetati in vezicule secretorii specializate, care isi depoziteaza continutul pana cand nu apar semnalele specifice de eliberare a acestora.

In cazul formarii lizozomilor, enzimele lizozomale sunt selectate in reteaua trans, dupa prezenta markerului M6P in structura moleculara. M6P sunt recunoscute si legate de receptorii specifici pentru M6P, iar in urma procesului de recunoastere, se formeaza complexele membranare receptori - enzime lizozomale, care sunt impachetate in vezicule de transport destinate lizozomilor.

Formarea veziculelor prin inmugurire este mediata de proteine specifice, care induc deformarea membranei, expansiunea si apoi desprinderea veziculei. Dupa formarea veziculelor, aceste proteine raman pe suprafata citoplasmatica a membranei veziculare,  fiind implicate in directionarea specifica spre destinatiile finale.

Sunt cunoscute mai multe tipuri de proteine de acoperire a veziculelor, cea mai bine studiata fiind clatrina. Clatrina este o proteina, care prin asamblarea a trei molecule formeaza un trischelion. Trischelionul se prinde de suprafata citoplasmatica a retelei trans a complexului Golgi prin intermediul unei proteine de adaptare, numita adaptina. In cazul formarii veziculelor destinate transportului lizozomal, adaptina se prinde de domeniile citoplasmatice ale receptorilor pentru M6P. Asamblarea specifica a clatrinei in trischelion, determina formarea unui cos proteic, care antreneaza dupa el membrana reticulului trans cu tot cu complexele receptor M6P-enzima. Dupa formarea vrziculei, clatrina va constitui componenta specifica, care va determina dirijarea fluxului vezicular catre lizozomi. Dupa fuziune veziculelor cu lizozomii primari, clatrina va fi eliberata din ansamblurile trimere in citosol. Spre deosebire de clatrina, alte proteine, ca de exemplu CoP I sau CoP II (coat protein - proteine de invlis), sunt responsabile de formarea veziculelor golgiene destinate transportului catre RE sau pentru formarea veziculelor din RE si transportate spre complexul Golgi.

LIZOZOMII   

Lizozomii sunt organite celulare delimitate de o membrana simpla, care contin enzime hidrolitice, capabile sa hidrolizeze toate tipurile de biopolimeri (proteine, AND, ARN, polizaharide si lipide). Toate enzimele lizozomale sunt hidrolaze acide, active la un pH acid (aproximativ 5). pH-ul acid din lizozomi este determinat de concentratia crescuta de ioni H⁺, de aproximativ 100 de ori mai mare, mentinuta prin activitatea pompelor de hidrogen (H⁺-ATP-aze) din membrana lizozomala.

Marimea si aspectul electronomicroscopic al lizozomilor este diferit, determinat de natura materialelor preluate pentru digestie.

Lizozomii sunt clasificati: 

Lizozomi primari, organite mici, cu un continut amorf, rezultati din fuziunea unei vezicule desprinse din reticulul Golgi cu un endozom (vezicula endocitata). Formarea lizozomilor primari este un proces comun pentru toate celulele.

Lizozomi secundari, organite de dimensiuni mai mari, cu o matrice heterogena, in care se contin fragmente celulare in digestie.

Dupa natura materialului inglobat, lizozomii secundari se clasifica in:

Heterolizozomi (fagolizozomi), rezulta din fuziunea lizozomilor primari cu un fagozom patruns in celula prin fagocitoza. Fagolizozomii sunt prezenti in celulele specializate, macrofage, care pot digera particule mari - bacterii, celule imbatranite sau resturi tisulare.

Autolizozomi (autifagolizozomii),  rezultati prin fuziunea unui lizozom primar cu structuri celulare proprii uzate. Autofagia este implicata in reinnoirea treptata a organitelor celulare si in procesul de remodelare a tesuturilor in timpul diferentierii.

Crinolizozomi sunt lizozomi secundari rezultati prin fuziunea lizozomilor primari cu vezicule de secretie, continatoare de compusi destinati exportului celular. 

Corpi multiveziculari - lizozomi secundari in care procesul de digestie s-a terminat, iar in interiorul lor se poate observa in numar variat de vezicule.

Corpi reziduali - structuri reziduale nedigerabile, care persista pe tot parcursul vietii celulare).

Functionarea defectuoasa a lizozomilor in celula, determinata de mutatiile genelor care codifica enzimele lizozomale duce la manifestarea bolilor genetice umane, numite tezaurismoze. Cea mai frecventa boala lizozomala este cunoscuta sub denumirea de Maladia Gaucher. Boala este determinata de lipsa enzimei glucocerebrozidaza, care catalizeaza hidroliza glucocerebrozidelor in glucaza si ceramida. Maladia se manifesta in mai multe forme, iar fiecare forma este determinata de natura mutatiei (sau identificat mai mult de 30 de mutatii). In cele mai multe forme ale bolii, sunt afectate doar macrofagele. Primele semne ale bolii se observa la nivelul ficatului si a splinei si se manifesta prin acumulari masive de glicolipide. Boala se poate trata prin administrarea enzimei specifice sau prin metode de terapie genica, care constau in inlocuirea genei defecte la nivelul celulelor generatoare de macrofage (celule stem) din maduva hematopoietica.

O alta boala lizozomala este Boala I (boala incluziunilor celulare), care este determinata de mutatiile genei responsabile de sinteza enzimei de fosforlare a manozei din structura protein-enzimelor lizozomale. Ca urmare a acestei defectiuni, nu se formeaza markerii M6P, enzimele lizozomale nu pot fi separate de proteinele de export, de aceea sunt eliberate in sange. Boala se manifesta prin acumularea incluziunilor celulare, care nu pot fi digerate de celule.