Comunicazione intracellulare

Una cellula con le sue diverse molecole di DNA, RNA e proteine è molto diversa da una provetta contenente gli stessi componenti. Quando una cellula viene disciolta in una provetta, migliaia di diversi tipi di molecole si mescolano casualmente. Nella cellula vivente, tuttavia, questi componenti sono conservati in luoghi specifici, riflettendo l’alto grado di organizzazione essenziale per la crescita e la divisione della cellula. Mantenere questa organizzazione interna richiede un apporto continuo di energia, perché le reazioni chimiche spontanee creano sempre disorganizzazione. Pertanto, gran parte dell’energia rilasciata dall’idrolisi dell’ATP alimenta i processi che organizzano le macromolecole all’interno della cellula.

Quando una cellula eucariotica viene esaminata ad alto ingrandimento in un microscopio elettronico, diventa evidente che specifici organelli legati alla membrana dividono l’interno in una varietà di sottocomparti. Anche se non rilevabile nel microscopio elettronico, è chiaro da saggi biochimici che ogni organello contiene un diverso insieme di macromolecole. Questa segregazione biochimica riflette la specializzazione funzionale di ciascun compartimento. Pertanto, i mitocondri, che producono la maggior parte dell’ATP della cellula, contengono tutti gli enzimi necessari per eseguire il ciclo dell’acido tricarbossilico e la fosforilazione ossidativa. Allo stesso modo, gli enzimi degradativi necessari per la digestione intracellulare di macromolecole indesiderate sono confinati ai lisosomi.

È chiaro da questa segregazione funzionale che le molte diverse proteine specificate dai geni nel nucleo cellulare devono essere trasportate nel compartimento dove verranno utilizzate. Non sorprendentemente, la cellula contiene un vasto sistema legato alla membrana dedicato a mantenere solo questo ordine intracellulare. Il sistema funge da ufficio postale, garantendo il corretto instradamento delle macromolecole appena sintetizzate verso le loro destinazioni corrette.

Tutte le proteine sono sintetizzate su ribosomi situati nel citosol. Non appena la prima porzione della sequenza aminoacidica di una proteina emerge dal ribosoma, viene ispezionata per la presenza di una breve sequenza di segnale “reticolo endoplasmatico (ER).”Quei ribosomi che producono proteine con tale sequenza vengono trasportati sulla superficie della membrana ER, dove completano la loro sintesi; le proteine prodotte su questi ribosomi vengono immediatamente trasferite attraverso la membrana ER all’interno del compartimento ER. Le proteine prive della sequenza del segnale ER rimangono nel citosol e vengono rilasciate dai ribosomi quando la loro sintesi è completata. Questo processo decisionale chimico pone alcune catene proteiche appena completate nel citosol e altre all’interno di un ampio compartimento delimitato dalla membrana nel citoplasma, rappresentando il primo passo nello smistamento intracellulare delle proteine.

Le proteine appena prodotte in entrambi i compartimenti cellulari vengono quindi ordinate ulteriormente in base a sequenze di segnali aggiuntive che contengono. Alcune delle proteine nel citosol rimangono lì, mentre altre vanno alla superficie dei mitocondri o (nelle cellule vegetali) cloroplasti, dove vengono trasferite attraverso le membrane negli organelli. I sottosignali su ciascuna di queste proteine designano quindi esattamente dove nell’organello appartiene la proteina. Le proteine inizialmente ordinate nel pronto soccorso hanno una gamma ancora più ampia di destinazioni. Alcuni di loro rimangono nel pronto soccorso, dove funzionano come parte dell’organello. La maggior parte entra nelle vescicole di trasporto e passa all’apparato di Golgi, organelli separati a membrana che contengono almeno tre sottocomparti. Alcune delle proteine sono trattenute nei sottocomparti del Golgi, dove vengono utilizzate per funzioni peculiari di quell’organello. La maggior parte alla fine entrano vescicole che lasciano il Golgi per altre destinazioni cellulari come la membrana cellulare, lisosomi, o vescicole secretorie speciali. (Per ulteriori discussioni, vedi sotto Membrane interne.)