Immagina una malattia genetica che fa perdere a un individuo la capacità di digerire il cibo, produrre lacrime, trasmettere segnali nervosi ed eliminare l’infezione batterica. Ognuno di questi diversi sintomi può essere causato dalla perdita di una singola funzione cellulare: trasporto intracellulare delle vescicole. Nel trasporto vescicolare, le sacche chiuse a membrana lipidica, o vescicole, trasportano fluidi contenenti molecole sia piccole che grandi tra lo spazio extracellulare e gli organelli cellulari interni.
Come le pompe proteiche, il trasporto vescicolare è un processo di trasporto attivo che utilizza molecole di energia cellulare come l’ATP per alimentare il trasporto di molecole da una posizione all’altra negli organismi viventi. A differenza delle pompe proteiche di membrana che trasportano piccole molecole individualmente, le vescicole trasportano volumi significativi di fluido cellulare e materiali come gruppo. Gli organismi viventi utilizzano le vescicole per una varietà di funzioni, tra cui il rilascio di molecole speciali come gli enzimi digestivi, l’interiorizzazione di oggetti di grandi dimensioni come particelle LDL contenenti colesterolo e la lotta contro l’infezione da batteri inghiottenti. Tre vie di trasporto vescicolare sono esocitosi, endocitosi e trasporto intracellulare.
In esocitosi, una cellula fornisce molecole specifiche, fluidi e materiali di grandi dimensioni al fluido esterno della cellula. Il termine esocitosi deriva dal movimento esterno (“exo -“) della cellula (“-cito -“) da un processo (“-osis”). L’esocitosi inizia quando le vescicole specializzate all’interno di una cellula si muovono verso la membrana plasmatica. Le vescicole esocitiche si fondono con i lipidi nella membrana plasmatica, creando un’apertura allo spazio extracellulare. Il contenuto interno delle vescicole esocitiche viene rilasciato nel fluido extracellulare mentre il contenuto delle membrane vescicolari diventa parte della membrana cellulare esterna.
L’esocitosi fornisce molecole speciali per indirizzare le posizioni al di fuori della cellula. Nell’uomo, le cellule specializzate secernono enzimi digestivi per la consegna allo stomaco e all’intestino tenue e le cellule delle ghiandole endocrine secernono ormoni nel sangue per la consegna agli organi bersaglio. Poiché le membrane della vescicola esocitica si fondono nella membrana plasmatica, nuove molecole lipidiche e proteine della membrana plasmatica vengono consegnate tramite esocitosi per ingrandire la cellula o migliorare la funzione. In risposta ai segnali di insulina, nuovi trasportatori di glucosio vengono sintetizzati e aggiunti alle membrane plasmatiche mediante esocitosi di vescicole contenenti le nuove proteine carrier.
Nell’endocitosi, le cellule interiorizzano una piccola sezione della membrana plasmatica per inghiottire molecole e particelle di grandi dimensioni, compresi i microrganismi, consegnando il contenuto agli organelli cellulari. Il termine endocitosi significa prendere all’interno (“end”) la cellula da un processo. Esistono due forme principali di endocitosi: fagocitosi e pinocitosi. Una forma specializzata di pinocitosi, endocitosi mediata dal recettore, è vitale per il corretto funzionamento di tutte le cellule.
Durante la fagocitosi (“phago” = mangiare), la membrana plasmatica si estende verso l’esterno e avvolge un oggetto di grandi dimensioni come una cellula batterica vivente. Gli strati estensibili avvolgono l’oggetto e si fondono per formare una grande vescicola. La vescicola appena formata si trova all’interno della membrana plasmatica originale e può viaggiare all’interno della cellula fino alla sua destinazione target. Le vescicole fagocitiche generalmente si fondono in lisosomi per la degradazione del contenuto. La fagocitosi è un processo specializzato eseguito da alcuni microrganismi o da un piccolo sottoinsieme di cellule in organismi complessi. Nell’uomo, solo i globuli bianchi eseguono la fagocitosi, rimuovendo i batteri e altri minuscoli organismi infettivi dal corpo.
A differenza della fagocitosi, la pinocitosi (“pino” = bere) si verifica in tutte le cellule. Piuttosto che inghiottire oggetti di grandi dimensioni, le vescicole pinocitiche interiorizzano piccoli volumi di fluido extracellulare e molecole associate. La pinocitosi serve due importanti funzioni cellulari. In primo luogo, ioni e molecole importanti come ferro, rame e particelle contenenti colesterolo vengono consegnati ai siti cellulari interni attraverso la pinocitosi. In secondo luogo, la pinocitosi rimuove i componenti della membrana plasmatica che non sono più necessari o desiderati. Quando i segnali cellulari iniziano la rimozione di specifiche proteine di membrana o lipidi, le vescicole pinocitiche si formano attorno alla sezione della membrana, internalizzando i materiali per lo stoccaggio o la degradazione. Per evitare l’accumulo di membrana in eccesso in cellule con alti tassi di secrezione, le vescicole pinocitiche possono interiorizzare i segmenti di membrana ad un alto tasso per bilanciare l’uscita e l’ingresso sia della membrana lipidica che dei fluidi.
L’endocitosi mediata dal recettore è una forma altamente regolata di pinocitosi. Le proteine del recettore incorporate nella membrana plasmatica si legano a specifiche molecole extracellulari e segnalano l’internalizzazione. Le proteine citoplasmatiche assistono frequentemente alla formazione di vescicole endocitiche durante l’endocitosi mediata dal recettore, formando uno strato di proteine attorno alla vescicola. Le particelle LDL contenenti colesterolo entrano nelle cellule attraverso l’ingresso recettore e regolato. Inoltre, alcuni virus invasori si sono evoluti per sfruttare le vie endocitiche mediate dal recettore, entrando nelle cellule legandosi alle proteine della membrana del recettore. Una volta dentro, i virus utilizzano enzimi e strutture cellulari per riprodursi e diffondersi, a volte uccidendo la cellula ospite nel processo.
Le vescicole endocitiche ed esocitiche viaggiano all’interno delle cellule tra gli organelli bersaglio e la membrana plasmatica. Altre vescicole intracellulari viaggiano in tutto il sistema endomembrana. Le vescicole interne viaggiano usando un sistema di trasporto intracellulare. Le vescicole si attaccano alle proteine che si muovono lungo una rete citoscheletrica attraverso la cellula. Le proteine citoscheletriche che comprendono un “sistema ferroviario” di rete consentono un trasporto rapido e diretto attraverso le cellule.
Il movimento rapido e mirato delle vescicole è richiesto per la normale funzione cellulare. Le cellule nervose estese, come quelle tra una mano umana e la colonna vertebrale o il cervello, devono trasportare rapidamente le vescicole su lunghe distanze. Molte cellule del corpo umano immagazzinano speciali vescicole secretorie, che viaggiano rapidamente verso la superficie cellulare per consegnare il loro contenuto nello spazio extracellulare in risposta a segnali specifici. Ad esempio, vescicole speciali contenenti un enzima chiamato catalasi vengono trasportate sulla superficie cellulare per combattere l’infezione in risposta a lesioni come un taglio. Quando il perossido di idrogeno viene versato su una ferita, gli enzimi catalasi secreti producono gas ossigeno, formando bolle di gas.
Endocitosi ed esocitosi
Questa animazione dimostra endocitosi ed esocitosi.