Esocitosi ed endocitosi: il trasporto di grandi molecole attraverso la membrana plasmatica

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Introduzione

La cellula non è un’entità a sé stante: alla base della vita di un organismo c’è la necessaria dinamicità di una cellula e la sua comunicazione con le altre e con l’ambiente esterno. Per questo motivo, la cellula scambia continuamente materiale con l’esterno. A mediare le relazioni della cellula con il mondo esterno è la membrana plasmatica (Fig. 1), che delimita i “confini” dell’ambiente cellulare. Le molecole apolari (come gli ormoni steroidei) e le piccole molecole polari (come acqua e urea) sono in grado di diffondere attraverso la membrana plasmatica, ma le molecole polari più grandi come proteine, lipidi, o anche gocce di matrice extracellulare, vengono trasportate attraverso i meccanismi di endocitosi ed esocitosi.

Anche all’interno del citoplasma avvengono continuamente meccanismi di scambio di materiale tra organelli, come di proteine in fase di maturazione, attraverso la formazione di vescicole e il traffico vescicolare. Il meccanismo alla base della formazione di vescicole è l’introflessione (o estroflessione) di una membrana fino ad inglobare materiale che può essere così trasportato. La vescicola può poi fondersi con un’altra membrana e rilasciare il proprio contenuto.

membrana citoplasmatica esocitosi endocitosi
Figura 1 – Rappresentazione grafica della membrana citoplasmatica

Esocitosi

Con il termine “esocitosi” si intende quel meccanismo che permette la secrezione, e cioè la fuoriuscita di materiale dalla cellula. L’esocitosi permette alla cellula di interagire con altre cellule nei tessuti e di produrre enzimi che sono diretti ad altri distretti, ormoni, fattori proteici, anticorpi e tutto ciò che serve alla cellula per sopravvivere. La membrana plasmatica è infatti una struttura fluida e dinamica, che permette un continuo e selettivo scambio tra l’esterno e l’interno.
Una vescicola delimitata da membrana, contenente macromolecole che devono essere espulse dalla cellula, si fonde con la membrana plasmatica e il contenuto viene rilasciato all’esterno. In alcuni casi, la vescicola si origina direttamente dalla membrana per gemmazione e veicola il suo contenuto altrove. E’ il caso delle ghiandole apocrine e dell’apparato di Golgi, da cui si formano vescicole contenenti proteine che devono essere smistate ad altri distretti.

L’esocitosi può essere:

  • costitutiva: la vescicola, che si origina dall’apparato di Golgi, si fonde direttamente con con la membrana citoplasmatica per l’espulsione del materiale in essa contenuto. Ne è un esempio la secrezione delle proteine della matrice extracellulare di molti tessuti;
  • regolata: una volta formatesi le vescicole, queste si accumulano nella cellula e vengono rilasciate soltanto in seguito a stimoli. Durante la secrezione regolata le vescicole subiscono un processo maturativo. E’ il caso delle vescicole sinaptiche contenenti neurotrasmettitori, che rilasciano il loro contenuto all’esterno del neurone soltanto in seguito ad un impulso nervoso.

Endocitosi

Allo stesso modo, la cellula include particelle e macromolecole attraverso la formazione di vescicole dalla membrana plasmatica. Alcune cellule hanno un’intensa attività endocitotica, come i macrofagi, cellule del sistema immunitario adibite ad inglobare antigeni derivanti da agenti estranei o patogeni.

Si possono definire tre meccanismi di endocitosi: fagocitosi, pinocitosi e endocitosi mediata da recettori. Vediamole nel dettaglio.

Fagocitosi

In questo processo molte cellule eucariotiche e alcuni protozoi inglobano nel loro citoplasma frammenti cellulari, particelle estranee o batteri. Questi vengono racchiusi in un fagosoma, al cui interno si trovano numerosi enzimi litici e di digestione. I macrofagi (Fig. 2) sono i fagociti per eccellenza, provvedendo alla distruzione di patogeni. Sono anche in grado di fagocitare particelle inorganiche.

Per fagocitare del materiale, spesso è necessario un riconoscimento da parte di specifici recettori presenti sulla membrana plasmatica. Il riconoscimento può essere diretto, se avviene grazie a specifici oligosaccaridi presenti sulla superficie dei batteri, o indiretto, come nel caso dei macrofagi che riconoscono gli anticorpi legati ad antigeni di superficie di una cellula estranea o danneggiata.

Macrofagi
Figura 2 – Immagine di macrofagi al TEM (Fonte: Biopills)

Pinocitosi

La cellula non ingloba soltanto macromolecole organiche. In alcuni casi questa introduce delle gocce di liquido contenenti eventuali soluti, in modo aspecifico. Questo processo è chiamato pinocitosi. Sempre tramite l’invaginazione di un tratto della membrana plasmatica si formano le vescicole contenenti il fluido, che viene poi rilasciato nel citoplasma o veicolato in altri distretti. Con questo meccanismo, all’interno della cellula possono penetrare macromolecole in soluzione (soprattutto proteine).
Se le vescicole presentano un diametro fino a 65 nm si parla di micropinocitosi, se invece sono fino a 200 nm si definisce macropinocitosi, e queste sono visibili al microscopio ottico.

Endocitosi mediata da recettori

Alcune molecole possono entrare nella cellula in un processo più specifico. Sulla membrana sono presenti diversi recettori che riconoscono e legano determinate molecole in processi che richiedono il dispendio di energia. Nella maggior parte dei casi l’endocitosi mediata da recettori è funzionale alla formazione di un endosoma, contenente del materiale che spesso deve essere digerito attraverso i lisosomi, organelli deputati alla degradazione di macromolecole attraverso enzimi litici.
In alcuni casi, la proteina che lega i recettori può scatenare una vera e propria cascata di meccanismi biochimici che portano alla cosiddetta “trasduzione del segnale”, come nel caso di molti ormoni. Questi infatti agiscono da segnale per innescare una via intracellulare che porterà ad una risposta cellulare ad uno stimolo esterno, e poi vengono inglobati tramite una vescicola endocitotica e trasportati ai lisosomi per la digestione.

endocitosi
Figura 3 – Rappresentazione grafica dei processi di endocitosi (Fonte: Wikimedia commons)

Fonti:

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