Le cellule eucariotiche coordinano simultaneamente migliaia di reazioni biochimiche, spesso tra loro antagoniste: vie anaboliche e cataboliche che agiscono sullo stesso metabolita, enzimi che polimerizzano e altri che depolimerizzano, processi di sintesi e di degradazione che condividono substrati o intermedi. Se il contenuto cellulare viene mescolato in modo indiscriminato, ad esempio dopo la disgregazione meccanica di un tessuto epatico, si instaura un ambiente chimico privo di compartimenti in cui proteasi, nucleasi e altre idrolasi agiscono senza controllo, con rapida perdita di integrità delle proteine e degli acidi nucleici. L’efficienza e l’affidabilità delle funzioni cellulari dipendono dunque da una rigorosa separazione spaziale dei processi metabolici e di regolazione.

La cellula ha sviluppato più strategie per ottenere tale separazione. Una prima soluzione, condivisa da procarioti ed eucarioti, consiste nell’assemblare enzimi consecutivi della stessa via in complessi multiproteici o in condensati biomolecolari privi di membrana, che concentrano substrati e cofattori e riducono reazioni collaterali. Strutture come il nucleolo o i corpi citoplasmatici deputati al turnover degli RNA rappresentano esempi di questi sottocompartimenti funzionali, cruciali in processi quali la trascrizione, l’elaborazione dell’RNA e l’assemblaggio dei ribosomi.

La seconda strategia, particolarmente estesa negli eucarioti, è la compartimentazione mediata da membrane. Le membrane biologiche fungono da barriere a permeabilità selettiva e definiscono microambienti con composizioni ioniche, pH e set enzimatici distinti. L’organizzazione in organuli delimitati da membrana — nucleo, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, endosomi, lisosomi, mitocondri, perossisomi e, nei vegetali, cloroplasti e vacuoli — permette di controllare i flussi di molecole e di coordinare reazioni che richiedono condizioni incompatibili tra loro. È inoltre rilevante il principio dell’equivalenza topologica: il lume del reticolo endoplasmatico, dell’apparato di Golgi, degli endosomi, dei lisosomi e delle vescicole secretorie è topologicamente continuo con l’ambiente extracellulare, a differenza del citosol, con importanti conseguenze per l’orientamento delle proteine di membrana e per il loro trasporto.

Poiché la grande maggioranza delle proteine viene sintetizzata nel citosol da ribosomi liberi o associati alla membrana del reticolo endoplasmatico, è necessario un sistema di smistamento capace di indirizzarle selettivamente verso il compartimento funzionale corretto. Tale direzionamento si fonda su segnali di targeting codificati nella sequenza amminoacidica o nella struttura delle proteine (ad esempio peptidi segnale per il reticolo endoplasmatico, sequenze di localizzazione nucleare, segnali per mitocondri, perossisomi o cloroplasti). In termini generali, si distinguono tre modalità principali di trasferimento:

• passaggio bidirezionale nucleo–citoplasma attraverso complessi dei pori nucleari, che consentono il transito selettivo di macromolecole mantenendo l’integrità del doppio involucro nucleare;
• traslocazione attraverso membrane mediante complessi proteici specializzati (trasloconi) localizzati su reticolo endoplasmatico, mitocondri, cloroplasti e perossisomi, spesso accoppiata a chaperoni e a meccanismi di importazione co- o post-traduzionale;
• trasporto vescicolare tra compartimenti topologicamente equivalenti del sistema endomembranoso, in cui vescicole rivestite si gemmano da un organulo e si fondono con un altro, conservando l’orientamento delle proteine e distribuendo in modo mirato contenuti solubili e di membrana.

Il trasporto vescicolare stabilisce una rete di comunicazione dinamica tra reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, endosomi, lisosomi e membrana plasmatica, supportato da proteine rivestimento (come COPI, COPII e clatrina), fattori Rab e coppie SNARE che assicurano specificità di attracco e fusione. Attraverso tale rete, la cellula esporta proteine e lipidi verso l’esterno (esocitosi) e internalizza materiale extracellulare e componenti di membrana (endocitosi), rinnovando costantemente il proprio assetto membranoso e mantenendo l’omeostasi proteica. La composizione proteica di ciascun organulo deriva dall’equilibrio tra importazione selettiva, ritenzione, riciclo e degradazione, sostenuto da meccanismi di controllo qualità che impediscono l’accumulo di proteine mal ripiegate o mal localizzate.