2014.8.segnalazione cellulare

Segnalazione cellulare LA SEGNALAZIONE CELLULARE TuAe le cellule hanno bisogno di comunicare col loro ambiente (ricevere informazione dei dintorni) e con altre cellule. In organismi pluricellulari la complessità di questa comunicazione è ancora più elevata. Rece$ore nella cellula bersaglio Molecola segnale procedente della cellula segnalatrice Come il telefono, la cellula pure ha meccanismi per la trasduzione del segnale. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare SEGNALI A LARGO RAGGIO SEGNALI PIU GENERALI ENDOCRINA PARACRINA (E AUTOCRINA) ORMONE MEDIATORE LOCALE SEGN. NERVOSA SEGNALI PIU RISTRETTE SEGNALI A BREVE RAGGIO NEUROTRASMETTITORE SEGN. PER CONTATTO MOLECOLA SEGNALE LEGATA A MEMBRANA Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare SEGNALE RECETTORE PROTEICO MOL. SEGNALATRICI INTRACELLULARI PROTEINE EFFETTRICI -­‐  Una cellula risponde solo a un gruppo di segnali, a seconda dei receAori che possiede. -­‐  La risposta a un segnale determinato, mediata dal receAore specifico, può essere diversa in Tpi cellulari diversi, e in diverse cellule dello stesso Tpo. -­‐  La risposta dipende dello stato della cellula: del percorso che la cellula ha faAo per arrivare al momento aAuale, e dalla situazione aAuale. Dipende dello stato delle molecole segnalatrici intracellulari e delle proteine effeArici. Se lo stato cellulare cambia, cambia pure la risposta. -­‐  L’ effeAo di un segnale può essere modificato d’altri segnali che arrivano contemporaneamente. -­‐  Una cellula che non riceve nessun segnale generalmente si suicida (apoptosi). Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Un esempio: diversi effeY della aceTlcolina Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare La risposta della cellula può essere lenta o veloce, o tuAe e due in contemporanea. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare MECCANISMI DE SEGNALAZIONE -­‐  Rece$ori nucleari Alcune segnali possono traversare la membrana plasmaTca e legare receAori nel citosole (che poi passano al nucleo) o direAamente nel nucleo, dove esercitano il loro effeAo, modificando la espressione genica. Agiscono così: -­‐  Ormoni steroidei: corTsolo, stradiolo, testosterone. -­‐  Ormoni Troidei: Trosina. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare -­‐ Segnalazione gassosa: il ossido nitrico (NO) Mediatore locale a breve raggio (si combina col ossigeno e l’acqua e forma nitriT e nitraT). Traversa la membrana plasmaTca, lega la guanilato ciclasi e favorisce la formazione di GMP ciclico a parTre del nucleoTde GTP. Il GMP ciclico è una molecola di segnalazione intracellulare che media l’effeAo del NO nelle cellule bersaglio. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Guanilato ciclasi Ossido nitrico Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare -­‐ Segnalazione da molecole extracellulari su rece$ori di membrana Per la maggior parte, le molecole di segnalazione sono molto idrofile e non possono passare la membrana plasmaTca: proteine, pepTdi, nucleoTdi, amminoacidi… Portano il segnale fino a un rece$ore di membrana, che fa scaAare la segnalazione intracellulare. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare TRASDUZIONE PRIMARIA TRASMISSIONE TRASDUZIONE E AMPLIFICAZIONE Piccole molecole messaggeri intracellulari INTEGRAZIONE DIFFUSIONE Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Interru$ori molecolari TrasmeAono il segnale mediante cicli di aYvazione e disaYvazione, tuY e due importanT per la segnalazione. -­‐  InterruAori a fosforilazione: modificaT da proteine chinasi (usano energia: ATP per fosforilare) e proteine fosfatasi. Alcune molecole di segnalazione hanno aYvità di autofosforilazione. In molT casi fanno parte di cascate di fosforilazione. Si fosforilano in residui di serina o treonina (da serina/treonina proteina chinasi) o in residui di Trosina (da Erosina proteina chinasi). Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare -­‐  InterruAori che legano GTP: cambiano stato a seconda se legaT a GTP (aYvi) o GDP (inaYvi). Si autodisaYvano idrolizando il GTP: hanno aYvità GTPasi intrinseca. In questa classe si trovano le proteine trimeriche che legano GTP: proteine G. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Tipi di rece$ori di membrana Ci sono tre Tpi di receAori di membrana. La stessa molecola di segnalazione può legare receAori di Tpo diverso in cellule differenT, e produrre effeY variaT. QuesT receAori sono pure il bersaglio di farmaci e sostanze sTmolanT o velenose, che possono aYvare, rinforzare o bloccare il receAore, a seconda del legame al receAore. -­‐  Rece$ori accoppiaE a canali ionici (o canali ionici controllaE dal trasmeFtore) Il segnale provoca l’apertura del canale, flusso d’ioni e così un segnale eleArico: trasducono un segnale chimico in uno eleArico. Agiscono così i neurotrasmeFtori nelle sinapsi. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare -­‐  Rece$ori accoppiaE a proteine G (GPCR) La più grande famiglia di receAori di membrana (>700 nel uomo), legano segnali di diversi Tpi (ormoni, mediatori locali, neurotrasmeYtori…), sono il bersaglio di più della metà dei farmaci conosciuT. StruAura conservata: una proteina che traversa seAe volte la membrana, con un dominio extracellulare e uno intracellulare, che interagisce con la proteina G. Sia l’aYvazione che l’inaYvazione della proteina G sono importanT per la segnalazione, e le alterazioni de l’una o l’altra possono avere delle grave conseguenze. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Ci sono diversi Tpi di proteine G, che possono interagire con: -­‐  Canali ionici, producendo un effeAo immediato nel flusso d’ioni e così un segnale eleArico. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare -­‐ Enzimi: -­‐  Adenilato ciclasi: produce AMP ciclico partendo da ATP. -­‐  Fosfolipasi C: taglia il fosfoinosiEde di membrana e produce inositolo trifosfato e diacilglicerolo. AMP ciclico, inositolo trifosfato e diacilglicerolo sono piccole molecole segnalatrici intracellulari deAe pure secondi messaggeri, in grado di diffondere il segnale del receAore. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Via dell’adenilato ciclasi nel muscolo scheletrico Adenilato ciclasi Proteina chinasi dipendente del AMP ciclico, o PKA (Ser/Thr kinasi) AMP ciclico fosfodiesterasi cafeina Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Via della fosfolipasi C (o del fosfoinosiTde) fosfoinosiTde fosfolipasi C inositolo 1,4,5-­‐ -­‐trifosfato (IP3) diacilglicerolo (DAG) proteina chinasi C (PKC, Ser/Thr) Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Un piccolo messaggero intracellulare molto importante: il Ca2+ La concentrazione di calcio nel citosole è bassissima (10-­‐7 M, tenuta così da pompe di membrana), in contrasto con quella extracellulare e al interno del reTcolo endoplasmaTco (magazzino di calcio intracellulare): forte gradiente eleArochimico. Così un aumento del calcio intracellulare è un forte segnale che innesca tante risposte, in diversi Tpi cellulari: -­‐  L’inizio dello sviluppo dopo la fecondazione: -­‐  La contrazione muscolare dopo lo sTmolo nervoso. -­‐  Il rilascio di vescicole dalle cellule secretorie in generale e nervose in parTcolare. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare TanT segnali sensoriali vengono trasdoAe da receAori accoppiaT a proteina G: vista, gusto, olfaAo, sembra che abbiano un origine comune: il bisogno di senTre l’ambiente. Nei fotoreceAori bastoncini (luce senza colore), la molecola sTmolata dai fotoni è la rodopsina, che agisce da receAore e si accoppia a proteina G. Quando aYvata, questa chiude canali di sodio, scaAando la liberazione di un neurotrasmeYtore: segnale al cervello. In questo esempio si possono illustrare tre proprietà importanT della trasduzione del segnale: -­‐  La cascata di trasduzione è velocissima: risposta veloce allo sTmolo (reazione a un lampo di luce). -­‐  L’amplificazione del segnale fa che la percezione del segnale sia molto sensibile (visione nel buio). -­‐  La trasduzione del segnale si può ada$are alla intensità del segnale, grazie a meccanismi molecolari che modificano l’amplificazione del segnale durante la trasduzione (i bastoncini possono percepire dal singolo raggio di Luna alla piena luce del Sole). Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare -­‐  Rece$ori accoppiaE a enzimi Sono molecole transmembrana, con un dominio extracellulare in grado di legare un segnale, e un dominio citoplasmaTco che ha una funzione enzimaTca o interagisce con un enzima. A questo Tpo appartengono i receAori dei fa$ori di sopravvivenza, crescita, proliferazione e differenziamento, fra altri. In genere il segnale innesca una lunga cascata intracellulare con effeY lenT a livello genico. Sono receAori importanT per il cancro. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Rece$ori Erosina chinasi (RTK, Tyr) Sono la classe più frequente di receAori accoppiaT a enzimi. Il suo dominio citoplasmaTco è una chinasi che agisce su residui di Trosina. Di solito hanno un solo dominio transmembrana: la aYvazione non avviene per cambiamento conformazionale (come nei receAori accoppiaT a proteina G), ma per dimerizzazione: il legame del segnale fa unire due receAori in membrana, che si fosforilano l’uno all’altro e così si aYvano. Ora sui receAori fosforilaT si forma un complesso di segnalazione, con proteine ada$atori e proteine di segnalazione che vengono pure fosforilate per l’aYvazione. Il segnale si spegne tramite proteine Erosina fosfatasi o per endocitosi. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Quasi tuY i RTK aYvano, fra altre, una proteina di segnalazione intracellulare legata a membrana chiamata Ras. Ras apparTene a le GTPasi monomeriche, piccole proteine con aYvità GTPasi. L’interazione col RTK aYvo fa legare GTP a Ras, aYvandola. Poi si disaYva idrolizzando il GTP a GDP (interruAore molecolare). Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Ras a sua volta aYva il modulo di segnalazione della MAP chinasi (mitogen ac+vated protein kinase), che trasmeAe la segnalazione alle proteine effeArici. Ras è un oncogène. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Piante e animali si sono evoluT indipendentemente da un ascendente comune eucariote unicellulare: i geni eucarioT di partenza sono comuni, ma il percorso si è separato più di un miliardo di anni fa. Riguardo alle strategie di comunicazione fra le cellule nei organismi pluricellulari, piante e animali hanno qualcosa in comune, ma pure differenze: le piante hanno receAori transmembrana, pero sopratuAo quelli accoppiaT a enzimi, del Tpo Ser/Thr chinasi, e pochi receAori accoppiaT a proteina G. La segnalazione intracellulare è molto complessa, le vie di segnalazione sono tante e interagiscono fra di loro, modulandosi a vicenda. Un meccanismo importante di cross-­‐talk è l’aYvità di proteine chinasi su proteine d’altre vie di segnalazione, non solo su quelle della propria via. La complessità della segnalazione intracellulare è immensa e siamo ancora lontani dal conoscere tuY i giocatori e ancora di più tuAe le interazione fra di loro, che determinano il funzionamento della cellula in un ambiente complesso. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Segnalazione cellulare Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos