Membrana Plasmatica:

18/11/2012
COMUNICAZIONE CELLULARE (1)
Membrana Plasmatica: Comunicazione Cellulare
(Seminario)
Biotec_2012
COMUNICAZIONE CELLULARE (2)
Il corpo umano è composto da circa 75 trilioni di cellule.
Come fanno queste cellule a comunicare fra di loro?
Due tipi di segnali fisiologici:
Elettrici = alterazioni del potenziale di membrana delle cellule
Chimici = molecole secrete nel fluido extracellulare (maggior parte dei casi)
Cellule bersaglio : le cellule che ricevono e rispondono ai segnali
Giunzioni comunicanti: “gap junctions” (1)
Tre metodi di comunicazioni cellulari:
Trasferimento diretto di segnali elettrici o chimici dal citoplasma di una cellula a quello di un’altra attraverso giunzioni comunicanti (“gap junctions”)
Comunicazione mediante diffusione passiva di sostanze chimiche (a corto raggio)
Comunicazione a lunga distanza mediante segnali elettrici (cellule nervose) o segnali chimici (attraverso il sangue) Recettori per le molecole di segnalamento
Trasduzione di segnale
Hanno due funzioni:
Si legano ai ligandi (molecole di segnalamento)
Trasducono il messaggio della molecola di segnalamento in un a risposta cellulare
La trasduzione di un segnale
assicura che un messaggio
possa essere convertito da una
linguaggio in un linguaggio
diverso durante il suo viaggio e ciò nonostante mantenga il suo
contenuto originario. http://www.scq.ubc.ca/conversing‐at‐the‐cellular‐level‐an‐introduction‐to‐signal‐transduction/
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18/11/2012
Come comunicano le cellule?
Una cellula – la cellula segnalatrice –
produce una particolare molecola chimica che viene individuata da un’altra cellula – la cellula recettrice –
mediante una proteina recettrice che riconosce la molecola e risponde ad essa specificamente.
La proteina che funge da recettore rappresenta il primo passo del processo mediante il quale il segnale chimico presente fuori dalla cellula verrà convertito (“trasdotto”) in diversi tipi di segnale all’interno della cellula.
In seguito questi segnali indirizzeranno il comportamento della cellula.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK215
17/figure/A5719/?report=objectonly
Una proteina recettrice si legga ad un specifico segnale chimico e subisce una modificazione conformazionale. Tale cambiamento scatena ulteriori reazioni all’interno della cellula, trasmettendo il segnale dall’esterno all’interno della cellula.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21517/figure/A
5722/?report=objectonly
Kreuzer
Giunzioni comunicanti: “gap junctions” (2)
Le giunzioni comunicanti costituiscono un passaggio aperto attraverso il quale gli ioni e le piccole molecole possono direttamente passare da una cellula all'altra.
All’altezza di queste giunzioni le membrane plasmatiche delle due cellule adiacenti sono separate da uno spazio molto regolare di 2‐3 nm. (“gap”: indica questa separazione regolare). Gli ioni e le piccole molecole come gli aminoacidi e ATP possono passare direttamente da una cellula all’altra. Le molecole di dimensioni superiori sono escluse.
Le giunzioni comunicanti rappresentano l’UNICO modo tramite il quale i segnali possono passare direttamente da una cellula all’altra.
COMUNICAZIONE CELLULARE (a)
Le cellule dipendono dal loro ambiente per le materie prime necessarie per il mantenimento della vita. La loro membrana plasmatica contiene una gran varietà di diversi canali e trasportatori che permettono di importare selettivamente le sostanze inorganiche ed organiche necessarie a mantenersi, svolgere il loro compiti specializzati e di rilasciare prodotti di rifiuto.
E’ anche essenziale per la loro sopravvivenza che le cellule comunichino con le cellule circostanti, controllino le
condizioni del loro ambiente e rispondano in modo appropriato ad una moltitudine di stimoli che vengono a contatto con la loro superficie.
Le cellule attuano queste interazioni per mezzo di un fenomeno noto come comunicazione cellulare, nella quale l’informazione é trasferita attraverso la membrana plasmatica verso l’interno della cellula e spesso fino al nucleo.
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COMUNICAZIONE CELLULARE (b)
Nella maggior parte delle cellule la comunicazione cellulare comprende:
Il riconoscimento dello stimolo sulla superficie esterna della membrana plasmatica, per mezzo di uno specifico recettore compreso nella membrana.
Il trasferimento del segnale attraverso la membrana plasmatica verso la superficie citoplasmatica.
La trasmissione del segnale a specifiche molecole effettrici sulla superficie interna della membrana o all’interno del citoplasma che fa scattare la risposta cellulare, che può essere rappresentata da un cambiamento nell’espressione genica, un’alterazione dell’attività di enzimi metabolici, una riconfigurazione del citoscheletro, un cambiamento di permeabilità agli ioni, l’attivazione della sintesi del DNA, o perfino la morte della cellula.
La cessazione della risposta come effetto della distruzione o inattivazione della molecola segnale che si accompagna ad una diminuzione del livello dello stimolo extracellulare.
Secondo messaggero
Sostanza rilasciata all’interno della cellula come risposta al legame di un primo messaggero (un ormone o un altro ligando) ad un recettore posto sulla superficie esterna della cellula. Es.
AMP ciclico (cAMP)
inositolo 1,4,5‐trifosfato (IP3)
diacilglicerolo (DAG)
Ca2+
Una via semplice di segnalamento intracellulare attivata da una molecola di segnalamento extracellulare. La molecola segnale si lega ad una proteina recettore (che di solito è inserita membrana plasmatica), attivando in questo modo una via di segnalamento intracellulare che é mediata da una serie di proteine di segnalamento. Infine, una o più di queste proteine di segnalamento interagisce con una proteina bersaglio, alterandola, e perciò collabora a cambiare il comportamento della cellula.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21059/figure/A2741/?report=objectonly
COMUNICAZIONE CELLULARE (c)
Tuttavia, NON tutta l’informazione é trasmessa dallo spazio extracellulare all’interno della cellula per mezzo di recettori cellulari sulla membrana plasmatica. Esempi:
Gli ormoni steroidei agiscono sulle cellule bersaglio diffondendo attraverso la membrana plasmatica e
interagendo con una proteina recettrice interna alla cellula, trasformandola in un fattore trascrizionale attivo.
L’ossido di azoto, NO, un gas che passa attraverso la membrana plasmatica e agisce sul sito attivo di alcuni enzimi influenzandone l’attività.
Sostanze che si legano ai recettori sulla superficie cellulare evocando la loro risposta direttamente, senza dover innescare un segnale all’interno della cellula. Il neurotrasmettitore acetilcolina agisce attraverso un simile meccanismo quando è legato al suo recettore sulla cellula muscolare scheletrica, aprendo un canale ionico situato all’interno del recettore stesso.
Messaggeri extracellulari
Piccole molecole, come aminoacidi e loro derivati:
Glutamato, glicina, acetilcolina, adrenalina, dopamina e ormoni tiroidei [neurotasmettitori, ormoni]
Gas, come O2, NO, CO.
Steroidi (derivati dal colesterolo).
Regolano il dimosrfismo sessuale, la gravidanza, il metabolismo dei carboidrati e la fuoriuscita degli ioni sodio e potassio.
Eicosanoidi, molecole apolari di 20 atomi di carbono, derivate dall’acido arachidonico.
Regolano dolore, infiammazione, pressione sanguigna, coagulazione. Molti polipeptidi e proteine:
Transmembrana, espresse sulla superficie cellulare che interagiscono con cellule bersaglio.
Della matrice extracellulare o ad essa associate
Secrete nello spazio extracellulare, regolano la divisione cellulare, il differenziamento, la risposta immunitaria, la morte o la sopravvivenza cellulare.
Risposte diverse indotte dal neutrotrasmettitore acetilcolina
Tipi cellulari differenti sono specializzati per rispondere all’acetilcolina in modi diversi.
(A e B) Per questi due tipi cellulari l’acetilcolina si lega a recettori simili, ma i segnali
intracellulari prodotti sono interpretati diversamente da cellule specializzate per
svolgere funzioni differenti. (C) Questa cellula muscolare produce un tipo di recettore
diverso per l’acetilcolina, che genera segnali intracellulari diversi da quelli generati dal
recettore illustrato in (A) e (B), e provoca un effetto differente. (D) Struttura chimica
dell’acetilcolina.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26813/figure/A2757/?report=objectonly
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Dipendenza della cellule animali da molteplici segnali extracellulari. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26813/figure/A2755/?report=obj
ectonly
Ogni tipo cellulare ha a
disposizione un insieme di
recettori che le permettono di
rispondere ad un insieme
corrispondente di molecole di
segnalamento prodotte da altre
cellule.
Queste molecole di segnalamento
lavorano in collaborazione per
regolare il comportamento della
cellula
Come qui illustrato, una singola
cellula richiede diversi segtnali per
sopravvivere (frecce blu) e segnali
addizionali per dividersi (freccia
rossa) o differenziarsi (frecce
verdi).
Se deprivata degli appositi segnali
di sopravvivenza, una cellula
subirà una forma di suicidio
cellulare nota come morte
cellulare
programmata,
o
apoptosi.
RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G
Molecole di segnalamento lipofiliche
Diffondono attraverso il doppio strato lipidico delle membrane cellulari e si legano a recettori sia nel citoplasma che nel nucleo.
Solitamente l’attivazione di un recettore accende un gene e porta il nucleo a produrre un nuovo mRNA
Il nuovo mRNA a sua volta funge da stampo per la sintesi di nuove proteine
Processi relativamente lenti (richiedono diverse ore o di più)
Action of steroid hormones
The steroid hormones diffuse across the
plasma membrane and bind to nuclear
receptors, which directly stimulate
transcription of their target genes. The
steroid hormone receptors bind DNA as
dimers.
Structure of steroid hormones, thyroid hormone, vitamin D 3, and retinoic acid
The steroids include the sex hormones (testosterone, estrogen, and progesterone), glucocorticoids, and mineralocorticoids.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9924/figure/A2204/?report
=objectonly
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9924/figure/A2203/?report=objectonly
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Molecole di segnalamento lipofobiche
Tipi di recettori
Non potendo entrare nelle cellule si legano a recettori sulla membrana cellulare delle cellule bersaglio
Il tempo di risposta è rapido (millisecondi a secondi).
Recettori accoppiati a proteine G
Recettori ad attività tirosina chinasica
Recettori canale
Recettori per gli ormoni steroidei
Altri recettori (es. recettori delle cellule B e T)
Recettori di membrana
Canali ionici a controllo di ligando: l’arrivo del segnale apre o chiude il canale (l’aumento o diminuzione della permeabilità ad ioni quali il Na+, K+ o Cl‐ provoca una alterazione del potenziale di membrana)
Integrine legate al citoscheletro
Recettori con attività enzimatica
Recettori accoppiati a proteine‐G con sette domini che attraversano la membrana
http://www.utm.utoronto.ca/~w3bio315/lecture6.htm
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Trasduzione di segnale
RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G TRIMERICHE
Le proteine che legano il GTP
funzionano come degli interruttori cellulari
Guanosina trifosfato (GTP)
L’attività di una proteina che lega il GTP (detta anche GTPasi) di solito richiede
la presenza di una molecola di GTP legata strettamente (interruttore
“acceso”). L’idrolisi di questa molecola di GTP produce GDP e fosfato inorganico (Pi) e induce la proteina ad assumere una conformazione differente, di solito inattiva (interrutore “spento”). Come qui illustrato, il reset dell’interruttore richiede che il GDP legato fortemente si dissoci, un passo lento che viene estremamente accelerato da segnali specifici; una volta che il GDP si dissocia, la molecola di GTP si unisce di nuovo rapidamente.
Recettori accoppiati a proteine G
Structure of a G protein‐
coupled receptor
Traducono il legame di una molecola segnale extracellulare nell’attivazione di proteine che legano il GTP [proteine G]
The G protein‐coupled receptors are characterized by seven transmembrane α helices.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9866/figure/A2219/?report=objectonly
http://www.sigmaaldrich.com/life-science/cell-biology/learning-center/pathway-slides-and/diversity-of-g-proteincoupled-receptor-signal-tdp.html
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Module 2: Figure G protein binary switching
Module 2: Figure heterotrimeric G protein signalling
Evaluation only.
Created with Aspose.PowerPoint.
Copyright 2004 Aspose Pty Ltd.
Cell Signalling Biology - Michael J. Berridge - www.cellsignallingbiology.org - 2012
Proteina G trimerica (1)
Cell Signalling Biology - Michael J. Berridge - www.cellsignallingbiology.org - 2012
Proteina G trimerica (2)
The switching off of the G‐protein α subunit by the hydrolysis of its bound GTP
After a G‐protein α subunit activates its target protein, it shuts itself off by hydrolyzing its bound GTP to GDP. This inactivates the α subunit, which dissociates from the target protein and reassociates with a βγ complex to re‐form an inactive G protein. Binding to the target protein or to a membrane‐bound RGS protein (not shown) usually stimulates the GTPase activity of the α subunit; this stimulation greatly speeds up the inactivation process shown here.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26912/figure/A2
799/?report=objectonly
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9866/figure/A2221/?report=objectonly
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Recettori associati a proteine G
Bersaglio: Adenilato Ciclasi
2° Messaggero: cAMP
ADENIL CICLASI
An example of a signal transduction cascade involving cyclic AMP
The synthesis and degradation of cyclic AMP
In a reaction catalyzed by the enzyme adenylyl cyclase, cyclic AMP (cAMP) is synthesized from ATP through a cyclization reaction that removes two phosphate groups as pyrophosphate (Figure 15‐31. The synthesis and degradation of cyclic AMP.—
Figure 15‐31. The synthesis and degradation of cyclic AMP.); a pyrophosphatase drives this synthesis by hydrolyzing the released pyrophosphate to phosphate (not shown). Cyclic AMP is unstable in the cell, because it is itself hydrolyzed by a specific phosphodiesterase to form 5′‐AMP, as indicated.
The binding of adrenaline to an adrenergic receptor initiates a cascade of reactions inside the cell. The signal transduction cascade begins when adenylyl cyclase, a membrane‐ bound enzyme, is activated by G‐protein molecules associated with the adrenergic receptor. Adenylyl cyclase creates multiple cyclic AMP molecules, which fan out and activate protein kinases (PKA, in this example). Protein kinases can enter the nucleus and affect transcription. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26912/figure/A2802/?r
eport=objectonly
http://www.nature.com/scitable/topicpage/cell-signaling-14047077
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/N
BK21718/figure/A5791/
Hormonal activation of adenylyl cyclase
Binding of hormone promotes the interaction of the receptor with a G protein. The activated G protein α subunit then dissociates from the receptor and stimulates adenylyl cyclase, which catalyzes the conversion of ATP to cAMP.
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http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9866/figure/A2220/
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Metabolic Responses to Hormone‐Induced Rise in cAMP in Various Tissues
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http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NB
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21705/table/A5862/?report=objectonly
K21718/figure/A5791/
RUOLO DEI LIPIDI NEL SEGNALAMENTO
Recettori associati a proteine G
Bersaglio: Fosfolipasi C
2° MESSAGGERI: IP3, DAG e Ca2+
Il diacilglicerolo (DAG) rimane sulla membrana ed attiva la PKC. Viceversa, l’inositolo 1,4,5‐trisfosfato (IP3) é solubile e attiva dei recettori IP3 nell’reticolo endoplasmatico liscio, ER. Questi canali rilasciano Ca2+
verso il citoplasma. Il Ca2+ attiva oppure inibisce molte proteine. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26912/figure/A2812/?report=objectonly
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9870/figure/A2244/?report=objectonly
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21705/figure/A5865/?report=objectonly
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Ca2+ mobilization by IP3
Ca2+ is pumped from the cytosol into the endoplasmic reticulum, which therefore serves as an intracellular Ca2+ store. IP3 binds to receptors that are ligand‐
gated Ca2+ channels in the endoplasmic reticulum membrane, thereby allowing the efflux of Ca2+ to the cytosol.
Trasduzione di segnale
RECETTORI AD ATTIVITÀ TIROSINA CHINASICA
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9870/figure/A2247/?report=objectonly
Recettori ad attività tirosina chinasica
Chinasi (“Kinases”) (1)
Le chinasi sono enzimi che usano l’ATP per fosforilare molecule
all’interno della cellula.
I nomi dati alle chinasi indicano il substrato che viene fosforilato dall’enzima. Ad es:
Esochinasi – un enzima che usa l’ATP per fosforilari gli esosi (zuccheri con 6 atomi di carbono, ad es. Il glucosio)
Proteina chinasi – enzimi che usano l’ATP per fosforilare proteine all’interno della cellula (N.B. La esochinasi è una proteina, ma non è una proteina chinasi)
Fosforilasi chinasi: un enzima che usa l’ATP per fosforilare la proteina fosforilasi all’interno della cellula.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26822/
Recettori ad attività tirosina chinasica
Il legame di uno specifico ligando provoca di solito la dimerizzazione del recettore, seguita dall’attivazione del dominio protein‐chinasico associato alla regione citoplasmatica .
In seguito all’attivazione queste protein‐chinasi fosforilano specifici residui di tirosina sui loro substrati citoplasmatici modulando la loro attività, localizzazione o capacità di interazione con altre proteine della cellula.
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Ad ogni chinasi la sua fosfatasi
Regulation of protein phosphorylation by protein kinase A and protein phosphatase 1
The phosphorylation of target proteins by protein kinase A is reversed by the action of protein phosphatase 1.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9870/figure/A2240/?report=objectonly
http://withfriendship.com/user/sathvi/receptor-tyrosine-kinase.php
Protein phosphorylation
Many thousands of proteins in a typical eucaryotic cell are modified by the covalent addition of a phosphate group. (A) The general reaction, shown here, entails the transfer of a phosphate group from ATP to an amino acid side chain of the target protein by a protein kinase. Removal of the phosphate group is catalyzed by a second enzyme, a protein phosphatase. In this example, the phosphate is added to a serine side chain; in other cases, the phosphate is instead linked to the –OH group of a threonine or a tyrosine in the protein. (B) The phosphorylation of a protein by a protein kinase can either increase or decrease the protein’s activity, depending on the site of phosphorylation and the structure of the protein.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26911/figure/A504/
?report=objectonly
Recettori ad attività tirosina chinasica (2)
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9866/
Chinasi (“Kinases”) (2)
Le chinasi fosforilano altre proteine all’interno della cellula e, mediante le alterazioni conformazionali e di carica elettrica
risultanti, le proteine fosforilate subiscono un’attivazione oppure un’inattivazione dell’espressione della loro attività biologica.
Se una proteina è fosforilata da una chinasi, il gruppo fosfato deve alla fine venire rimosso da una fosfatasi mediante idrolisi.
Se ciò non accadesse, la proteina fosforilata sarebbe in uno stato costante di attivazione o di inattivazione.
Le chinasi e le fosfatasi regolano tutti gli aspetti della funzione cellulare.
Si ritiene che 1‐2% dell’intero genoma codifichi per chinasi e fosfatasi.
Nell’Uomo ci sono almeno 518 proteina chinasi differenti
http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/signaltrans/olsignalkinases.html
Cinque vie di segnalazione attivate da recettori associate a proteine G, a recettori di tipo tirosina chinasi o a entrambi. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26822/figure/A2866/?report=objectonly
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