Comunicazione cellulare
Per segnali cellulari (cell signaling) si può intendere sia una catena di segnali tutti all’interno di una
cellula sia la catena di eventi che consente ad un segnale extracellulare di generare uno o più segnali
intracellulari. Quest’ultimo processo viene specificamente denominato trasduzione del segnale. In
questo capitolo esamineremo alcuni meccanismi di trasduzione e la successiva catena di segnali
intracellulari innescati dalla trasduzione.
Due cellule connesse da gap junction, essendoci continuità citoplasmatica, possono comunicare
direttamente sia mediante segnali chimici che elettrici (Fig. 5.1). I segnali elettrici sono costituiti da
flussi ionici, per cui anche i segnali elettrici sono, di fatto, una modalità di segnalazione chimica. Le
gap junction consentono il passaggio di molecole sino ad 1 kD.
Fig. 5.1. Le cellule possono comunicare mediante ponti citoplasmatici formati dalle gap junction o tramite
molecole prodotte da una cellula che interagiscono con recettori di membrana (come mostrato in figura) od
intracellulari (vedi fig. 5.11) della cellula-bersaglio (modificata da Cell Signalling Biology, M. Berridge).
Se due cellule sono separate dal liquido extracellulare, la comunicazione avviene generalmente
tramite una molecola prodotta da una cellula che viene in contatto con recettori di membrana della
cellula bersaglio (Fig. 5.1). Se la molecola è lipofila (per esempio, un ormone steroideo) può anche
attraversare la membrana ed interagire direttamente con un recettore intracellulare (vedi Fig. 5.11).
Le diverse modalità con cui la molecola-segnale entra in contatto con il recettore della cellula
bersaglio sono illustrate in Fig. 5.2. Le molecole-segnale possono essere inserite nella MP e poi a)
essere scisse da una metalloproteasi anch'essa residente nella MP, detta ADAM (ADAM è
l'acronimo di "A Disintegrin And Metalloproteinase"), b) uscire nel mezzo extracellulare senza
essere racchiuse in vescicole, c) essere liberate nel mezzo extracellulare mediante esocitosi. Nel
caso delle sinapsi, il neurotrasmettitore viene sintetizzato nel corpo cellulare e trasportato lungo
l'assone, dalla cui terminazione fuoriesce per esocitosi. Se la molecola-segnale resta ancorata alla
MP, interagisce con il recettore con modalità "iustacrina". Se viene liberata nel mezzo extracellulare
può agire localmente, con modalità "autocrina" (interagisce con i recettori della cellula che l'ha
prodotta) e/o "paracrina" (interagisce con i recettori di cellule vicine); può altresì entrare nel flusso
sanguigno ed essere trasportata in tutto l'organismo, agendo con modalità "endocrina".
Stimolo ancorato
alla membrana
Proteasi
Fattori di crescita
Citochine
Eicosanoidi
NO, ATP
Ormoni
(sangue);
neurotrasmettitori
(assone e poi
esocitosi)
Iustacrina
Autocrina
Paracrina
Sangue
Endocrina
Fig. 5.2. Interazione tra molecole-segnale e recettori. Gli ormoni sono liberati per esocitosi e vanno nel
sangue, mentre i neurotrasmettitori sono trasportati lungo l'assone, dalla cui terminazione fuoriescono per
esocitosi (modificata da Cell Signalling Biology, M. Berridge).
La catena di eventi attivati dall'interazione dello stimolo con il recettore di membrana è
schematizzata in Fig. 5.3.
Effettori e sensori
Fig. 5.3. Trasduzione del segnale (modificata da Cell Signalling Biology, M. Berridge).
Nel processo di trasduzione l'interazione stimolo-recettore induce un cambio di conformazione nel
recettore, che diviene capace di interagire con molecole anch'esse inserite nella MP (i trasduttori).
Queste attivano una o più molecole (gli amplificatori, l'adenilato ciclasi, per esempio), che generano
molecole dette messaggeri ( come l'AMP ciclico) che attivano gli effettori (quali le chinasi). Questa
catena può inviare dei messaggi di feedback, cosicchè le molecole attivate a partire dalla
trasduzione membranale possono influenzare i meccanismi che le hanno prodotte.
LE PROTEINE G TRIMERICHE
Le proteine G (G sta per GTP binding protein) trimeriche sono costituite da 3 subunità (α, β e γ) ed
interagiscono con recettori di membrana denominati GPCR (G protein coupled receptor). Nello
stato inattivo, la subunità α è legata al GDP (Fig. 5.4, fase 1); se il recettore interagisce con il
ligando (fase 2), cambia conformazione (fase 3) ed induce nella subunità α lo scambio tra GDP e
GTP (fase 4). La subunità α, legata al GTP, si stacca dalle subunità βγ, che restano unite (fase 5), e
sia la subunità α-GTP, e possibilmente anche il complesso βγ, attivano una catena di segnali
intracellulari. La subunità α, legata al GTP, ha anche una sua intrinseca attività GTPasica
(modulabile da altre molecole), e scinde il GTP in GDP e Fosfato (fase 6), ponendo termine al
processo della trasduzione. Infine il complesso α-GDP si riunisce al complesso βγ (fase 1).
Esistono numerose isoforme delle subunità α, β e γ, cosicchè l'attivazione di un recettore accoppiato
a proteine G trimeriche può attivare un largo spettro di segnali intracellulari.
Fig. 5.4. Il ciclo delle proteine G trimeriche.
LE PROTEINE G MONOMERICHE (O SMALL G PROTEIN)
Esistono proteine G monomeriche (sono dette anche small G protein) che presentano alcuni aspetti
funzionali che le differenziano dalle proteine G trimeriche. Le proteine G monomeriche sono legate
nello stato inattivo al GDP. L'attivazione di alcuni recettori membranali attiva una proteina detta
GEF (Guanosin Exchange Factor), che promuove lo scambio GDP/GTP, attivando la proteina G.
L'inattivazione avviene ad opera di una GAP (GTPase Activating Protein), che scinde il GTP in
GDP e Fosfato, ponendo termine alla trasduzione (Fig. 5.5).
I segnali intracellulari generati dall'attività delle G protein (monomeriche e trimeriche) sono numerosissimi e
modulano l'attività di praticamente tutti i processi cellulari.
Recettore membranale
Segnali intracellulari
Citoscheletro
Canali ionici
..................
Fig. 5.5. Ciclo delle proteine G monomeriche (modificata da Cell Signalling Biology, M. Berridge).
G PROTEIN E PLC
Numerosi agonisti sono in grado di attivare la PLC (fosfolipasi C) tramite una G protein trimerica
avente una subunità α denominata αq (Fig. 5.6). La PLC scinde il fosfatidil-inositolo 4,5 bifosfato
in diacilglicerolo (DAG) e Inositolo 1,4,5 fosfato (IP3 o InsP3, ).
ATP, ADP
Angiotensina
Endotelina
Istamina
Trombossano
Ach (recettori muscarinici)
Noradrenalina
Dopamina
Glutammato
5-idrossitriptamina (5-HT)
Trasduttore
Amplificatore
Messaggeri
q
β
e
Fig. 5.6. Sono indicati alcuni degli agonisti in grado di attivare un recettore accoppiato ad una G protein
trimerica che a sua volta attiva la PLC, generando DAG e InsP3 (modificata da Cell Signalling Biology, M.
Berridge).
Esistono numerose isoforme di PLC: i recettori accoppiati a G protein attivano la PLCβ.
Il DAG attiva la PKC e può aprire dei canali ionici della membrana plasmatica; l'InsP3 provoca la
liberazione di Ca2+ dal reticolo endoplasmatico. In Fig. 5.7 è indicata la struttura del Fosfatidilinositolo, del
Fosfatidilinositolo 4,5 bifosfato (PIP2), dell' inositolo 1,4,5 trifosfato (IP3 o InsP3), ed i siti scissi da alcune
fosfolipasi.
Fig. 5.7. Struttura del Fosfatidilinositolo (sinistra) e del Fosfatidilinositolo 4,5 bifosfato e dell'InsP3 (in alto a
destra; l'InsP3 è racchiuso da un rettangolo tratteggiato). In basso a destra sono indicati i siti scissi dalle
fosfolipasi A1, A2, C e D.
G PROTEIN ED ADENILATO CICLASI
L'attività dell'enzima adenilato ciclasi è modulata da numerosi recettori membranali che possono sia
attivare che inibire l'enzima. La proteine G stimolano l'attività dell'enzima tramite una subunità α
detta αs o la inibiscono tramite una subunità α detta αi; l'AMP ciclico modula numerosissimi
processi cellulari (trasporti, canali ionici, metabolismo, espressione genica), principalmente tramite
l'attivazione della PKA (protein chinasi A). Alcuni canali ionici sono modulati direttamente
dall'AMP ciclico (Fig. 5.8).
Agonisti inibitori
Agonisti stimolatori
Adenilato ciclasi
Trasporti
Adenilato ciclasi solubile
AMP
ciclico
Effetto diretto
sul canale ionico
Canali ionici
Espressione
genica
Lipasi
Metabolismo
Reticolo endoplasmatico
Fig. 5.8. Modulazione dell'attività dell'adenilato ciclasi e processi influenzati dall'AMP ciclico. Questo agisce
principalmente attivando la PKA, ma in alcuni casi può operare direttamente, senza il tramite delle kinasi.
Esiste una forma solubile (non inserita nella MP) di adenilato ciclasi, attivata dall'HCO3- (modificata da Cell
Signalling Biology, M. Berridge).
RECETTORI TIROSINA-KINASI E SERINA-TREONINA KINASI
Numerosi fattori di crescita agiscono interagendo con recettori aventi attività auto-fosforilativa
dell'aa tirosina: tali recettori sono detti recettori tirosina-kinasi. La famiglia dei Traforming Growth
Factor β attiva dei recettori aventi attività auto-fosforilativa sugli aa Serina e Treonina (recettori
Serina/Treonina kinasi), che a loro volta fosforilano proteine SMAD. Entrambi i recettori attivano
via intracellulari connesse con la crescita e la proliferazione cellulare (5.9). La PLC attivata dai
recettori tirosina-kinasi è la PLCγ.
Angiopoietina
CSF-1 (Colony-stimulating factor)
EGF (epidermal growth factor)
HGF
IGF
PDGF
SCF
VEGF
Recettore
Tirosina-kinasi
Tirosina-kinasi
TGFβ
(famiglia dei
Trasforming growth
factor)
Serina-treonina
kinasi
Recettore
SerinaTreonina
kinasi
γ
Nucleo
Fig. 5.9. L'interazione dello stimolo con i recettori tirosina-kinasi provoca la loro dimerizzazione, attivando il
dominio kinasico. Il recettore Serina/Treonina kinasi tetramerizza interagendo con 2 molecole di TGFβ,
attivando il dominio kinasico. Il recettore tirosina-kinasi può attivare le vie della PLCγ, della PI 3-K
(fosfatidilinositolo 3-kinasi) e RAF-ERK (modificata da Cell Signalling Biology, M. Berridge).
IL MONOSSIDO D'AZOTO
Il monossido d'azoto (NO) è un messaggero prodotto da tre enzimi, la NO sintasi endoteliale
(eNOS), la NO sintasi neuronale (nNOS) e la NO sintasi inducibile (iNOS). I primi due sono
presenti nella cellula in condizioni basali e sono attivati dal complesso Ca2+/Calmodulina o
mediante fosforilazione. La iNOS non è presente in condizioni basali; la sua sintesi viene attivata da
stimoli infiammatori e l'enzima è attivo di per sè. L'NO attiva la guanilato ciclasi solubile, che
sintetizza il GMP ciclico; questo a sua volta attiva la PKG (protein kinasi GMP ciclico-dipendente;
Fig. 5.10).
L'NO può anche nitrosilare le proteine, modificandone l'attività. Queste possono poi subire denitrosilazione (Fig. 5.10). I fattori natriuretici possono attivare una guanilato-ciclasi di membrana.
Altre cellule
Fattori natriuretici
Fosforilazione
Nitrosilazione
Risposte cellulari
Proteine
bersaglio
Denitrosilazione
Fig. 5.10. LNO prodotto dalla cellula o da cellule vicine attiva la guanilato-ciclasi solubile o causa
nitrosilazione cellulare. I fattori natriuretici possono attivare una guanilato-ciclasi di membrana (modificata
da Cell Signalling Biology, M. Berridge).
GLI ORMONI STEROIDEI
Gli ormoni stereoidei sono molecole lipofile, in grado di attraversare la MP. Possono quindi
interagire con recettori intracellulari, modulando l'espressione genica. Interagiscono anche con i
GPCR, e possono attivare l'adenilato ciclasi, la PI 3-K e la PLC
Ormoni steroidei:
Aldosterone
Cortisolo
Estrogeni
Testosterone
G PCR
Recettore
intracellulare
Trascrizione
genica
Fig. 5.11. Gli ormoni steroidei possono attraversare la MP, interagendo con recettori intracellulari.
Possono anche interagire con GPCR (modificata da Cell Signalling Biology, M. Berridge).
