Comunicazione intercellulare
Negli organismi pluricellulari le cellule comunicano
tramite un’ampia varietà di segnali extracellulari
PRINCIPI GENERALI DELLA COMUNICAZIONE TRA CELLULE
TRAMITE MOLECOLE SEGNALE
-Sintesi e rilascio di molecole segnale da parte della cellula
segnalatrice (per esocitosi o per diffusione)
- Trasporto alla cellula bersaglio
- Ricezione dell’informazione da parte della cellula bersaglio
tramite una recettore proteico
- Conversione del segnale extracellulare in un segnale
intracellulare che modifica il comportamento della cellula
- Esistono recettori specifici per ogni molecola segnale
- La capacità di una cellula di rispondere ad una molecola
segnale dipende dal fatto che possieda o no un recettore per
quel segnale
- I recettori possono essere localizzati sulla membrana
plasmatica (molecole segnale idrofiliche) oppure all’interno
della cellula (molecole segnale idrofobiche)
Modalità di segnalazione
CELLULA
SEGNALATRICE
CELLULA
BERSAGLIO
Segnalazione tramite molecole secrete
Molecola
segnale
Recettore
Segnalazione tramite molecole di membrana
Segnalazione tramite giunzioni gap
Segnalazione a breve distanza
PARACRINA
Le molecole segnale diffondono
localmente nel mezzo extracellulare
(mediatori locali, chemiochine)
AUTOCRINA
La cellula può inviare segnali a sé
stessa o a cellule dello stesso tipo
Segnalazione a lunga distanza
ENDOCRINA
Le molecole segnale sono secrete
nel circolo sanguigno (ormoni,
citochine)
SINAPTICA
Un segnale elettrico viaggia lungo
l’assone e una molecola segnale
(neurotrasmettitore) viene secreta
a livello della sinapsi
- Molte proteine di segnalazione agiscono da interruttori
molecolari basati su fosforilazione/defosforilazione
Attivazione per fosforilazione
Attivazione per scambio GTP/GDP
Lo spegnimento delle proteine di segnalazione è altrettanto importante
dell’accensione
- Una proprietà universale delle vie di segnalazione è
l’adattamento della cellula allo stimolo, o desensibilizzazione
RISPOSTA
Risposta iniziale
Desensibilizzazione
Segnale
Segnale
Segnale
Un segnale a
concentrazione
costante inviato ad
intervalli brevi dà
risposte sempre meno
intense
TEMPO
La desensibilizzazione permette alla cellula di rispondere a variazioni della
concentrazione della molecola segnale piuttosto che alla concentrazione assoluta
Natura chimica dei segnali
MOLECOLE SEGNALE IDROFOBICHE
ormoni steroidei
ormoni tiroidei
retinoidi
ossido di azoto
MOLECOLE SEGNALE IDROFILICHE
proteine
peptidi
aminoacidi
nucleotidi
MOLECOLE SEGNALE IDROFOBICHE
steroidi sessuali
corticosteroidi
ORMONI STEROIDEI
(sintetizzati a partire dal colesterolo)
Molte molecole segnale idrofobiche hanno come recettori delle proteine
intracellulari che agiscono da regolatori della trascrizione
Ormone steroideo
I recettori nucleari appartengono ad una superfamiglia di fattori
trascrizionali correlati strutturalmente e funzionalmente
Recettore inattivo
Recettore attivo
Il legame con il ligando
libera da un inibitore
il dominio di legame al
DNA
Funzioni di alcune molecole segnale che si legano a recettori nucleari
cortisolo
prodotto nella corticale del surrene, influenza
il metabolismo di molte cellule, la risposta allo
stress e le risposte immunitarie
estradiolo
prodotto nell’ovaio, influenza i caratteri sessuali
secondari nella femmina
testosterone
prodotto nei testicoli, influenza i caratteri sessuali
secondari nel maschio
tiroxina
acido retinoico
prodotto nella tiroide, ha un ruolo nello sviluppo
embrionale e aumenta la velocità metabolica in
molti tipi cellulari
mediatore locale con un ruolo importante
nel differenziamento di molti tipi cellulari
La risposta agli ormoni steroidei, tiroidei e retinoidi dipende dalla cellula
bersaglio
Il recettore è presente in tipi cellulari specifici.
Ciascuno di essi può rispondere diversamente.
I geni attivati da uno stesso recettore sono diversi in diversi tipi
cellulari (cofattori tessuto-specifici)
Alcune delle proteine della risposta primaria accendono i geni
della risposta secondaria.
In alcuni casi sono questi ultimi ad essere accesi in maniera
tessuto specifica
Risposta primaria precoce
Risposta secondaria ritardata
TEMPO
geni della risposta
primaria
geni della risposta
secondaria
Per risposte rapide la strategia enzimatica è la più efficace:
l’ossido di azoto (NO) segnala legandosi direttamente ad un enzima
all’interno della cellula bersaglio: in molte cellule bersaglio NO si lega alla
guanilato ciclasi, che catalizza la formazione di GMP ciclico, segnale
intracellulare che porta alla risposta finale: rilassamento delle cellule
muscolari lisce e conseguente vasodilatazione
Pazienti con angina pectoris (ischemia miocardica) sono
trattati con nitroglicerina, che nel corpo si converte in NO e
fa rilassare le arterie coronarie.
Nell’organismo, l’NO è prodotto dalla NO sintasi
NOS catalizza la reazione:
L-arginine + 3/2 NADPH + H+ + 2 O2 citrulline + nitric oxide +
3/2 NADP+
Esistono una NO sintasi endoteliale (eNOS), neuronale
(nNOS) e una inducibile (iNOS) attiva nel sistema
immunitario (distruzione di patogeni).
FUNZIONI DELL’ OSSIDO DI AZOTO (NO)
• Aumenta il cGMP intracellulare, che inibisce
l’entrata di calcio nella cellula;
• Attiva i canali di potassio, che portano a
iperpolarizzazione e rilassamento muscolare;
• Stimola una proteina chinasi che attiva la fosfatasi
della catena leggera della miosina, inducendo
defosforilazione della catena leggera della miosina
e rilassamento del muscolo liscio.
MOLECOLE SEGNALE IDROFILICHE
Trasduzione
del segnale
Amplificazione e divergenza durante
la “cascata” di trasduzione del segnale
L’amplificazione può
intendersi sia per numero di
molecole del bersaglio che
per tipi diversi di bersaglio.
Tipi di recettori trans-membrana
Recettori con funzione di
canali ionici
(molti neurotrasmettitori)
Recettori collegati a
proteine G
(la maggior parte degli
ormoni idrosolubili)
Recettori con attività
enzimatica
(la maggior parte dei
fattori di crescita)
La famiglia dei recettori collegati a proteine G (GPCR)
Più di un migliaio di recettori
7 segmenti transmembrana (a elica)
Molecole segnale: proteine, peptidi, lipidi e altre piccole molecole
Numerosissime funzioni biologiche
Bersaglio del 40-50% dei farmaci utilizzati
Uno stesso tipo di segnale extracellulare può indurre varie risposte
- tipo di recettore
- tipo di proteine G a cui è accoppiato il recettore
- effettori attivati nella cellula
I recettori agiscono indirettamente nella regolazione di proteine
bersaglio intracellulari.
L’azione è mediata da proteine che legano GTP o GDP (proteine
G)
Le proteine G eterotrimeriche
La varietà delle risposte mediate dalle proteine G trimeriche dipende
dall’esistenza di molte varianti di queste proteine
Le proteine G possono essere attivatrici o inibitrici
Gli effettori e i loro substrati possono essere diversi
Membri della
famiglia
Azione mediata da
Funzioni
GS
α
Attiva l’adenilico ciclasi; attiva canali del Ca2+
Golf
α
Attiva l’adenilico ciclasi nei neuroni olfattivi
Gi
α
Inibisce l’adenilico ciclasi
βγ
Attiva canali del K+
βγ
Attiva canali del K+; inattiva canali del Ca2+
α e βγ
Attiva la fosfolipasi C
Gt
α
Attiva la cGMP fosfodiesterasi nei bastoncelli
Gq
α
Attiva la fosfolipasi C
Go
In seguito all’attivazione del
recettore la proteina G
sostituisce il GDP con il GTP e
si dissocia
La subunità α/GTP (in alcuni
casi anche il complesso βγ), fa
partire un segnale
intracellulare
Effettore
Subunità α
attivata
Attivazione dell’ effettore da parte
della subunità α attivata
L’idrolisi di GTP da parte della subunità α la inattiva e
ne provoca la dissociazione dall’effettore
La subunità α inattiva si riassocia con il complesso
ßγ per riformare una proteina G inattiva
Proteina G
inattiva
Effettore inattivo
La subunità α della
proteina G, dopo
aver attivato
l’effettore, si
autodisattiva
ALCUNE PROTEINE G REGOLANO CANALI IONICI
es. cellule miocardiche
l’apertura dei canali K+ altera le
proprietà elettriche rallentando il
battito cardiaco
TERMINAZIONE DELLA RISPOSTA dei recettori accoppiati a
Proteine G
Desensibilizzazione impedisce al recettore attivato di continuare ad attivare
ulteriori
Proteine G. GRK (chinasi del recettore accoppiato a proteine G) Ser Threo kinase
Fosforila il dominio citoplasmatico del recettore disattivandolo
Le ARRESTINE sono piccole molecole che competono con le proteine G. Anche
queste
Provocano desensibilizzazione
Le ARRESTINE favoriscono l’internalizzazione del recettore fosforilato in
vescicole di
Clatrina
Proteine RGS aumentano la capacità di idrolisi del GTP da parte della subunità Ga
Un esempio: desensibilizzazione del recettore per chemiochine
TERMINAZIONE DELLA RISPOSTA dei recettori accoppiati a
Proteine G
Diverse tossine batteriche agiscono sulle proteine G:
VIBRIO CHOLERAE ha un effetto sulle cellule dell’epitelio intestinale inibendo
l’attività GTPasica della subunità Gas. Come effetto c’è la secrezione di grandi
Quantità di soluti nel lume intestinale: diarrea acquosa
BORDETELLA PERTUSSIS ha una tossina che inattiva la subunità Gai (ADP
ribosilazione). Questo porta ad un aumento di attività della Guanilato ciclasi e
della produzione di cAMP. Effetto sul sistema immunitario (blocco della
chemiotassi)
ALCUNE PROTEINE G ATTIVANO ENZIMI LEGATI ALLA MEMBRANA
ADENILATO
CICLASI
Via dell’AMP ciclico
FOSFOLIPASI C
Via del Ca++
Due vie attivate dalle proteine G tramite due diversi enzimi effettori
VIA DELL’AMP CICLICO
Adenilato ciclasi
(forma attiva)
AMP ciclico
Fosfodiesterasi
Molte proteine G segnalano regolando la concentrazione di
AMP ciclico (cAMP)
Il cAMP funziona da secondo messaggero
L’AMP ciclico è una molecola estremamente conservata nelle varie specie.
E’ sintetizzato nei batteri in assenza di glucosio, Ciò è dovuto ad un meccanismo
che accoppia il trasporto intercellulare del glucosio con l'inibizione della adenilato
ciclasi. Anche si induce cAMP in condizioni di aumentata densità cellulare. E’
considerato un
‘ANTICO SEGNALE DI FAME’
Questa funzione si è in qualche modo tramandata negli eucarioti in quanto l’
AMP ciclico prende parte nella degradazione del glicogeno
Il cAMP attiva una protein chinasi chiamata
Protein chinasi dipendente da cAMP o
Protein chinasi A (PKA)
PKA è un eteroetramero composto di 2
Subunità regolatorie e 2 catalitiche
A seguito dell’interazione con cAMP
le subunità catalitiche si staccano e
traslocano al nucleo
Sono stati descritti più di 100 substrati di PKA
1) La PKA attivata fosforila il fattore
trascrizionale CREB e induce
l’espressione di geni che contengono
una sequenza regolativa chiamata CRE
(elemento di risposta al cAMP)
2) La PKA attivata fosforila enzimi coinvolti nel metabolismo
del glicogeno
La mobilizzazione del glucosio nelle cellule del muscolo scheletrico
adrenalina
Recettore/proteina G
cAMP
PKA (nel citoplasma)
Fosforilazione della fosforilasi
chinasi → fosforilazione della
glicogeno fosforilasi = degradazione
del glicogeno a glucosio 1P
Fosforilazione della glicogeno
sintetasi = blocco della sintesi
del glicogeno
Amplificazione del segnale che porta alla degradazione del glicogeno in risposta
all’adrenalina
DIVERSE PROTEINE AKAP mettono in contatto PKA con diversi substrati in
porzioni diverse della cellula: importanza dell ‘LOCATION’
Il cAMP influenza molte altre funzioni cellulari
REGOLAZIONE DEI LIVELLI DI GLUCOSIO NEL SANGUE
GLUCAGONE è un polipeptide prodotto dalle cellule a del pancreas in risposta a
bassi livelli di glucosio AGISCE LEGANDOSI A GPCR
ADRENALINA è un ‘ormone da stress’ prodotto dalla midollare del surrene e
provoca un innalzamento dei livelli del glucosio AGISCE LEGANDOSI A GPCR
INSULINA è prodotta da cellule b del pancreas in risposta a elevati livelli di
glucosio è un recettore ad attività tirosino-chinasica
Alcune risposte cellulari indotte da ormoni tramite cAMP
Tessuto bersaglio
Ormone
Risposta principale
Muscolo
adrenalina
Demolizione del glicogeno
Cuore
adrenalina
Aumento della frequenza
cardiaca e della forza di
contrazione
Corteccia surrenale
Ormone adrenocorticotropo
(ACTH)
Secrezione di cortisolo
Ghiandola tiroidea
Ormone stimolante la tiroide
(TSH)
Secrezione dell’ormone tiroideo
Adrenalina,
glucagone,
ACTH, TSH
Demolizione dei trigliceridi
Grasso
I recettori olfattivi sono recettori associati a
proteine G e stimolano una risposta tramite il
cAMP
Il neuroepitelio olfattivo dispone di migliaia
(cani e topi) o centinaia (uomo) di recettori
associati a proteine G, uno per ogni cellula,
in grado di legare, ciascuno, molte molecole
di odorante diverse. La combinazione
specifica di recettori su un insieme distinto
di cellule olfattive, permette la
discriminazione di migliaia di odori diversi.
Due vie attivate dalle proteine G tramite due diversi enzimi effettori
ADENILATO
CICLASI
Via dell’AMP ciclico
FOSFOLIPASI C
Via del Ca++
VIA DELLA FOSFOLIPASI C
La concentrazione degli ioni Ca2+ viene mantenuta bassa nel
citoplasma spostando il Ca2+ verso l’esterno della cellula o in
compartimenti intracellulari
FOSFATIDIL INOSITOLO viene fosforilato per formare PIP2 e tagliato dalla
Fosfolipasi C beta in diacil glicerolo e inositolo trifosfato
La fosfolipasi C taglia un fosfolipide di membrana, il fosfatidil-inositolo,
producendo due messaggeri intracellulari, IP3 e DAG
fosfatidil-inositolo
diacilglicerolo
Fosforilazione
di varie proteine
Inositolo-trifosfato
(IP3)
Ca++
Ulteriore attività come
secondo messaggero
IP3 a sua volta rilascia ioni Ca2+ dai depositi intracellulari
fosfatidil-inositolo
diacilglicerolo
Fosforilazione
di varie proteine
Inositolo-trifosfato
(IP3)
Ca++
Ulteriore attività come
secondo messaggero
Il Calcio, insieme al DAG, attiva la proteina chinasi C, PKC (Ca2+
dipendente)
La fosforilazione del PIP2 a PIP3 ad opera della fosfatidil inositolo 3 chinasi
PI3K è un passaggio importante perché l’iperattività di PI3K è stata riscontrata
in molti tumori. Ad oggi sono allo studio e in clinica molti farmaci antitumorali
che inibiscono chimicamente l’attività di PI3K.
L’attività di PI3K è regolata da FOSFATASI tra cui PTEN
Gli anelli di inositolo fosforilati dei fosfoinositidi formano un sito di legame per il
dominio PH PLEXTRIN HOMOLOGY che è stato identificato in più di 150
proteine. Questo permette alle proteine di localizzarsi a livello della membrana
plasmatica in punti particolari arricchiti in altre proteine adattatrici e ad
attività chinasica, dando via a processi di trasduzione del segnale
RISPOSTE MEDIATE DALLA PROTEINO CHINASI C
LA proteino chinasi C ha una gran quantità di effetti nella cellula. In laboratorio
si usano attivatori della proteino chinasi C (esteri del forbolo) per stimolare la
proliferazione cellulare.
Regolazione della contrattilità
Idrolisi del glicogeno
Produzione di diversi ormoni
La sua dis-regolazione (i.e. forma costitutivamente attiva) porta alla
trasformazione tumorale
Molti degli effetti del Ca2+ sono
mediati dalla proteina calmodulina
Il complesso Ca2+/calmodulina attiva una
varietà di proteine bersaglio, incluse le
proteina chinasi Ca/calmodulinadipendenti (CaM-chinasi)
Fosforilazione di CREB nello stesso sito
di PKA
EFFETTI MEDIATI DA RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G:
- L’attivazione dell’adenilato ciclasi, tramite la
produzione di AMP ciclico, porta all’attivazione
della PROTEINA CHINASI A (PKA).
- L’attivazione della fosfolipasi C, tramite la
produzione di diacil glicerolo, inositol-trifosfato e rilascio di ioni Ca2+, porta
all’attivazione della PROTEINA CHINASI C
(PKC) e delle CaM-chinasi.
- AMP ciclico, IP3, DAG e ioni Ca2+ sono definiti
secondi messaggeri.
Ore 14-15 lunedì/mercoledì II piano V clinica medica
[email protected]
