La segnalazione intercellulare. L evoluzione degli organismi multicellulari dipende dalla capacità delle cellule di comunicare una con l altra.

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1 La segnalazione intercellulare L evoluzione degli organismi multicellulari dipende dalla capacità delle cellule di comunicare una con l altra. La comunicazione intercellulare regola lo sviluppo e l organizzazione dei tessuti, controlla la crescita e la divisione cellulare, la loro sopravvivenza e coordina le diverse attività cellulari. La comunicazione intercellulare negli animali superiori è complessa, suggerendo che molti geni in questi organismi siano coinvolti nel suo controllo e coordinazione. Discuteremo soprattutto dei meccanismi di comunicazione indiretti, cioè mediati da segnali chimici secreti, dette molecole segnale.

2 Tre strategie di segnalazione chimica: paracrina, sinaptica ed endocrina Molte cellule secernono una o più molecole segnale,che funzionano come mediatori chimici locali Le cellule nervose secernono i neurotrasmettitori, mediatori chimici a corto raggio, che agiscono nelle sinapsi Le cellule endocrine secernono gli ormoni che influenzano cellule bersaglio anche molto lontane

3 La segnalazione autocrina: alcune cellule secernono una o più molecole segnale, che funzionano come mediatori chimici locali sulle cellule stesse.

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5 Per trasmettere informazioni agli organi, l'organismo, oltre che del sistema nervoso, si serve di speciali sostanze chimiche, gli ormoni, prodotte da particolari ghiandole dette endocrine. A differenza del sistema nervoso, dove le informazioni sono trasmesse molto rapidamente, l'apparato endocrino agisce lentamente. Gli ormoni che si diffondono nel sangue necessitano di 5-10 secondi per scatenare il primo effetto. Normalmente, agiscono nell'arco di 30 minuti fino a tre ore, mentre alcuni, come l'ormone della crescita, da effetti che sono visibili solo dopo alcuni mesi.

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7 Gli ormoni diffondono a lunga distanza attraverso il sangue, dove si diluiscono. Agiscono a bassa concentrazione (10-8 M) I neurotrasmettitori si riversano nelle sinapsi a concentrazioni elevate (5 x 10-4 M)

8 Ormoni Sostanze presenti a concentrazioni molto basse ( M) Generano alterazioni intracellulari Agiscono attraverso recettori e secondi messaggeri

9 Interazioni ormone-recettore Analoghe a quelle substrato-enzima: Saturabili Michaelis-Menten Altissima affinità (KD= M) Specificità alta ma non assoluta Cinetiche di ordine zero: La risposta dipende dalla densità dei recettori e non dalla concentrazione di ormone (NON SEMPRE)

10 Inibitori Agonisti: analoghi dell ormone, ne imitano l attività biologica Isoproterenolo (farmaco per asma), imita catecolamine, favorisce il rilascio dei muscoli bronchiali Antagonisti: analoghi dell ormone, ne bloccano l attività biologica Propranololo (farmaco per cardiopatie), blocca recettori adrenergici nei vasi sanguigni

11 Classificazione funzionale degli ormoni Endocrino: origina in una ghiandola e agisce su una cellula-bersaglio distante Paracrino: origina in una ghiandola e agisce su una cellulabersaglio contigua Autocrino: agisce sulla stessa ghiandola nella quale origina Feromone: trasmesso tra cellule di organismi differenti

12 Le molecole segnale possono essere: Idrosolubili: tutti i neurotrasmettitori, la maggior parte degli ormoni e dei mediatori chimici locali. Sono idrofilici per cui non possono attraversare la membrana plasmatica e interagiscono quindi con le cellule rimanendo all esterno. Liposolubili: gli ormoni steroidei e tiroidei. Sono idrofobici ed attraversano il doppio strato lipidico.

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14 Gli ormoni idrosolubili viaggiano nel sangue e raggiungono le cellule bersaglio. Gli ormoni liposolubili viaggiano nel sangue legati a proteine di trasporto, e questo determina anche la loro emivita nel sangue Innescando una cascata di eventi in risposta, alterando comunque l espressione genica.

15 Ormoni con struttura ad anelli steroidei: sono sintetizzati a partire dal colesterolo

16 Steroidi Sono esteri del colesterolo o altri steroli con acidi grassi Il colesterolo è il principale sterolo di origine animale Si ritrova: nelle membrane cellulari nel sangue (HDL e LDL) e precursore degli ormoni steroidei, degli acidi biliari e precursore della vitamina D

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18 Gli ormoni steroidei possono essere divisi in due classi: gli ormoni sessuali e progestinici e gli ormoni surrenalici.

19 Colesterolo Ormoni steroidei C Ciclopentano peridrofenantrene 21 atomi C 6 atomi C

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21 Biosintesi degli ormoni steroidei Colesterolo Pregnenolone 17-OH pregnenolone deidroepiandrosterone Progesterone 17-OH progesterone Androstenedione 11-deossi corticosterone 11-deossi cortisolo Testosterone Corticosterone Aldosterone Mineralocorticoidi, 21C Cortisolo Glucocorticoidi, 21C Estradiolo Androgeni,19C Estrogeni, 18C

22 Secrezione degli ormoni steroidei Non immagazzinabili, liberati nel plasma appena sintetizzati Liposolubili, richiedono proteine di trasporto: Glucocorticoidi: α-globulina (la sua presenza determina la permanenza in circolo), il cortisolo ad es. si lega ad una gl. Sierica: la transcortina, con una vita media di 60-70min Mineralcorticoidi: albumina (rapidamente eliminati), ad es l aldosterone che non si lega efficacemente alle gl. Siericheha vita media20min Androgeni: captati da gonadi e trasformati in altri ormoni sessuali Il livello di ormone circolante è determinato da Velocità di sintesi Presenza della proteina di trasporto Semivita nel plasma più lunga degli ormoni non-steroidei e nontiroidei (non hanno proteine di trasporto)

23 La biosintesi e il catabolismo degli ormoni steroidei avviene nel fegato. Il catabolismo prevede reazioni che ne riducono l attività biologica e ne aumentano la idrosolubità, in modo da favorirne l escrezione urinaria. Ci sono anche reazioni di coniugazione (glucuronidi e solfati) che hanno lo stesso effetto. La secrezione degli ormoni steroidei viene fatta monitorandone l escrezione urinaria (clearance)

24 Ci possono essere eccezioni ad es. il testosterone può essere convertito in estradiolo ad opera dell aromatasi; oppure ridotto dalla 5a-reduttasi a diidrotestosterone, una forma per cui il recettore per gli androgeni mostra massima affinità.

25 Gli ormoni polipeptidiciche stimolano biosintesi e secrezione degliormoni steroidei interagiscono con recettori di membrana che talvolta implicano come secondi messaggeri camp Ca +2 e IP 3. Un aumento di camp secondaria alla stimolazione della ghiandola da ormoni polipeptidici (ACTH) agisce a breve (sec, min) e lungo (ore) termine. A breve termine: mobilizzazione del colesterolo dal citosol al mitocondrio; a lungo termine produzione di proteine coinvolte nella produzione che mantengono l aumento nel tempo, ad es la proteina regolatrice della steroidogenesi StAR che trasferisce il colesterolo dalla membrana esterna mitocondriale a quella interna.

26 Svolgono ruoli legati: allo sviluppo, alla maturazione ed al funzionamento di organi e tessuti connessi con la riproduzione e agiscono su organi e tessuti non direttamente connessi con la riproduzione (caratteri sessuali secondari)

27 Complesso Recettore/inibitore

28 INSULINA GLUCAGONE

29 Pancreas endocrino ISOLE DEL LANGERHANS: Cellule β= Insulina Cellule α= Glucagone Cellule δ= Somatostatina Cellule PP= Polipeptide pancreatico.

30 Fasi biosintetiche dell insulina: Precursore: PRE-PRO-INSULINA PRO-INSULINA: catena B NH2- terminale, una catena A COOHterminale, peptide di connessione, PEPTIDE C Nel REG: azione delle endopeptidasi che tagliano il peptide C, generando la forma matura dell INSULINA L insulina matura ed il peptide C vengono impacchettati nel Golgi nei granuli secretori

31 Maturazione di insulina + peptide C Pre-pro-insulina Pro-insulina Pro-insulina 5% Reticolo endoplasmico Insulina + C Apparato di Golgi Insulina + C 95% Circolazione

32 Meccanismi di controllo della secrezione dell insulina Fattori positivi: * Elevate concentrazioni di glucosio *Aminoacidi e acidi grassi Fattori negativi: * Stimolazione alfa adrenergica * Ipoglicemia * Somatostatina

33 Ormoni pancreatici: insulina, glucagone e somatostatina Pancreas Aumenta il glucosio ematico Cellule α Glucagone Cellule β Insulina Diminuisce il glucosio ematico Fegato Glicolisi Gluconeogenesi Glicolisi Gluconeogenesi Glucosio Glicogeno Glucosio Glicogeno

34 Insulina Cellule β delle isole di Langerhans Agonisti α-adrenergici inibiscono Agonisti β-adrenergici e i derivati della sulfonilurea (tolbutammide) stimolano Fortemente conservata: insulina bovina e suina usabili nell uomo Pro-insulina dà reazioni crociate con insulina Livello di peptide C discrimina insulina eso-ed endogena

35 glicemia Meccanismi di rilascio dell insulina

36 Recettore dell insulina

37 Recettore per insulina Risposte metaboliche veloci (tendenti a diminuire la glicemia) Aumento del trasporto di glucosio con GLUT-4 Aumento di glicolisi Inibizione di

38 Altri effetti di insulina Al 2001, l insulina era ritenuta alterare: L attivitàdi >50 proteine attraverso modificazioni covalenti L espressione di >100 mrna Essere responsabile: Principale responsabile del diabete Insulino-dipendente (10%, o giovanile, bassa secrezione di insulina) Non-insulino-dipendente (90% o dell etàadulta, bassa espressione del recettore)

39 Altri enzimi pancreatici Glucagone Antagonista di insulina Stimola gluconeogenesi e lipolisi Rallenta glicolisi Cellule α delle isole di Langerhans Secreto come pro-glucagone Agisce tramite recettori e camp Inattivato nel fegato Breve T 1/2 Somatostatina Cellule γ delle isole di Langerhans Inibisce la secrezione di insulina e glucagone Diminuisce la secrezione di gastrina Prolunga il tempo di svuotamento gastrico Rallenta l assorbimento intestinale degli zuccheri Riduce il passaggio dei nutrienti in circolo

40 GLUCAGONE (1) Sintetizzato dalle cellule αdel pancreas endocrino Polipeptide di 3.5 kda (29 aminoacidi) Lega un recettore associato alla proteina Gs (GCGR) IMPORTANTE: il muscolo non esprime GCGR

41 GLUCAGONE (2) Secrezione positiva: In risposta alla riduzione dei livelli glicemici Aumento dei livelli di glucosio ematico Principale ormone controregolatore

42 Trasduzione del segnale del glucagone

43 Effetti del glucagone nel fegato ORMONE CATABOLIZZANTE aumentata liberazione di glucosio glicogenolisi sintesi di glicogeno gluconeogenesi aumentata liberazione di amino acidi catabolismo proteico sintesi proteica

44 Effetti del glucagone nel tessuto adiposo aumentata liberazione di acidi grassi catabolismo dei grassi (lipolisi) sintesi di grassi

45 Catecolamine: Ormoni della midollare surrenale Tyr: precursore (anche Phe) mediano l adattamento allo stress Tyr idrossilasi: Reazione limitante DOPA, diidrossifenilalanina (carente in Parkinson) Passa la barriera emato-encefalica e funge da farmaco Dopammina: non passa la barriera emato-encefalica In caso di deficit: DOPA In caso di eccesso: metil-dopa Adrenalina e noradrenalina

46 CORTISOLO E DELL ADRENALINA

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48 SURRENE Ghiandole composte, in numero di due, situate in prossimità del rene. Sono costituite da due porzioni distinte: La corticale ha funzione steroidea. La midollare le cui cellule dette anche "cromaffini" secernono catecolamine.

49 Corteccia surrenale origine mesodermica zona glomerulosa aldosterone zona fasciculata cortisolo zona reticularis androgeni Midollare del surrene origine ectodermica (cresta neurale) catecolammine (20%) (80%)

50 La riduzione della glicemia rappresenta un fattore di stress per l organismo. La risposta allo stress ipoglicemico non coinvolge soltanto gli ormoni principalmente deputati al controllo glicemico (insulina e glucagone) ma anche gli ormoni coinvolti nella risposta agli stimoli stressanti (cortisolo e adrenalina). Cortisolo e adrenalina aumentano anche in risposta a stress non associati all ipoglicemia.

51 Ipotalamo PRODUZIONE CORTISOLO CRH (corticotropin release hormon), AVP (vasopress.) Ipofisi ACTH Corticosurrene Cortisolo Feed-back negativo Ritmo circadiano Picco mattutino, bassi livelli serali Stimoli:Stress, dolore,ipoglicemia

52 Ritmo circadiano della secrezione di cortisolo Ondata principale notturna (prima del risveglio): viene secreto il 50% del cortisolo giornaliero Sonno Cortisolo (nmoli l -1 ) Ora del giorno

53 CORTISOLO Il cortisolo é il principale glucocorticoide nell Uomo è un ormone steroideo con azione pressochè ubiquitaria, controlla le vie cataboliche ed anaboliche nell arco delle 24 h

54 TRASDUZIONE DEL SEGNALE DEL CORTISOLO In questo esempio il cortisolo può attraversare la membrana legandosi al recettore per i glucocorticoidi. Tale recettore è anche un fattore di trascrizione e legando il cortisolo migra nel nucleo e attiva la trascrizione di specifici geni. Cortisolo GR Nucleo

55 C I B O Effetti del cortisolo sul metabolismo Stimola la gluconeogenesi epatica a partire da amminoacidi determinando aumento della glicemia; Induce la sintesi degli enzimi della gluconeogenesi; Stimola il catabolismo proteico soprattutto a livello dei muscoli scheletrici; Stimola la lipolisi nel tessuto adiposo; STIMOLA INIBISCE

56 ECCESSO CORTISOLO SINDROME DI CUSHING: stanchezza, osteoporosi, diabete mellito tipo II, gastrite, IPERGLICEMIA, perdita di tono muscolare e cutaneo

57 ADRENALINA Sintesi delle catecolammine Sintetizzate dalla tirosina tirosina dopa dopamina norepinefrina epinefrina Immagazzinate all interno di granuli nelle cellule cromaffini Sintesi mantenuta dall ACTH e dalla stimolazione simpatica Il cortisolo attiva specificamente la N-metiltransferasi e stimola pertanto selettivamente la sintesi di epinefrina

58 RECETTORE DELL ADRENALINA Il recettore dell adrenalina è una proteina le cui 7 eliche attraversano la membrana, non attiva direttamente la risposta cellulare, ma un altra proteina di membrana, denominata proteina G composta da 3 unità monomeriche, la quale attiva un effettore, adenilato ciclasi, direttamente legato alla formazione del secondo messaggero camp che nel citosol stimola l azione di una proteina chinasi camp dipendente PKA che fosforila le proteine bersaglio cellulare

59 TRASDUZIONE DEL SEGNALE DELL ADRENALINA

60 Gli ormoni glucagone ed adrenalina attivano I recettori associati alle G-protein innescando la cascata del camp. Entrami gli ormoni sono prodotti in risposta a basse concentrazioni ematiche di glucosio. Il glucagone attiva la formazione di camp nel fegato. L adrenalina attiva la formazione di camp nel muscolo.

61 ADRENALINA L azione dell adrenalina serve per predisporre all azione in condizioni di emergenza (combatti o scappa). L azione a livello metabolico èanaloga a quella del glucagone ma si effettua soprattutto a livello muscolare. L azione sul metabolismo èmediata da un aumento di camp per stimolazione dell adenilato ciclasi. L azione è a livello del metabolismo glucidico e lipidico

62 Effetti dell adrenalina sul metabolismo Stimola la glicogenolisi epatica e muscolare; Inibisce la glicogenosintesi; Stimola la glicolisi e l accumulo di acido lattico a livello muscolare; Stimola la lipolisi a livello del tessuto adiposo.

63 AZIONE ADRENALINA Agisce principalmente su muscolo, tessuto adiposo e fegato

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68 I principali organi endocrini sono: - l ipofisi, - la tiroide, - il timo, - le paratiroidi, - il pancreas endocrino, - le ghiandole surrenali, - le ovaie e la placenta per le donne, - i testicoli per l uomo.

69 Tre sono i meccanismi fondamentali con cui risponde la cellula target: - Meccanismo mediato da camp - Meccanismo mediato da IP3/DAG - Aumento della biosintesi proteica