Membrana Plasmatica 20/12/2013 COMUNICAZIONE CELLULARE (2) Comunicazione Cellulare. Biotecnologie. Giunzioni comunicanti: gap junctions (1)

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1 COMUNICAZIONE CELLULARE (1) Membrana Plasmatica Comunicazione Cellulare (Seminario) Biotecnologie 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 COMUNICAZIONE CELLULARE (2) 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) 1

2 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. Recettori per le molecole di segnalamento Hanno due funzioni: Si legano ai ligandi (molecole di segnalamento) Trasducono il messaggio della molecola di segnalamento in un a risposta cellulare Trasduzione di segnale 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. 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. at the cellular level an introduction to signal transduction/ 2

3 5722/?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. 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. Kreuzer 3

4 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. 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 scatenando 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. 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 (IP 3 ) diacilglicerolo (DAG) Ca 2+ Segnali extracellulari Piccole molecole, come aminoacidi e loro derivati: Glutamato, glicina, acetilcolina, adrenalina, dopamina e ormoni tiroidei [neurotasmettitori, ormoni] Gas, come O 2, 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. 4

5 Una via semplice di segnalamento intracellulare attivata da una molecola di segnalamento extracellulare. Risposte diverse indotte dal neutrotrasmettitore acetilcolina 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. 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. Dipendenza della cellule animali da molteplici segnali extracellulari. 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) esegnali 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. 5

6 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) Azione degli ormoni steroidei Struttura degli ormoni steroidei, ormone tiroideo, vitamina D 3, e acido retinoico Gli steroidi includono gli ormoni sessuali (testosterone, estrogeni, e progesterone), glucocorticoidi, e mineralocorticoidi. Gli ormoni steroidei diffondono attraverso la membrane plasmatica e si legano a recettori nucleari, che stimolano direttamente la trascrizione dei geni bersaglio. Gli ormoni steroidei si legano al DNA sotto forma di dimeri. =objectonly 6

7 Molecole di segnalamento lipofobiche Non potendo entrare nelle cellule si legano a recettori sulla membrana cellulare delle cellule bersaglio Il tempo di risposta è rapido (millisecondi a secondi). Tipi di recettori 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 7

8 Trasduzione di segnale RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G TRIMERICHE 8

9 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 (P i ) 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 Traducono il legame di una molecola segnale extracellulare nell attivazione di proteine che legano il GTP [proteine G] Recettori accoppiati a protein G Sono caratterizzati di sette α eliche transmembrana

10 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 Cell Signalling Biology - Michael J. Berridge Proteina G trimerica (1) Proteina G trimerica (2) 10

11 Lo spegnimento di una subunità α di una proteina G mediante idrolisi del suo GTP legato Dopo che la subunità α di una proteina G ha attivato la sua proteina bersaglio, essa si autospegne tramite idrolisi del suo GTP legato a GDP. Questo processo inattiva la subunità α, che si dissocia dalla proteina bersaglio e si riassocia con il complesso βγ per riformare una proteina G inattica. Il legame con la proteina bersaglio di solito stimola l attività GTPasica della subunità α: questa stimolazione rapidizza enormemente il processo di inattivazione /?report=objectonly L attivazione o l inattivazione indotta da un ormone dell adenil ciclasi è mediate da subunità Gα attivatorie G sα (azure) o inibitorie G iα (marrone), respettivamente Recettori associati a proteine G Bersaglio: Adenilato Ciclasi 2 Messaggero: camp 11

12 ADENIL CICLASI La sintesi e degradazione dell AMP ciclico L AMP ciclico viene sintetizzato in una reazione catalizzata dall enzima adenil ciclasi, mediante una reazione di ciclizzazione che rimuove due gruppi fosfato sotto forma di pirofosfato. Un altro enzima, la pirofosfatasi controlla questa sintesi idrolizzando ulteriormente il pirofosfato rilasciato a fosfato (non illustrato). L AMP ciclico è instabile nelle cellule, dato che viene idrolizzato da una fosfodiesterasi specifica per formare 5 AMP. eport=objectonly Attivazione ormonale dell adenil ciclasi Il legame di un ormone promuove l interazione del recettore con una proteina G, La subunità α della proteina G attivata a questo punto si dissocia dal recettore e stimola l adenil ciclasi, che catalizza la conversion di ATP in AMP ciclico. BK21718/figure/A5791/ K21718/figure/A5791/ 12

13 Un esempio di una cascata di trasduzione del segnale che coinvolge l AMP ciclico. Il legame dell adrenalina (epinefrina) ad un recettore adrenergico inizia una cascata di reazioni all interno della cellula. La cascata di trasduzione di segnale inizia quando l adenil ciclasi, un enzima legato alla membrana, viene attivata da molecole di proteine G associate al recettore adrenergico. L adenil ciclasi crea molteplici molecole di AMP ciclico, che si disperdono e attivano proteine chinasi (ad esempio la PKA). Le proteina chinasi possono entrare nel nucleo e influenzare la trascrizione. Metabolic Responses to Hormone Induced Rise in camp in Various Tissues RUOLO DEI LIPIDI NEL SEGNALAMENTO Recettori associati a proteine G Bersaglio: Fosfolipasi C 2 MESSAGGERI: IP 3, DAG eca 2+ Il diacilglicerolo (DAG) rimane sulla membrana ed attiva la PKC. Viceversa, l inositolo 1,4,5 trisfosfato (IP 3 )é solubile e attiva dei recettori IP 3 nell reticolo endoplasmatico liscio, ER. Questi canali rilasciano Ca 2+ verso il citoplasma. Il Ca 2+ attiva oppure inibisce molte proteine. 13

14 Classi di fosfolipasi Le fosfolipasi A 1 e A 2 rompono i legami ester. Le fosfolipasi C e D rompono i legami fosfoester. Mobilizzazione del Ca 2+ da parte dell IP 3 Il Ca 2+ viene pompato dal citosol nel lume del reticolo endoplasmico liscio, che quindi funge da deposito di Ca 2+ intracellulare. L IP 3 si lega a recettori che sono canali per Ca 2+ a controllo di ligando nella membrane del reticolo endoplasmatico, così permettendo l efflusso di Ca 2+ verso il citosol

15 Chinasi ( Kinases ) (1) Trasduzione di segnale RECETTORI AD ATTIVITÀ TIROSINA CHINASICA 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. Recettori ad attività tirosina chinasica 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. 15

16 Ad ogni chinasi la sua fosfatasi Regolazione della fosforilazione di una proteina mediante la proteina chinasi A e la proteina fosfatasi 1 La fosforilazione di una proteina bersaglio svolta dalla proteina chinasi 1 viene rovesciata dall azione della proteina fosfatasi 1. Fosforilazione delle proteine Migliaia di proteine della cellule eucariotiche sono modificate dall aggiunta di gruppi fosfato. (A) La reazione generale, qui illustrata, si basa sul trasferimento di un gruppo fosfato dall ATP ad una catena laterale di un aminoacido mediata da una proteina chinasi. La rimozione del gruppo fosfato è catalizzata da un secondo tipo di enzima, una proteina fosfatasi. In questo esempio, il fosfato è aggiunto alla catena laterale di una serina; in altri casi, il fosfato viene invece aggiunto al gruppo OH di una treonina o di una tirosina sulla proteina. (B) La fosforilazione di una proteina mediata da una proteina chinasi può sia aumentare che diminuire l attività della proteina, a seconda del sito di fosforilazione e della struttura della proteina. 16

17 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 Recettori ad attività tirosina chinasica (2) gov/books/nbk9866/figu re/a2224/?report=object only Recettori ad attività tirosina chinasica (2) Ancoraggio di proteine di segnalamento intracellulari ad un recettore ad attività tirosina chinasica attivato. Il recettore attivato e le proteine di segnalamento che ad esso si collegano formano un complesso di segnalamento che può trasmettere i segnali lungo diverse vie di segnalamento

18 EPIDERMAL GROWTH FACTOR, EGF Recettore per l insulina Recettore per l EGF /lect11/fig jpg biology.com/wp content/uploads/2012/05/human Insulin Protein Structure 917x1024.jpg receptor.jpg Cinque vie di segnalazione attivate da recettori associate a proteine G, a recettori di tipo tirosina chinasi o a entrambi. 18