Ogni cellula, come ogni organismo pluricellulare, ha bisogno di sentire il suo ambiente e di rispondergli.

Transcript

1 Ogni cellula, come ogni organismo pluricellulare, ha bisogno di sentire il suo ambiente e di rispondergli. Le cellule di lievito rispondono al fattore di accoppiamento peptidico, prodotto da cellule vicine, emettendo un prolungamento in direzione del fattore (Shmoo, dal personaggio dei fumetti di Al Capp). In un organismo pluricellulare le cellule devono interpretare una moltitudine di segnali che ricevono da altre cellule per poter coordinare i rispettivi comportamenti. 1

2 L informazione può assumere diverse forme e la comunicazione comporta spesso la necessità di convertire un segnale informativo da una forma all altra ( trasduzione del segnale) La cellula segnalatrice produce un tipo particolare di molecola segnale, che viene individuata da un altra cellula bersaglio, la cellula recettore, capace di riconoscere il segnale e rispondere in modo specifico. I recettori hanno domini di riconoscimento (legano il ligando ormonale) e di accoppiamento (genera un segnale che accoppia il riconoscimento dell ormone ad alcune funzioni cellulari). I segnali possono avere efficacia a breve o a largo raggio. 1) Il messaggio a largo raggio adottato dagli organismi pluricellulari è inviato a tutto l organismo attraverso il sangue. Segnalazione ormonale ed endocrine sono le cellule che producono l ormone. 2) Messaggio meno generalizzato: segnalazione paracrina. Le molecole segnale diffondono localmente (mediatori locali). 3) Segnalazione neuronica i neuroni possono, come le cellule endocrine, inviare messaggi a notevole distanza. Neurotrasmettitore. 4) Segnalazione per contatto avviene per mezzo di molecole segnale posta sulla superficie delle rispettive membrane cellulari. Diverse modalita` di segnali ormonali 5. Segnalazione autocrina: le cellule possono produrre dei segnali a cui rispondono esse stesse. Le cellule tumorali, ad esempio, adoperano questa strategia per stimolare la propria sopravvivenza e la propria proliferazione. 2

3 Gli organismi pluricellulari più grandi e più complessi hanno bisogno di meccanismi di segnalazione a lungo raggio per coordinare il comportamento delle cellule nelle parti più distanti del corpo. Cellule nervose o NEURONI posseggono lunghe ramificazioni (ASSONI) che permettono loro di contattare cellule bersaglio molto lontane attraverso dei siti di trasmissione del segnale noti come SINAPSI CHIMICHE. Quando la cellula neuronica è attivata manda rapidamente impulsi elettrici (potenziale d azione) lungo l assone provocando, la secrezione alle terminazioni nervose di un NEUROTRASMETTITORE che consegnerà il messaggio legandosi alla cellula nervosa postsinaptica. Fig. B pag 917 Alberts Le cellule (CELLULE ENDOCRINE) secernono le loro molecole segnale (ORMONI) che attraverso il torrente circolatorio andranno ad agire su cellule bersaglio poste in qualsiasi parte dell organismo. Segnalazione endocrina più lenta: si basa sulla diffusione e sul flusso sanguigno Segnalazione neuronale: si basa sulla trasmissione di impulsi elettrici che riescono a viaggiare ad una velocità di 100 metri al secondo. Gli ormoni agiscono a concentrazioni molto basse essendo molto diluiti nel sangue (da 10-9 a M) sono perciò altamente affini al recettore Il neurotrasmettitore agisce invece a concentrazioni molto elevate 5 x 10-4 ed è quindi molto meno affine al suo recettore. La risposta neuronale è molto immediata e precisa infatti il neuro trasmettitore viene prontamente rilasciato dalla terminazione nervosa e rimosso velocemente da enzimi litici specifici. La risposta endocrina è più lenta di quella neuronale e diversa a seconda dell ormone. Più veloce se la risposta determina cambiamento di proteine già esistenti nel citoplasma più lenta se riguarda cambiamento dell espressione genica. 3

4 Le giunzioni GAP sono stretti canali pieni di acqua che connettono direttamente i citoplasmi di due cellule adiacenti. I canali permettono il passaggio di piccole molecole solubili in acqua da una cellula all altra. Importanti per diffondere mediatori intracellulari quali Ca ++ e AMP ciclico. La noradrenalina (neurotrasmettitore) stimola gli epatociti, in caso di ipoglicemia, a demolire il glicogeno per rilasciare glucosio nel sangue. Questo evento è determinato nel citoplasma dall AMP ciclico. Non tutte le cellule però sono innervate dalle fibre nervose del simpatico. Le giunzioni gap determinano il passaggio di camp da una cellula ad una cellula non innervata facendo si che tutte rispondano prontamente alla mancanza di glucosio nel sangue. Tutte le cellule dell organismo animale sono bersaglio di uno o più dei 50 ormoni conosciuti. Ogni ormone può influenzare i differenti tipi di cellule Più ormoni possono avere effetto sullo stesso tipo di cellula Ogni ormone può avere effetti differenti su i diversi tipi di cellule Ogni ormone può avere effetti differenti sulla stessa cellula Una cellula può essere programmata per rispondere ad una combinazione di segnali che ne determina il differenziamento, un altra combinazione che ne determina la moltiplicazione od altre funzioni che specializzano la cellula stessa. La cellula possiede un ampio corredo di recettori per differenti segnali (da qualche decina a qualche centinaio). Quando questi segnali agiscono insieme evocano risposte che vanno oltre la mera somma degli effetti di ogni segnale. Deprivate dei segnali necessari, quasi tutte le cellule vanno incontro a una specie di suicidio, noto con il nome di morte cellulare programmata o APOPTOSI. 4

5 Cellule diverse possono rispondere in maniera diversa alla stessa molecola segnale extracellulare. Il segnale, proveniente da un recettore di superficie, si trasmette all interno della cellula attraverso una serie di mediatori molecolari capaci di produrre effetti che sono però diversi da cellula a cellula. neurotrasmettitore Contribuiscono a preservare l omeostasi, che presiede all equilibrio delle attività biologiche dell organismo animale. Mediano la risposta agli stimoli esterni Esplicano una funzione sulla crescita e lo sviluppo dell organismo animale I recettori che siano di membrana o nucleari sono sempre PROTEINE 5

6 1. SOLUBILITA 2. COMPOSIZIONE CHIMICA E SINTESI 3. LOCALIZZAZIONE DEL LORO RECETTORE 4. NATURA DEL SEGNALE USATO PER MEDIARE LA RISPOSTA CELLULARE Gli ormoni del 1 gruppo essendo idrofobi sono associati a proteine di trasporto nel sangue ( o carrier) che prolungano la loro permanenza nel plasma. La percentuale di ormone legato rispetto a quello libero dipende dalla quantità, capacità e affinità di legare la proteina carrier. L ormone libero, biologicamente attivo, attraversa la membrana di tutte le cellule e si lega ad un recettore citosolico o nucleare solo della sua cellula bersaglio. Il complesso ligando recettore è considerato il messaggero cellulare Il secondo gruppo è costituito da ormoni idrosolubili che non hanno problemi nel trasporto ma non possono attraversare la membrana plasmatica altamente idrofobica. Questi ormoni si legano sulla superficie della membrana su specifiche proteine recettori che comunicano con i processi metabolici attraverso messaggeri cellulari generati in conseguenza del legame ormone recettore. Questi messaggeri cellulari detti secondi messaggeri (il primo è l ormone) sono molecole diverse quali AMP ciclico (camp), il GMP ciclico (cgmp), il Ca++ o i fosfoinositoli complessi o entrambi. 6

7 Gli ormoni sono sintetizzati da un enorme varietà di precursori chimici diversi. catecoammine Dal COLESTEROLO i glucocorticoidi, i mineralcorticoidi, gli estrogeni, i progestinici Alcuni ormoni derivano dall a.a. TIROSINA: le catecolammine e gli ormoni tiroidei; altri sono PROTEINE e GLICOPROTEINE di varie dimensioni. Gli ormoni sono sintetizzati in organi ben distinti, alcuni dei quali sono deputati esclusivamente a questa funzione altri organi possono invece possono avere funzioni diverse. Il COLESTEROLO è il precursore dei vari ORMONI STEROIDEI Il PROGESTERONE prepara la mucosa endometriale per l impianto di una cellula uovo ed è importante anche per il mantenimento della gravidanza. Gli ANDROGENI, come il testosterone, sono responsabili dei caratteri secondari sessuali maschili Gli ESTROGENI, come l estrone, dei caratteri secondari femminili Gli estrogeni insieme al progesterone partecipano al ciclo ovarico. I GLUCOCORTICOIDI, come il cortisolo, stimolano la gluconeogenesi, la sintesi del glicogeno favoriscono la degradazione dei grassi e delle proteine e inibiscono la risposta infiammatoria. Consentono agli animali di rispondere agli stress. SE NE PENTIRANNO!!! ( IO HO IL COLESTEROLO ALTISSIMO ) Il colesterolo è presente nei tessuti e nel plasma sia in forma libera che legata agli acidi grassi come colesterilestere. Nel sangue entrambe le forme sono trasportate dalle lipoproteine. Poco più della metà del colesterolo deriva dalla sintesi de novo, il resto è di origine alimentare. Il 10% circa è sintetizzato dagli epatociti ed il 15% dalle cellule intestinali. La sintesi avviene al livello citoplasmatico a partire da acetil-coa ma anche nel reticolo endoplasmatico. L acetil-coa generato nei mitocondri è trasportato nel citoplasma in forma di citrato. 7

8 Il colesterolo è un lipide di primaria importanza delle membrane cellulari degli animali, dove partecipa alla modulazione della fluidità della membrana stessa. Negli animali viene utilizzato anche come precursore di tutti gli ormoni steroidei, della vitamine D e degli acidi biliari, che concorrono alla digestione dei grassi. tutti gli atomi di carbonio derivano dall acetato Il processo di sintesi può essere diviso in 5 stadi -3 molecole di acetato danno un composto isoprenoide: MEVALONATO Sei unità isopreniche formeranno lo squalene molecola che contiene 30 atomi di carbonio 8

9 Reazioni identiche a quelle utilizzate nella CHETOGENESI CITOSOL e RETICOLO ENDOPLASMATICO MITOCONDRI PRIMA reazione che indirizza verso la sintesi di colesterolo e punto di REGOLAZIONE più importante Sintesi dello squalene da mevalonato Il mevalonato è attivato attraverso tre fosforilazioni successive a ISOPENTIL PIROFOSFATO, C 5. Una molecola di questo composto isomerizza producendo DIMETILALLIL PIROFOSFATO che con il primo reagisce formando il GERANIL PIROFOSFATO, C 10 PPi 9

10 membrana reticolo endoplasmatico Il geranil pirofosfato reagisce con un altra molecola di ISOPENTIL PIROFOSFATO per dare il FARNESIL PIROFOSFATO, C 15 Attraverso la perdita del pirofosfato, riduzione e condensazione di due molecole di farnesil-pirofosfato, si ha la formazione dello SQUALENE C 30 RETICOLO ENDOPLASMATICO Ciclizzazione dello squalene a LANOSTEROLO e sua conversione a COLESTEROLO Una famiglia di farmaci nota come STATINE è efficace nell abbassare i livelli di colesterolo nel sangue. Le STATINE agiscono inibendo HMG-CoA reduttasi enzima che regola la vie di sintesi del colesterolo 10

11 Gli ormoni steroidei vengono immagazzinati dopo la sintesi per essere poi rilasciati. I livelli di ormoni circolanti sono determinati a monte da segnali che provengono dal cervello. Molti composti di sintesi con attività simile agli ormoni steroidei sono stati studiati ed utilizzati farmacologicamente. Il dietilstilbestrolo è stato ampiamente utilizzato per ridurre la crescita dei vitelli, fino a quando non si è scoperto che il composto era un potenziale cancerogeno. I MINERALCORTICOIDI, quali l aldosterone, agiscono sui tubuli distali del rene aumentando il riassorbimento di Na + e l escrezione di K + e H + con conseguente aumento del volume e della pressione del sangue. PRINCIPALI SITI DI SINTESI IL CORPO LUTEO per i progestinici TESTICOLI per gli androgeni Le OVAIE per gli estrogeni La CORTECCIA SURRENALE per i glucocorticoidi e i mineralcorticoidi L aggiunta di gruppi ossidrilici ha un ruolo importante sia nella sintesi del colesterolo a partire dallo squalene che nella sintesi degli ormoni steroidei a partire da colesterolo. Questo tipo di reazioni richiedono NADPH e O 2, e gli enzimi che catalizza la reazione sono chiamati MONOOSSIGENASI (o ossigenasi a funzione mista). L ossidrilazione richiede l attivazione dell ossigeno catalizzata da enzimi che fanno parte di una grande famiglia di CITOCROMO P450 (assorbono la luce a 450 nm di lunghezza d onda quando reagiscono con il CO). L ossigeno di lega al gruppo eme di queste proteine, mentre il NADPH serve per ridurre il gruppo prostetico flavinico che a sua volta trasferisce gli elettroni all ADRENODOSSINA (ferroproteina non emica). L adrenodossina utilizza un elettrone per ridurre la forma ferrica del citocromo P

12 Il sistema citocromo P450 è diffuso in tutto l organismo animale e si trova soprattutto nel RE delle cellule del fegato e dell intestino tenue dove gioca un ruolo essenziale nella detossificazione delle sostanze xenobiotiche. Anche la durata d azione di molti farmaci dipende dalla velocità di inattivazione da parte di queste proteine. I sistemi mitocondriali del citocromo P 450 si trovano in tutti i tessuti steroidogeni corteccia surrenale, testicoli, ovaie e placenta e sono in relazione alla sintesi a partire da colesterolo. La prima reazione consiste nella rimozione di una unità a sei atomi di carbonio, per formare PREGNENOLONE 12

13 Importantissimo per lo sviluppo del comportamento sessuale maschile e per lo sviluppo della massa muscolare (STEROIDE ANABOLIZZANTE) Anche gli ORMONI SESSUALI sono sintetizzati a partire da PREGNENOLONE, che viene convertito in progesterone. La formazione dell anello aromatico è catalizzata dall enzima P450 AROMATASI Tre ormoni amminici: DOPAMMINA, NOREPINEFRINA (NORADRENALINA) ED EPINEFRINA (ADRENALINA) sono sintetizzati a partire da TIROSINA nelle cellule cromoaffini della midollare del surrene. 20% di adrenalina prodotta dal surrene 80% di noradrenalina è prodotta dalle terminazione assoniche dei nervi simpatici. La tirosina ossidrilasi è l enzima che determina la velocità di sintesi delle catecolammine. Il meccanismo più importante di regolazione di questo enzima è per retroinibizione del prodotto ormonale. Questi ormoni non potendo attraversare la barriera ematoencefalica del cervello devono essere sintetizzati in situ. Il morbo di Parkinson è caratterizzato dalla carenza di questi ormoni nel cervello Gli ormoni triiodiotiranina (T 3 ) e di tetraiodiotironina (T 4 ) richiedono per la loro sintesi un elemento raro, lo IODIO, inoltre sono sintetizzati nella tiroide come parte di un precursore più grande, la TIREOGLOBULINA per essere immagazzinati in una riserva intracellulare, il COLLOIDE. La tiroide deve sintetizzare la TIRONINA dalla TIROSINA attraverso una sintesi che avviene sulla TIREGLOBULINA. La TIREOGLOBULINA è una proteina dimerica che contiene 115 residui di tirosina che possono essere tutti iodati. Il 70% dello iodio è legato a precursori inattivi, MONOIODIOTIRONINA (MIT) e DIIODIOTIRONINA (DIT) il restante 30% come T 3 e T 4. Quando lo iodio della dieta è sufficiente il rapporto T4/T3 è 7:1 diventa più basso quando lo iodio è insufficiente stessa cosa nel rappoto DIT/MIT. La TIREOGLOBULINA è sintetizzata nella porzione basale della cellula per muoversi verso la colloide dove viene accumulata). Quando arriva lo stimolo da parte dell ormone FOLLICOLOSTIMOLANTE (TSH) la colloide diffonde nel citoplasma dove viene inglobata nei lisosomi. Varie proteasi lisosomiali staccano il T3 e i T4 che verranno espulsi nel sangue. 13

14 La maggior parte degli ormoni peptidici viene sintetizza come molecola precursore più grande e conservata nella cellula di origine, per avere un meccanismo che controlli la quantità disponibile di ormone attivo. Questo ormone ha una struttura eterodimerica AB, con un ponte disolfuro intracatena e due intercatena. L insulina è sintetizzata come preproormone (PREPROINSULINA), con pm. Di 11,5 Kda, che diventa PROINSULINA con la perdita di un fattore segnale, una sequenza di 23 a.a., dette pre-sequenza o sequenza leader, che ha il compito di dirigere la molecola proteica all interno del reticolo endoplasmatico ruvido. Nella proinsulina le catene A e B sono connesse dal peptide C. A questo punto una serie di idrolisi sito specifiche del peptide determinano la formazione equimolare di insulina e peptide C. 14

15 L ormone parotideo (PTH) costituito da 84 a.a., come l insulina, è sintetizzato come prepro PTH con sequenza leader (altamente idrofobica) e una sequenza C terminale. La sintesi e la secrezione del PTH sono regolate dalla concentrazione di calcio nel sangue. Una diminuzione di calcio determina un aumento della sintesi e secrezione dell ormone. Le catecoammine anche se sintetizzate nella forma attiva, sono accumulate nei granuli delle cellule cromoaffini della midollare del surrene. Sono poi liberate dalle cellule mediante un processo di esocitosi, dopo che la cellula è stata raggiunta da un appropriato stimolo. Anche l ormone paratiroideo è accumulato in vescicole di riserva anche se l 80% del propth sintetizzato è degradato prima di entrare nelle vescicole, quando i livelli di Ca ++ nelle cellule parotidee sono alti L insulina è immagazzinata nelle cellule β del pancreas unità di insulina al giorno sono secrete nel sangue. Il T3 e T4 sono immagazzinati come riserva nella TIREOGLOBULINA accumulata nella colloide del lume delle cellule follicolari della tiroide Gli ormoni idrofobici soprattutto quelli steroidei e tiroidei sono trasportati da proteine plasmatiche specializzate che assolvono a diversi compiti: 1.Solubilizzare l ormone e distribuirlo alle cellule bersaglio 2.Costituire una riserva circolante di ormone 3.Gli ormoni legati a proteine di trasporto non essendo metabolizzabili allungano il loro tempo di dimezzamento (t ½ ) nel plasma Gli ormoni idrofili che non richiedono trasportatori proteici, sono liberi nel plasma ed hanno tempi di dimezzamento molto brevi L affinità dell ormone per la proteina di trasporto è molto importante visto che solo la forma libera è biologicamente attiva. Solitamente la concentrazione di ormone libero nel sangue è molto bassa. Proteine di trasporto e recettori legano entrambe l ormone, ma le caratteristiche sono DIVERSE. 15

16 ORMONI TIROIDEI GLUCOCORTICOIDI ORMONI GONADICI globulina legante la tiroxina Transcortina e albumina Β-globulina legante gli ormoni sessuali Il T 3 e il T 4 sono trasportati da una globulina legante la tiroxina (TBG). la proteina ha una affinità maggiore per il T 4. Il tempo di dimezzamento è maggiore per il T 4 Poiché solo l ormone libero possiede attività biologica, a dispetto della maggiore concentrazione totale dei due ormoni (T 3 >T 4 ), la frazione libera dei due ormoni è all incirca uguale. Poichè il T 3 è biologicamente più attivo del T 4, la maggior parte dell attività biologica può essere attribuita al T 3 Il segnale che scatena la formazione da parte di cellule endocrine dei diversi ormoni è determinato da un segnale neurale La regolazione ormonale coinvolge una gerarchia di tipi cellulari che agiscono gli uni su gli altri, sia per stimolare che modulare il rilascio degli ormoni. La secrezione da parte delle cellule endocrine è determinata da segnali chimici provenienti da cellule regolatrici, che occupano una posizione più elevata in questa gerarchia Il sistema nervoso centrale riceve segnali da molti sensori interni ed esterni ed orchestra la produzione di appropriati segnali ormonali da parte dei diversi tessuti endocrini del corpo. 16

17 Nei mammiferi il coordinatore principale è l IPOTALAMO L IPOTALAMO riceve ed elabora gli impulsi sensori provenienti dall ambiente attraverso il SISTEMA NERVOSO CENTRALE Producendo ormoni regolatori ipotalamici FATTORI DI RILASCIO che agiscono sull IPOFISI anteriore. Questi ormoni vanno direttamente, attraverso i vasi sanguigni all ipofisi anteriore o, attraverso i neuroni all ipofisi posteriore. L ipofisi stimolata dall ipotalamo determina il rilascio di specifici ormoni che agiscono direttamente sulle cellule bersaglio o su altre ghiandole endocrine. L IPOFISI POSTERIORE contiene delle terminazioni assoniche che fanno capo all ipotalamo. Questi neuroni producono piccoli ormoni peptidici: OSSITOCINA e VASOPRESSINA che muovendosi lungo l assone giungono alle terminazioni nervose dove sono accumulati i GRANULI in attesa di un segnale che determini il loro rilascio. L IPOFISI ANTERIORE risponde agli ormoni ipotalamici trasportati dal sangue producendo ORMONI TROPICI o TROPINE. Questi ormoni a loro volta attivano un successivo gruppo di ghiandole endocrine a secernere specifici ormoni, che buttati nel sangue andranno a legare specifici recettori di cellule bersaglio. 17

18 L azione ormonale è autolimitante a causa dell esistenza di meccanismi a feedback IPOTALAMO Le cellule ipotalamiche contengono dei recettori dei glucocorticoidi che percepiscono i livelli di glucocorticoidi circolanti prodotti a seguito della stimolazione della corticale del surrena CORTICALE DEL SURRENE IPOFISI ANTERIORE Β-corticotropina ACTH Fattori di rilascio della corticotropina cortisolo Ognuna di queste tappe della cascata ormonale può essere soggetta ad inibizione retroattiva ad opera delle tappe che la precedono. Questi meccanismi a feedback raggiungono lo stesso fine dei meccanismi allosterici che regolano il flusso delle vie metaboliche 18

19 Ogni livello della cascata innesca una risposta più ampia: L ipotalamo rilascia pochi NANOGRAMMI di ormone che determina il rilascio di MICROGRAMMI di corticotropina che a sua volta determina sulla corteccia surrenale il rilascio di milligrammi di cortisolo. 19