MECCANISMI DI COMUNICAZIONE CELLULARE

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1 MECCANISMI DI COMUNICAZIONE CELLULARE

2 La COMUNICAZIONE CELLULARE è cruciale negli organismi multicellulari - serve a coordinare/organizzare le attività lo sviluppo dei vari organi/tessuti -Lo scambio di informazioni avviene mediante rilascio di segnali chimici e/o elettrici Le molecole segnale (ormoni, fattori locali e neurotrasmettitori) sono di varia natura: -proteine (insulina, glucagone, interferone, fattori di crescita e differenziamento, fattori di morte, ) -aminoacidi e derivati (Glu, GABA, glicina, noradrenalina ed adrenalina, serotonina, tiroxina), -lipidi o steroidi (testosterone, estradiolo, prostaglandine, acido arachidonico) -Gas (CO e NO=ossido di azoto contrazione muscolatura vasi sanguigni)

3 Struttura chimica di alcuni ormoni endocrini animali.

4 Le molecole segnale agiscono con un diverso raggio d azione

5 Il recettore è una proteina capace di riconoscere e legare specificamente e con alta affinità la molecola segnale (ligando) (affinità molto alta per ormoni endocrini che agiscono a conc bassissime) Interazione recettore-ligando funziona come interruttore molecolare che accende una certa via metabolica le funzioni cellulari si modificano in funzione del messaggio ricevuto recettore -di membrana (molecole segnale idrofiliche) -intracellulare (molecole idrofobiche)

6 I recettori intracellulari sono fattori trascrizionali in seguito all associazione con la molecola segnale si attivano e vanno a legare sequenze di DNA regolatore attivando/reprimendo espressione genica

7 recettori di membrana In seguito all associazione con le molecole segnale, i recettori innescano meccanismi di trasduzione del segnale dall esterno all interno della cellula Si scatenano così eventi biochimici che modificano varie funzioni cellulari (es espressione genica, attività metabolica, proliferazione, ecc) Ligando-recettore Trasduzione del segnale (modificazione di enzimi e proteine, variazione di concentrazione di ioni) Risposta cellulare

8 Fasi del passaggio della informazione durante la trasduzione del segnale

9 Fase di trasduzione del segnale da parte di recettori di membrana a) Recettore effettore modifica [secondo messaggero] b) Recettore modifica stato di proteina interna (spesso a e b insieme) Comunque sia, viene attivata una via di segnalazione interna basata su catena enzimi/proteine che operano in successione: ogni enzima modifica le proprietà dell enzima /proteina a valle nella sequenza fino a convergere su proteina bersaglio: coinvolta direttamente in specifico processo cellulare (es organizz. citoshceletro, trascrizione genica, cambio permeabilità di membrana, etc)

10 I meccanismi di trasduzione si basano su modificazioni delle attività di alcuni enzimi/proteine L attività enzimatica può essere modulata mediante modificazione chimica dell enzima cambi conformazionali Es fosforilazione/defosforilazione

11 La maggior parte delle vie di trasduzione si basa su attività di chinasi e fosfatasi La fosforilazione : aggiunta di gruppi fosfato può modificare la conformazione di una proteina influenzando sua attività, e/o localizzazione

12 I meccanismi di trasduzione si basano anche su modificazioni delle concentrazioni intracellulari di specifici ioni e/o piccole molecole Es variazione [Ca 2+ ] Il Ca funziona come secondo messaggero in varie vie di trasduzione del segnale Il Ca lega proteine Ca dipendenti modulandone attività

13 A sua volta il Ca ++ lega proteine calmoduline che regolano l attività di vari enzimi/proteine bersaglio Es: la calmodulina troponina C modula contrattilità dei filamenti nella fibra muscolare

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15 Variazioni di Ca controllano processo della fecondazione

16 Variazioni di Ca in una cellula nervosa

17 Ca è importante secondo messaggero anche nelle cellule vegetali: es apertura /chiusura degli stomi regolata da stato di turgore delle cellule guardia dipendente da conc di Ca intracellulare (Ca accumulato nel vacuolo)

18 Cellula stimolata chimicamente risponde con oscillazioni nella conc. intracell di Ca

19 Il sistema di trasduzione del segnale dipende dal tipo di recettore di membrana: 3 principali classi di recettore 1) Canale ionico 2) Associato a proteine G 3) Associato ad enzimi

20 Recettori associati a proteine G Legano ligandi sul lato extracell. e interag. con proteine G trimeriche su lato interno la subunità Gα si attiva legando GTP e a sua volta attiva altri bersagli Recettore ha struttura tipica con 7 α-eliche trans-membrana

21 La subunità α attivata (legante GTP) si dissocia dal trimero e interagisce con le proteine bersaglio (inizio della via segnalazione) lo stato attivato cessa con l idrolisi del GTP riassociazione nel trimero spegnimento automatico e attività temporalizzata Stato attivo Stato inattivo

22 proteine G Variazione conformazionale tra stato attivo e inattivo ciclo di attività con spegnimento automatico

23 Recettori associati a proteine G sono coinvolti nelle percezioni sensoriali: vista (rodopsina e latri recettori fotosensibili presenti nella retina), olfatto e gusto (recettori attivati da sostanza chimica specifica)

24 Molte vie di trasduzione attivano enzimi kinasi (PKA e PKC) che a loro volta, fosforilando enzimi target (Ser e Treo), modulano metabolismi vari Es attivazione di PKA (= proteina kinasi A) L enzima è attivato dal legame del camp sulle subunità regolative

25 Il camp è un nucleotide ciclico prodotto dall enzima adenilato ciclasi a partire da ATP L attività dell adenilato ciclasi è stimolata dalla Gα attivata

26 Es di via di trasduzione del segnale innescata da recettori associati a proteine G e che attiva PKA: Segnalazione da parte di glucagone su epatociti Glucagone segnala bassa glicemia Interazione col recettore attiva Gα attiva adenilato ciclasi camp attivazione di PKA che fosforila enzimi chiave del metabolismo del glucosio modulandone attività in modo da favorire glicogenolisi e quindi rilascio di Glu nel sangue

27 L omeostasi del Glu dipende da complesse comunicazioni intercellulari

28 L attivazione di adenilato ciclasi e PKA produce risposte cellulari diverse a seconda del tipo di tessuto Ad es in alcune cellule PKA fosforila il fattore trascrizionale CREB innescando una risposta cellulare a livellodi espressione genica

29 L aumento di camp ha varie conseguenze a livello cellulare Principio generale: Cellule diverse reagiscono diversamente allo stesso stimolo chimico (primo e/o secondo messaggero) Es stesso ormone (adrenalina); stesso recettore; camp PKA varie risposte

30 Ormoni ed effetti mediati da camp

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32 La PKC è attivata da recettori associati a proteine G che inducono l attività della fosfolipasi-c e l aumento degli ioni Ca La Gα attiva l enzima di membrana fosfolipasi C che scinde un lipide di membrana in DAG + IP 3 DAG attiva PKC IP 3 stimola apertura canali Ca Ca attiva PKC

33 Vari secondi messaggeri derivano da fosfolipidi di membrana tagliati da varie classi fosfolipasi (es fosfolipasi C genera IP3 e DAG dal lipide fosfatidil-inositolo (PI)

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35 Risposte mediate da IP3 e quindi variazioni di Ca citosolico

36 La produzione di secondi messaggeri (Ca++, camp, IP3, DAG ) permette l amplificazione del segnale originario con un meccanismo a cascata risposta cellulare efficace L amplificazione può avvenire a diversi livelli della via trasduzionale Amplificazione è maggiore per modulare metabolismi minore per attivazione/repressione genica

37 L ossido nitrico (NO) È prodotto nell endotelio in seguito a stimolazione di recettori associati a proteine G sulle cellule endoteliali diffonde verso muscolo rilassamento della muscolatura liscia dei vasi sanguigni NO: molecola rilasciata dai neuroni del pene induce vasodilatazione erezione. Sildenafil (VIAGRA) : inibitore della fosfodiesterasi di GMP ciclico (cgmp) che così rimane ad concentraz. per più tempo.

38 Le vie di trasduzione basate su camp e su IP 3 DAG sono bersaglio di tossine batteriche Tossina colerica, pertosse, tossina di alcuni ceppi di E. coli Proteina G sempre attiva Aumenta camp La via è senza controllo così come tutte le reazioni che scatena (es t. colerica: inibisce attività GTPasica di G attivazione permanente permeabilità di membrana alterata nell epitelio intestinale perdita liquidi disidratazione Mutazioni Attivano permanent. InsP 3 /DAG Divis.cell. rapida e incontrollata

39 Recettori associati ad enzimi Es. recettori tirosina kinasi: transmembrana monopasso con dominio citoplasmatico dotato di attiv.tyr kinasica. In seguito al legame con ligando dimerizzano e si fosforilano a vicenda (es recettori per vari fattori di crescita EGF, PDGF, NGF, ed insulina)

40 Dimerizzazione dei recettori tirosina kinasi: mediata da ligando bivalente o da recettori stessi

41 Una volta fosforilati i recettori richiamano sui domini citoplasmatici varie proteine (SH2) che innescano la trasduzione intracellulare del segnale

42 Ad es il recettore fosforilato può associarsi a proteina che attiva Ras (proteina G monomerica) Ras si attiva legando GTP e regola via segnalazione che controlla proliferazione e differenziamento cellulare

43 Ras innesca a cascata l attivazione di varie kinasi MAP fosforilazione di fattori trascrizionali e proteine che modulano espressione genica (MAP= mitogen activated protein kinase) Mutazioni di Ras provocano tumori Ras sempre attiva Attivazione permanente dei geni di proliferazione

44 Effetto di una mutazione dominante sul recettore Tyr chinasi per FGF FGF: fattore di crescita dei fibroblasti. FGFR: ruolo importante nello sviluppo delle cellule del mesoderma muscolo, cartilagine, precursori colonna vertebrale. Embrione di rana: normale e Mutante: con solo testa, senza corpo.

45 Il recettore per insulina è un tipo peculiare di recettore associato ad enzima Non lega direttamente proteine SH2 ma proteine di attracco IRS che poi legano le proteine SH2

46 Alto Glu ematica stimolazione IR in muscolo e adipociti via di segnalazione che porta trasportatori Glut sulla membrana plasmatica mediante esocitosi : assorbimento di Glu (trasporto facilitato)

47 Recettori canale Recettori canale si aprono/chiudono in seguito al legame con molecola-segnale alterano polarità di membrana. Es recettore nicotinico dell acetilcolina sulle giunzioni neuromuscolari. Depolarizzazione indotta dall apertura del canale fa aprire anche canali Na ulteriore depolarizzazione apertura canali Ca del reticolo sarcoplasmatico contrazione miofibrille

48 La contrazione del miocardio è innescata dall ingresso di Ca attraverso canali a controllo di potenziale Ingresso di Ca nel citosol Aumento di Ca citosolica apertura canali membrana SER (recettori rianodinici) aumento ulteriore Ca citoslica contrazione Ritorno a stato inizialae grazie a pompe attive Ciclo si ripete ad ogni battito

49 Le varie vie di segnalazione, iniziate da diversi recettori, possono convergere e dialogare tra loro

50 La risposta recettoriale deve essere temporalmente definita meccanismi di spegnimento della risposta recettoriale -Molti elementi del sistema di trasduzione si autoinattivano (es G protein) o sono abbinati a sist. di spegnimento (camp fosfodiesterasi, pompe Ca, ) Esistono anche strategie di desensibilizzazione ad un certo stimolo Es endocitosi del recettore-ligando seguita da riciclo o degradazione del recettore (a-b) Intervento di proteina inibitrice sul recettore o su anello + a valle della via trasduzione (c-d) A volte la stessa via trasduzione attiva inibitore (e)

51 Esempio di desensibilizzazione: meccanismo che previene riposta a stimolo persistente (risposta a variazioni di stato) Il legame tra ligando e recettore fa sì che quest ultimo sia fosforilato da GRK legame con arrestina blocco via segnalazione