Messaggeri proteici e Recettori di membrana: Meccanismi di trasduzione del segnale

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1 Messaggeri proteici e Recettori di membrana: Meccanismi di trasduzione del segnale Figure e tabelle: Becker et al. ; Il mondo della cellula EdiSES Wolfe, Biologia molecolare e cellulare - EdiSES

2 Le cellule possono ricevere segnali chimici di tipo diverso La differenza principale tra queste classi di molecole segnale riguarda la distanza che la molecola deve percorrere prima di incontrare la cellula bersaglio. Es.: i fattori di crescita sono rilasciati localmente e agiscono solo sui tessuti vicini.

3 Superficie cellulare e comunicazione intercellulare Grazie all azione di questa interfaccia di contatto Inviare o ricevere segnali chimici e fisici Comunicazione fra cell. Riconoscimento cell. Glicolipidi e glicoproteine di membr. Nome e indirizzo Adesione altre cell. o sost. spazi extracell. Glicoproteine Recettori Glicoprot. membr. Endocitosi mediata da recettori Legano molecole segnale quale ormone peptidico o neurotrasmettitore Correzione reazioni metaboliche Regolazione frequenza di processi come secrezione e div. cell. Controllo sulla crescita e attività cell.animali Durante lo sviluppo mantenimento associazione cell. nell adulto riconoscimento e rigetto immunitario Interaz. tra singole molecole di glicop. su cell. adiacenti o tra cell. e matrice extracell. Altre modalità di adesione Giunzioni cellulari

4 Gruppi sanguigni Marcatori di natura Glicolipidica e Glicoproteica di superficie Differenze nel gruppo glucidico glicoforina (Sia regione glicopr. che glucidica) Amminozucchero N-aceti-galattosam. A B AB 0 galattosio Il legame provoca Entrambi i glucidi Nessuno dei due Gruppi sanguigni M e N glucidi Recettori di superficie e meccanismi di risposta recettoriale Segnalazione fra cell. eucariotiche Recettori di superficie o att.cell.di trasp. Inizio divis.cell. secrezione Movim. Cell. Metabolismo ossidativo Glicoproteine di membr. Riconoscono ed interagiscono con molecole segnale circolante nel mezzo extracell. Ormone peptidico-fattori di crescitaneurotrasm.

5 Caratteristiche della risposta recettore-segnale Recettori di superficie (Centinaia o migliaia sulla superf.cell.) Glicoproteine che attraversano la membr. e hanno regioni che si estendono da entrambi i lati della membr. Regione che sporge verso l esterno Differenti tipi di cellule contengono combinazioni di recettori Possono variare con i tumori Possono variare nel tempo Così reagiscono individualm. soltanto ad alcune delle molecole circolanti Interagisce e si lega con ormone neurotrasmettitore Transizione conform. del recettore Attivazione di un dominio catalitico situato nella regione della prot. volta verso il citopl. Inizia o catalizza una reazione I passo di una serie di reazioni

6 Grazie ai meccanismi di risposta recettoriale: A) Gli ormoni, fattori di crescita, neurotrasmett. (ligandi) non entrano nella cellula. B) Se il ligando è dirett. iniettato nella cellula Non si ha risposta C) Il recettore con il ligando non devono essere internalizzati rimane al suo posto I meccanismi di risposta sono in numero relativ. piccolo nonostante la grande varietà di ligandi

7 Quando i meccanismi risposta-recettore si innescano I recettori e le molecole segnale Rimossi per endocitosi Degradati nei lisosomi Recettore (separato dalle molec.segnale) Riutilizzato

8 Fasi del passaggio della informazione durante la trasduzione del segnale La capacità del recettore di distinguere il suo ligando specifico tra migliaia di altre molecole dipende dalla combinazione di queste due caratteristiche del sito di legame: la forma e la posizione strategica delle catene laterali amminoacidiche al suo interno.

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10 Il rapporto fra la concentrazione del ligando in soluzione e il numero di molecole di R. occupate costituisce una descrizione qualitativa della affinità del recettore. Kd (costante di dissociazione) = concentrazione di ligando libero necessaria a saturare metà siti di legame del R. Kd ci dice quale è la concentrazione di ligando in grado di indurre risposta cellulare (tra 10-4 e 10-9 mm). I R. rispondono non tanto a una determinata concentrazione di ligando, ma piuttosto a variazioni della sua concentrazione.

11 Quando la presenza del ligando e l occupazione dei recettori persistono per un certo periodo di tempo, la cellula va incontro a un processo di adattamento e cioè si desensibilizza e non risponde più al ligando. La desensibilizzazione, o down-regolazione del recettore, è dovuta a modifiche delle proprietà o della localizzazione cellulare del R. e può avvenire per: -rimozione del recettore dalla superf. cell. (per endocitosi) -modifiche (per lo più fosforilazioni) del R. che A) ne riducono l affinità o B) ne abbassano la capacità di indurre modificazioni di alcune funzioni cell. La desensibilizzazione è alla base della tolleranza, es: spray nasali.

12 Ci sono farmaci che attivano o inibiscono determinati recettori. Famotidina lega e inibisce un tipo di recettore istaminico controlla l acidità dello stomaco. Il legame al recettore attiva all interno della cellula una sequenza di eventi di trasduzione del segnale. Le alterazioni più frequentemente indotte dall interazione con il ligando sono modifiche conformazionali del R. o aggregazione di più molecole di R. R. sulla membrana plasmatica: - R. associati a proteine G - R. associati a protein- chinasi.

13 Struttura dei recettori associati a proteine G. Più diffusi 7 α-eliche trans-membrana 1% DNA codifica per le protein-chinasi

14 Esistono 2 tipi di proteine G: - Prot. G grandi eterotrimeriche - Prot. G piccole monomeriche (es. proteina Ras) Alcune prot. G, dette Gs funzionano da stimolatori della traduzione del segnale (s: stimolatori) Altre Gi funzionano da inibitori della traduzione (si spegne la adenilato ciclasi). Alcune prot. G, interagendo direttamente con a) canali ionici del K + o del Ca ++ mediano l azione di neurotrasmettitori specifici. In alcuni organismi b) le proteine G attivano delle chinasi. COMUNQUE l evento più importante è il rilascio o la produzione dei secondi messaggeri: camp oppure Ca++.

15 Recettori associati a proteina G Se il recettore viene inattivato Non scambia più GDP con GTP legandolo ad α La mancata capacità di convertire α nella forma attiva Interrompe la catena

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18 Effettore Adenilato ciclasi: legata alla membrana. Fosfodiesterasi: nel citosol. Inibitori della fosfodiesterasi: Metilxantine (IBMX), Caffeina, Teofillina camp: Molecola piccola Solubile in acqua Può diffondere attr. il citopl.

19 Attivazione della proteina chinasi A da parte del camp. Le subunità catalitiche libere, così attivate, possono fosforilare prot. bersaglio intracellulari. PKA trasferisce gruppi P da ATP a una serina o una treonina presente nel sito di fosforilazione della proteina.

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21 Glucagone Ormone peptidico secreto dal pancreas Se il livello ematico del glucosio è basso Ormone interagisce con cell. bersaglio del fegato..

22 Funzionamento delle vie di risposta recettoriale dipendenti dal camp In generale la presenza di un recettore su di un tipo di cell. Certo tipo di risposta che può dipendere anche dalla classe di protein-chinasi e dal repertorio di proteine bersaglio che possono essere attivate o inattivate Le vie di camp Adrenalina (o epinefrina) ormone adrenocorticotropo (ACTH) glucagone ormone luteinizzante Paratormone (regola la conc. Calcio nel sangue) acetilcolina Assunzione e ossidazione glucosio degradazione (in muscolo e fegato) e sintesi glicogeno ripopolazione del midollo secrezione del progesterone e ormone tiroideo Epitelio intest: camp: secrezione Sali e H 2 O trasporto mediato del Na + e K + camp: contraz. cardiache controllo del potenziale di membrana camp: contraz. musc. liscia trasporto Aa all interno della cell.

23 InsP 3 DAG Ca ++ Mol. piccola e sol. in acqua Regioni polari e apolari Rimane sospeso nel doppio strato membr. Secondo messaggero supplementare Subito dopo la loro funz. InsP 3 e camp vengono eliminati; Ca ++ ripompato all ext.(trasp.att.) Così si spengono le vie di attivazione.

24 Proteina chinasi C: famiglia di 6 o più enzimi; fosforilano serina o treonina

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26 Sostanza fluorescente Ca ++ dipendente: FURA-2

27 Regolazione del Ca ++ nelle cellule. (.) (.) (.) (.) La concentraz. del Ca ++ nel citosol è tenuta bassa da (.). Concentraz. intracell. di calcio: 10-4 mm; nei fluidi extracell: 1.2 mm.

28 Proteina citosolica che lega il Ca ++ a concentraz. intracell mm. Proteine bersaglio: proteine chinasi e proteine fosfatasi.

29 punto di ingresso spermatozoo più di 3 min Cellula uovo di pesce iniettata con equorina (luce). Aumento di calcio successivo alla fecondazione.

30 Rilascio del Ca ++ e esocitosi dei granuli corticali Blocco di polispermia nel riccio di mare. Seconda importante funzione del calcio: attivazione dell uovo.

31 L ossido Nitrico accoppia la stimolazione di recettori associati a proteine G sulle cellule endoteliali al rilassamento della muscolatura liscia dei vasi sanguigni NO: molecola di gas tossica. Es.: Rilasciato dai neuroni del pene induce vasodilatazione erezione. Sildenafil (VIAGRA) : inibitore della fosfodiesterasi di cgmp che così rimane ad concentraz. per più tempo.

32 La via dipendente da InsP 3 /DAG Distribuita universalmente negli organismi eucarioti Più di 40 ormoni: vasopressina, angiotensina, noradrenalina Secrezione di ormoni e di neurotrasmettitori da parte delle cell. ghiand. nervose divisione cellulare Eventi precoci successivi alla fecondazione trasporto ioni e zuccheri movimenti come contrazione muscol. liscia metabolismo del glucosio Stesso tipo di regolazione vista prima qui però abbiamo Proteinchinasi può anche bloccare, se fosforila l adenilatociclasi, la trasformazione di ATP in camp

33 Le 2 importanti vie possono essere bersaglio di tossine 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 Mutazioni Attivano permanent. InsP 3 /DAG Divis.cell. rapida e incontrollata

34 Recettori associati a protein-chinasi Attività protein-chinasi fa parte del recettore Le protein-chinasi sono enzimi indip. circolanti Trasferimento gruppi fosforici Inibisce o stimola Attività proteine bersaglio: 1) enzimi responsabili di passaggi critici del metabolismo cell. 2) proteine trasportatrici (canali ionici) 3) proteine ribosomiali 4) proteine per la regolazione attività dei geni 5) recettori stessi ( Protein-fosfatasi rimuovono i gruppi P e controbilanciano le protein-chinasi )

35 Recettori dotati di attività protein-chinasica intrinseca 1) Recettore dell insulina Controlla ingresso del glucosio nella cellula 2) fattori di crescita dell epidermide (EGF) 3) fattore di crescita derivato dalle piastrine (PDGF) 4) Regolatori della crescita e divisione cell. Sono recettori che presentano analogie per sequenza Aa e struttura

36 Recettori ad attività protein-chinasica intrinseca 1 step Forme di RAS (Rat Sarcoma) mutato Mantiene la prot. nello stato attivato Responsabile di molti tumori RAS: proteina G piccola monomerica GRF: fattore di rilascio del nucleotide guanina

37 Recettori associati a protein chinasi: EGF: fattore di crescita epidermico Autofosforilazione incrociata. I recettori con attività tirosina chinasica si aggregano e vanno incontro a autofosforilazione Effetti: Induzione della crescita - Proliferazione o specializzazione della cellula: differenziamento.

38 Trasduzione del segnale attraverso un recettore con attività tirosina chinasica. Dominio SH2: omologia 2 con la proteina SRC (del virus del sarcoma viario). Sos è una proteina di rilascio dei nucleotidi guanina (GNRP) che lega GTP a Ras, attivandola. Sos si attiva quando si lega a GRB2. AP-1: fattore di trascrizione.

39 Plasma: deriva dal sangue intero, contiene piastrine ( che contengono fattori di coagulazione ), ma è privo di globuli rossi e bianchi. Siero: si separa dal sangue dopo coagulazione. Durante la coagulazione le piastrine secernono fattori di crescita che stimolano la crescita dei fibroblasti che formano il tessuto connettivo cicatriziale. Dopo coagulazione il Siero è pieno di fattori di crescita di derivazione piastrinica: PDGF. Il suo recettore ha att. tirosina chinasica. Altri fattori stimolano R.con attività tirosina chinasica: - insulina - fatt. crescita di :. fibroblasti. cellule epiteliali. neuroni Interessano non solo crescita o divisione cellulare, FGF: fattore di crescita dei fibroblasti. ma anche sviluppo embrionale. FGFR: ruolo importante nello sviluppo delle cellule del mesoderma muscolo, cartilagine, precursori colonna vertebrale.

40 Embrione di rana: normale e dx: con solo testa, senza corpo.

41 Altri fattori di crescita traducono il segnale mediante recettori con attività chinasica su Serina / treonina. TGFβ: fattore di crescita con effetto trasformante: proliferazione, apoptosi, specializz. cellulare. Mutazioni di SMAD: tumore.

42 Comunicazioni cellulari Come? 1) Secernendo mediatori chimici 2) Legando membr. plasm. delle varie cell. o ancorandole alla matrice extracell.(giunzioni) 1) segnalazione recettori Sinaptica (sistema nervoso: neuroni impulso elettrico) Autocrina (se il prodotto di una cell. influenza se stessa) Paracrina (cells di tipo vicine) Endocrina (cells endocrine organizzate in ghiandole) Neurotrasm. possono propagarsi per segn. par. o autocr. (neuromodulatore) ormoni circolaz.sanguigna cells bersaglio Le differenze delle 4 segnal. non risiedono nelle sost. usate, quanto nelle modalità con cui i segnali raggiungono il bersaglio

43 Segnalazione lenta Alcuni min. Ormone viene diluito nel sangue Deve essere capace di agire a bassa concentr. Affinità ligando-recettore cells neuroendocrine Fattori di crescita neurormoni Mediatori chimici di natura peptidica e proteica Via autocrina e/o paracrina o endocrina Divisione cell.

44 Tessuti bersaglio degli ormoni endocrini. Pancreas endocrino: insulina e glucagone esocrino: enzimi digestivi portati nell intestino attraverso il dotto pancreatico. Insulina: fegato e muscolo scheletrico sono i suoi tessuti bersaglio.

45 Struttura chimica di alcuni ormoni endocrini animali.

46 Recettori di membrana e risposta recettoriale Alterazioni ereditarie a carico del recettore dell insulina Diabete Alcune forme di diabete Malattia nella quale il glucosio non può essere assunto dalle cell. perché rimane in circolo Difetti di < entità riducono In casi molto più rari Capacità del recettore di legare insulina Sua attività protein-chinasica Mutazione abolisce > parte del dominio protein-chinasico del recettore Regione catalitica inattiva anche se si lega l insulina In altre mutazioni Prodotte quantità insufficienti di insulina

47 Stimolazione di vie di traduzione del segnale associate a proteine G da parte di recettori α e β- adrenergici. Rα: si trovano sulla muscolatura liscia che regola il flusso di sangue agli organi viscerali. Rβ: si trovano su muscolatura liscia delle arteriole che irrorano il cuore; su muscolatura liscia dei bronchioli polmonari ( ossigenazione) e su muscoli scheletrici.

48 Stimolazione della degradazione del glicogeno da parte dell epinefrina (adrenalina). Le cellule del muscolo e del fegato rispondono a un aumento della concentraz. di epinefrina nel sangue aumentando il tasso di demolizione del glicogeno.

49 Regolazione paracrina. Tromboxano A2 ( TA2 ): famiglia delle prostaglandine. Il collagene richiama le piastrine che a loro volta secernono TA2 e ADP richiamando altre piastrine. * Recettore della trombina ( ): attivato dalla att. proteasica della trombina stessa. L aspirina blocca l azione della cicloossigenasi (*) e riduce la possibilità che si formino coaguli

50 La segnalazione cellulare regola anche l apoptosi:

51 Linfocita killer

52 Classificazione chimica e funzione degli ormoni

53 Funzioni fisiologiche degli ormoni

54 Esempi di funzioni cellulari regolate da camp Esempi di funzioni cellulari regolate da Inositolo trifosfato e da diacilglicerolo