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

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2 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.

3 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

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

6 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: sostanza che comunica a distanza.

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 IL SISTEMA ENDOCRINO è un sistema di comunicazione deputato a regolare, integrare e coordinare svariati processi fisiologici quali: 1. Digestione, utilizzo e immagazzinamento delle sostanze nutritive. 2. Crescita e sviluppo. 3. Metabolismo idrico-elettrolitico. 4. Funzione riproduttiva.

9 ORMONE - Regolatore e coordinatore di funzioni biologiche multiple - Molecola organica potente e specializzata prodotta da cellule endocrine in risposta a stimoli specifici che esercita la propria azione su specifiche CELLULE BERSAGLIO. CELLULA BERSAGLIO = cellula dotata di RECETTORE che riconosce per affinità e specificità l ormone. RECETTORE = molecola proteica o glicoproteica che posta sulla superficie della cellula o all interno riconosce e lega l ormone.

10 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.

11 NATURA CHIMICA DEGLI ORMONI: 1. AMINOACIDICA 2. PEPTIDICA E PROTEICA 3. STEROIDEA 4. PICCOLI LIPIDI 5. PROSTAGLANDINE EICOSANOIDI 6. PROSTACICLINE

12 ORMONI: MECCANISMO D AZIONE A ORMONI IDROFILICI (natura proteica o amminoacidica) hanno il recettore sulla membrana; agiscono tramite 2 MESSAGGERO: 1. Sistema adenilato ciclasi/camp 2. Sistema della fosolipasi(fosfatidilinositolo, DAG) 3. Canali ionici (Ca++) 4. Tirosina-chinasi(PO 4 -- ) B ORMONI IDROFOBICI (steroidi e tiroidei) hanno il recettore intracellulare; agiscono attraverso la regolazione dell espressione genica.

13 Classificazione in base al meccanismo di azione. Ormoni che legano recettori intracellulari (lipofili, tiroidei o steroidei). Ormoni che legano recettori sulla membrana plasmatica (idrosolubili), il secondo messaggero è:.camp.cgmp.ca++ o fosfatidilinositolo.cascata chinasica o fosfatasica

14 QUINDI: Gli Ormoni sono: Sostanze presenti a concentrazioni molto basse ( M) Generano alterazioni intracellulari Agiscono attraverso recettori e secondi messaggeri

15 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

16 Agonista/antagonista Un farmaco si dice agonistaquando, legandosi a uno specifico recettore cellulare, lo attiva, determinando quindi una catena di effetti biologici. P.es., l eroina, la morfina e il metadone sono agonisti a livello dei recettori µdegli oppioidi. Viceversa, un farmaco si dice antagonistaquando, pur legandosi al recettore, non lo attiva e in sostanza lo "blocca". Tipico antagonista a livello dei recettori µèil naloxone. La capacitàche un determinato farmaco ha di legarsi a un recettore, e che può essere maggiore o minore, si dice affinità del farmaco per il recettore. Un farmaco con affinità elevata si legherà al recettore anche "scacciando via" un farmaco già legato, ma con affinità piùbassa. Il naloxone, antagonista ad altissima affinitàper i recettori µdegli oppioidi, ècapace di scacciare l eroina o la morfina eventualmente giàpresenti, annullandone gli effetti. Per questo il naloxone èefficace per combattere un overdose da eroina (e può scatenare una sindrome da astinenza nella persona dipendente), ma non ha nessun effetto significativo se preso da solo. µ, K, recettori per oppioidi

17 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 Agonista Antagonista

18 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.

19 Ormoni steroidei e tiroidei: il complesso ormone-recettore si lega ad una regione specifica del DNA Ormoni steroidei e tiroidei: Modificano l espressione genica

20 o idrofobiche

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

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23 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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25 Gli ormoni steroidei possono essere divisi in due classi: gli ormoni sessuali e progestinici e gli ormoni surrenalici.

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

27 Vitamina A Retinolo Retinale Retinoico α-carotene 2 molecole di vit.a β-carotene

28 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

29 Ormoni steroidei: Glucocorticoidi, mineralocorticoidi, androgeni, calcitriolo (vitamina D), acido retinoico. Derivano dal colesterolo (liposolubili). Richiedono proteine plasmatiche di trasporto (non sono immagazzinabili). Lunga semivita nel plasma (ore-giorni). Il livello di ormone circolante è determinato dalla velocità di sintesi. Legano recettori intracellulari (azioni mediate dal complesso ormonerecettore)

30 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 glicoproteina Sierica: la transcortina, con una vita media di 60-70min Mineralcorticoidi: albumina (rapidamente eliminati), ad es l aldosteroneche non si lega efficacemente alle glicoprot. Siericheha vita media 20min 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)

31 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 (glucuronidie solfati) che hanno lo stesso effetto. La secrezione degli ormoni steroidei viene monitorata mediante l escrezione urinaria (clearance)

32 Non tutte le modifiche operate sugli ormoni steroidei sono finalizzate al loro catabolismo, ad es. la riduzione del testosterone non lo inattiva, ma lo trasforma in estradiolo per azione dell aromatasi; oppure la riduzione ad opera della 5αreduttasi a diidrotestosterone, una forma per cui il recettore per gli androgeni mostra massima affinità.

33 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)

34 Gli ormoni polipeptidiciche stimolano biosintesi e secrezione degli ormoni steroidei interagiscono con recettori di membrana che talvolta usano come secondi messaggeri camp, Ca +2 e IP 3. Un aumento di campsecondaria alla stimolazione della ghiandola da ormoni polipeptidici(acth) agisce a breve (sec, min) e lungo (ore) termine. A breve termine: mobilizzazione del colesterolo dal citosolal mitocondrio; a lungo termine produzione di proteine coinvolte nella produzione che mantengono l aumento nel tempo, ad esla proteina regolatrice della steroidogenesistarche trasferisce il colesterolo dalla membrana esterna mitocondriale a quella interna.

35 Trasduzione del segnale per ormoni steroidei e tiroidei Lipofilici, attraversano la membrana e legano recettori intracellulari (fattori di trascrizione) Il complesso ormone-recettore lega una regione del DNA e ne modifica l espressione Ormone tiroideo Ormone steroideo Recettore dell ormone steroideo Recettore dell ormone tiroideo DNA Nucleo

36 Ormoni steroidei. Glucocorticoidi, mineralocorticoidi, androgeni, calcitriolo (vitamina D), acido retinoico. Derivano dal colesterolo (liposolubili). Richiedono proteine plasmatiche di trasporto (non sono immagazzinabili). Lunga semivita nel plasma (ore-giorni). Il livello di ormone circolante è determinato dalla velocità di sintesi. Legano recettori intracellulari (azioni mediate dal complesso ormonerecettore)

37 Cascate ormonali Stimoli iniziali neurosensoriali Anelli di retroazione negativa (feedback) (ng) (µg) (mg)

38 Ormoni ipofisari e ipotalamici Impulso nervoso Ipotalamo Ormoni di rilascio Ormoni di rilascio Ipofisi anteriore (adenoipofisi) Ipofisi posteriore (neuroipofisi) Ormoni di rilascio Ormoni di rilascio Altre ghiandole endocrine Metabolismo 5 assi endocrine Bilancio idrico Produzione latte Vasopressina (ADH), ossitocina

39 Asse ipotalamo-ipofisi-tiroide Ipotalamo Ormone di rilascio della tirotropina (TRH) Fosfolipasi C e Ca ++ Ipofisi anteriore Ormone di stimolazione della tiroide (TSH) camp, PKA Tiroide triiodiotironina (T 3 ) e tiroxina (T 4 ) T 4 >>T 3 T 4 inattivo, T 3 attivo Attività di ormoni tiroidei sotto controllo di deiodinasi (tiroide e tessuti target): T 4 T 3 Targets: Gran numero (tutti?) di tessuti Funzioni esplicate: Accelerazione del metabolismo basale e termogenesi Induzione o repressione di determinati geni Modulazione dei processi di sviluppo: > Girino rana > HbF HbA

40 Asse ipotalamo-ipofisi-surrenali Ipotalamo Ormone di rilascio della corticotropina (CRH) e vasopressina (ADH) camp Ipofisi anteriore Ormone adrenocorticotrofico (ACTH) camp Da pro-opiomelanocortina Implicato in bioritmi (max 5 AM) T 1/2 =10 min Agisce tramite camp come 2 messaggero Surrenali cortisolo e ormoni steroidei

41 1,25-Diidrossicolecalciferolo La vitamina D è rappresentata da un gruppo di pro-ormoni liposolubilicostituito da 5 diverse vitamine: vitamina D1, D2, D3, D4 e D5. Le due piùimportanti forme nella quale la vitamina D si può trovare sono la vitamina D2 (ergocalciferolo) e la vitamina D3 (colecalciferolo), entrambe le forme dall'attivitàbiologica molto simile. Il colecalciferolo(d3), derivante dal colesterolo, è sintetizzato negli organismi animali, mentre l'ergocalciferolo(d2) è di provenienza vegetale. La vitamina D ottenuta dall'esposizione solare o attraverso la dieta èpresente in una forma biologicamente non attiva e deve subire due reazioni di idrossilazioneper essere trasformata nella forma biologicamente attiva, il calcitriolo.

42 TI ROI DE Ghiandola endocrina preposta al metabolismo dello iodio ed alla sintesi degli ormoni tiroidei, secreti dalle cellule tiroidee (tireociti, cellule follicolari) Apporto e Fabbisogno giornaliero Iodio Disponibilitàdi un sufficiente apporto di iodio per via alimentare: fattore indispensabile affinchè la tiroide possa sintetizzare gli ormoni tiroidei La maggior parte dello iodio entra nell organismo attraversoiltubo gastroenterico sotto forma di ioduro (I-);Quote minori sono assorbite attraverso i polmoni e la cute; Circa un terzo dello iodio assunto viene captato dalla tiroide I due terzi rimanenti vengono secreti dalle urine

43 TIROIDE Nella tiroide sono presenti degli enzimi che ossidano lo Ioduro (I-) rendendolo capace di iodare i residui tirosinici della tireoglobulina per formare Monoiodiotirosina(MIT) e Diiodiotirosina(DIT) Questi due composti iodati costituiscono i precursori degli ormoni tiroidei: la tiroxina (T4), che possiede quattro atomi di iodio la triiodotironina(t3), che ne possiede tre

44 GLI ORMONI TIROIDEI: CHIMICA Gli ormoni tiroidei sono prodotti per iodinazione dei residui di tirosina contenuti nella tireoglobulina (una proteina dimerica di 620 KDa) e stoccati all interno del follicolo tiroideo. Le cellule follicolari producono prevalentemente tiroxina (T4), poco attiva, che viene convertita in T3 nei tessuti periferici da parte di specifici enzimi (deiodasi). Gli ormoni tiroidei sono poco solubili e circolano legati a proteine di trasporto (TBG:globulina Tirossina-legante, albumina) CDL INFERMIERISTICA, Medicina Generale e Specialistica

45 GLI ORMONI TIROIDEI: SINTESI L enzima chiave nella sintesi degli ormoni tiroidei è la tireoperossidasi che catalizza due importanti fasi della sintesi degli ormoni tiroidei L organificazione dello iodio su residui di tirosina della tireoglobulina La sintesi di T3 e T4 a partire da 2 molecole di iodotirosina. CDL INFERMIERISTICA, Medicina Generale e Specialistica

46 GLI ORMONI TIROIDEI: CHIMICA Tiroxina (T4) (L-3,5,3',5'-tetraiodotironina) Triiodotironina (T3) (L-3,5,3'-triiodotironina) reverse T3 (rt3) (3,3',5'- triiodotironina) CDL INFERMIERISTICA, Medicina Generale e Specialistica

47 REGOLAZIONE DELLA FUNZIONE TIROIDEA

48 Iodio + tirosina MIT o DIT

49 MIT + DIT T 3 DIT + DIT T 4 (tiroxina)

50 Tiroide Tireoglobulina

51 Patologie degli ormoni tiroidei Ipotiroidismo (disfunzione ipotalamica, presenza di Ab-anti TSH, asportazione della tiroide): Sintomi spesso elusivi (aumento di peso, stanchezza) Diminuzione del metabolismo basale (bradicardia, sonnolenza, sensazione di freddo ) Nanismo Cretinismo (gravi difetti multipli congeniti, ritardo mentale) Ipertiroidismo (eccessiva produzione di TSH, deficit di I 2 o dei sistemi di trasporto di I 2 ): Aumento in volume della tiroide (gozzo) Tachicardia, ipertensione, sudorazione, sensibilità a caldo

52 ORMONI TIROIDEI (T3 E T4) T IL T4T PUO ESSERE CONVERTITO IN AC. TETRAIODOTIROACETICO ED ESCRETO NELLA BILE E NELLE URINE 33-40% DI T4 VIENE CONVERTITO IN T3T FUNZIONALE UNA PARTE DI T4T VIENE TRASFORMATO IN UNA FORMA INATTIVA DI T3, T METABOLIZZATO ED ESCRETO

53 ORMONI TIROIDEI (T3 E T4) T T3 E T4 : SONO LIPOSOLUBILI, DIFFONDONO ATTRAVERSO LA MEMBRANA E SI LEGANO A RECETTORI NUCLEARI (1) E MITOCONDRIALI (2) (1) PROMUOVONO SINTESI PROTEICA (2) PRODUZ. DI CALORE E ATP AUMENTANO IL METABOLISMO DI GLU, LIPIDI E PROTEINE FACENDO AUMENTARE LA T T CORPOREA LE PROT. PLASM. PROLUNGANO L EMIVITA DI T3 E T4 (~( ~ 1 SETTIMANA) E REGOLANO I LORO LIVELLI EMATICI

54 e vit. D Complesso Recettore/inibitore Ormone

55 A) Modello di R intracellulare l inibitore è una proteina Hsp90 il legame con l ormone provoca il distacco dell inibitore ed espone il sito per il legame al DNA. B) Schematizzazione dei principali recettori intracellulari. C) Rappresentazione del recettore del cortisolo e regioni di funzione. D) Immagine al microscopio elettronico di un complesso ormone-recettore e l interazione con i filamenti di DNA:

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58 Il

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60 Elementi di Risposta. Glucocorticoid responsive elements Zinc fingers

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62 tirosina fenilalanina leucina cisteina istidina Ipotesi di struttura ad ansa a dito di zinco (Zn-fingers), Cisteine (C) Istidine(H), formano legami di coordinazione con lo Zn: I numeri indicano le posizioni degli aa I pallini neri indicano le catene a più alta probabilità di interazione con il DNA. In ogni ansa si trovano sempre una leucina (L) e una tirosina (Y) o una fenilalanina (F)

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64 Ormoni non steroidei e non tiroidei. Peptidi, polipeptidi, glicoproteine, aminoacidi, catecolamine. Sintetizzati come precursori inattivi, e convertiti in ormoni attivi con processi proteolitici. Idrosolubili. Non richiedono proteine plasmatiche di trasporto (breve semivita nel plasma, secondi-minuti). Legano recettori sulla membrana plasmatica. Azioni intracellulari mediate da secondi messaggeri

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

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

67 Maturazione di insulina 83aa 51aa + peptide C 32aa Pre-pro-insulina Pro-insulina Pro-insulina 5% Reticolo endoplasmico Insulina + C Apparato di Golgi Insulina + C 95% Circolazione

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

69 Insulina Fortemente conservata: insulina bovina e suina (utilizzate nell uomo) Pro-insulina dà reazioni crociate con insulina Livello di peptide C discrimina insulina eso-ed endogena l insulina è ritenuta essere: Principale responsabile del diabete Insulino-dipendente(10%, o giovanile, bassa secrezione di insulina) Non-insulino-dipendente(90% o dell etàadulta, bassa espressione del recettore) Esiste la: Resistenza all insulina: bassa espressione, degradazione o internalizzazione del recettore, causa obesità

70 glicemia Meccanismi di rilascio dell insulina

71 Recettore dell insulina

72 Recettore per insulina Risposte metaboliche veloci (tendenti a diminuire la glicemia) Aumento del trasporto di glucosio con GLUT-4 Aumento di glicolisi Inibizione di gluconeogenesi Inibizione di lipolisi Risposte lente o a lungo termine Aumento della sintesi proteica Stimolazione della replicazione cellulare È un tetramero 2 sub. α e 2 sub. β

73 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

74 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 (Gprotein coupled Glucagon Receptor) Secrezione positiva: In risposta alla riduzione dei livelli glicemici Aumento dei livelli di glucosio ematico Principale ormone controregolatore 1 29

75 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 Nel tessuto adiposo aumentata liberazione di acidi grassi catabolismo dei grassi (lipolisi) sintesi di grassi

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

77 Catecolamine: Ormoni della midollare surrenale mediano l adattamento allo stress Tyr: precursore (anche Phe) Tyr idrossilasi: Reazione limitante DOPA, diidrossifenilalanina(carente in Parkinson) Passa la barriera emato-encefalicae funge da farmaco Dopammina: non passa la barriera emato-encefalica In caso di deficit: DOPA In caso di eccesso: metil-dopa Adrenalina e noradrenalina Accumulo nei granuli cromaffini Rilasciati con stimolazione β-adrenergica Metabolizzati rapidamente nel plasma catecolometiltransferasi(comt) e monoamina ossidasi (MAO) Inibitori di COMT e MAO: eccitatori nervosi

78 Ormoni non steroidei e non tiroidei. Peptidi, polipeptidi, glicoproteine, aminoacidi, catecolamine. Sintetizzati come precursori inattivi, e convertiti in ormoni attivi con processi proteolitici. Idrosolubili. Non richiedono proteine plasmatiche di trasporto (breve semivita nel plasma, secondi-minuti). Legano recettori sulla membrana plasmatica. Azioni intracellulari mediate da secondi messaggeri

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81 Classi di recettori β (7 segmenti transmembrana). β1.cuore, aumenta frequenza e forza di contrazione.adipociti, aumenta lipolisi.intestino, diminuisce motilità. β2.polmone, rilascio della muscolatura.fegato, aumenta glicogenolisi.intestino, diminuisce motilità

82 Classi di recettori α (7 segmenti transmembrana). α1.iride dell'occhio, contrazione.intestino, diminuisce motilità.ghiandole salivari, secrezione di acqua e di potassio. α2.cellule pancreatiche β, diminuisce la secrezione.piastrine, causa aggregazione.cellule adipose, diminuisce la lipolisi.stomaco, diminuisce la motilità. α?.arteriole, costrizione.sfintere della vescica, contrazione.organi sessuali maschili, eiaculazione

83 Recettori (7 segmenti transmembrana) β β1 > Cuore, aumenta frequenza e forza di contrazione > Adipociti, aumenta lipolisi > Intestino, diminuisce motilità β2 > Polmone, rilascio della muscolatura > Fegato, aumenta glicogenolisi > Intestino, diminuisce motilità Tirosin-chinasi 1 > Virus del sarcoma aviario, oncogene > Epidermide, fattore di crescita > Ubiquitario, recettore per insulina > Piastrine, fattore di crescita Guanilato ciclasi 1 > Atrio cardiaco, omeostasi dei liquidi corporei > Endotelio, recettore per NO α α1 > Iride dell'occhio, contrazione > Intestino, diminuisce motilità > Ghiandole salivari, secrezione di acqua e di potassio α2 > Cellule pancreatiche B, diminuisce secrezione > Piastrine, causa aggregazione > Cellule adipose, diminuisce della lipolisi > Stomaco, diminuisce motilità α? > Arteriole, costrizione > Sfintere della vescica, contrazione > Organi sessuali maschili, eiaculazione

84 Proteina G (GTP-binding protein) Proteina G = α + β + γ α: unità catalitica α -GDP, inattiva α -GTP, attiva α s, stimola l effettore α i, inibisce l effettore >20 isoforme α γ: ancoraggio alla membrana >6 isoforme γ β: alta affinità per subunità γ, affinità variabile per subunità α >4 isoforme β Molte proteine G diverse, grande flessibilità di risposta INATTIVO β α GDP γ GTP Complesso ormonerecettore β γ α GDP INATTIVO GDP Pi GTPasi ATTIVO α GTP Stimola o inibisce Effettore

85 Meccanismo dei recettori adrenergici mediato dalla proteina G

86 Secondi messaggeri camp; Fosfatidil inositolo difosfato; Fosfolipasi A2; Prostaglandine e leucotrieni;

87 camp Sistema β-adrenergico - proteina G s Meccanismo analogo per GTP cgmp GMP

88 Target: residui Ser e Thr di altre proteine (fosforilazione) AUMENTA l attività di alcuni enzimi Glicogeno fosforilasi, citrato liasi, fosforilasi b chinasi, HMG-CoA reduttasi chinasi e altri... DIMINUISCE l attività di altri enzimi Acetil-CoA carbossilasi, glicogeno sintasi, piruvato deidrogenasi, HMG-CoA reduttasi e altri... Protein kinasi A attivata da camp

89 Fosfodiesterasi (PDE) termina il segnale di camp e cgmp camp 5 -AMP, cgmp 5 -GMP Target di interventi farmacologici Metilxantine Teofilline Milrinone (cardiotonico) Attivazione delle piastrine, tono dei muscoli lisci (broncodilatatori, vasorilassanti etc), contrazione cardiaca Sildenafil (Viagra)

90 Sistema fosfolipasi C, PIP 2 DAG + IP 3

91 Fosfatidil inositolo difosfato (PIP 2 ) DAG, Attiva protein kinasi C IP 3 reticolo endoplasmico Mobilizzazione di Ca ++

92 Fosfolipasi - idrolizzano fosfogliceridi generando lipidi come secondi messaggeri Fosfolipasi A2 acido arachidonico (20C, 4 doppi legami) Mediatore dell infiammazione Precursore degli eicosanoidi (prostaglandine, prostacicline, trombossani e leucotrieni)

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94 Prostaglandine Derivano da acido arachidonico via cicloossigenasi (COX) COX1 costitutivo, inibito da antiinfiammatori steroidei (cortisone) COX2 in risposta a mediatori dell infiammazione (citochine), inibito da antiinfiammatori non-steroidei (aspirina e ibuprofen) Agiscono come ormoni (via proteina G) Inattivate nei polmoni Precursori dei trombossani (coagulazione) Infiammazione (artrite reumatoide), sensazione di dolore Inibiscono secrezione gastrica (la loro inibizione: ulcera)

95 Leucotrieni Derivano da acido arachidonico via lipoossigenasi (LOX) Deficit di LOX in disordini mieloproliferativi ( trombossano), immunologici e coagulativi 3 tipi di acido monoidroperossieicosatetraenoico (HPETE) Leucotrieni (LTA 4 ) > T 1/2 =4h > Responsabili di reazioni anafilattiche: contrazione protratta dei muscoli lisci (trachea e del tratto GI) e aumento della permeabilità capillare

96 Gli ormoni steroidei e i mediatori chimici liposolubili attraversano la membrana plasmatica e si legano a recettori citoplasmatici

97 Molti mediatori interagiscono con recettori posti sulla membrana cellulare e innescano una serie di reazioni chimiche (trasduzione del segnale) che portano alla formazione di un mediatore citoplasmatico (secondo messaggero) in grado di attivare la risposta cellulare specifica.

98 Le cellule comunicano e interagiscono tra loro tramite il fenomeno della segnalazione cellulare L intero processo che traduce l informazione portata dal messaggero extracellulare in cambiamenti intracellulari è chiamato: Trasduzione del segnale

99 I messaggeri extracellulari inducono risposte intracellulari influenzando l attività di molte proteine cellulari

100 Interruttori di accensione (On) e spegnimento (Off) La maggior parte dei segnali è transitoria e pure la risposta dovrebbe essere transitoria. Se si accende un segnale, c è anche bisogno di una via per spegnerlo. Per esempio, il mancato spegnimento di un segnale mitotico è una delle cause che induce un tumore. Pertanto, ci sono dei sistemi biochimici in grado di far passare rapidamente la cellula tra due stati. Molti sistemi di signalling accensione e spegnimento sono operati da G proteine e/o da proteine di fosforilazione

101 Interruttori On-Off Proteine di fosforilazione Protein Kinasi trasferiscono un fosfato dall ATP ad amino acidi specifici Protein Fosfatasi rimuovono un fosfato da specifici amino acidi O-fosfoserina O C O C O - C C O H C C O P O NH ATP Serina Chinasi Fosfatasi NH O - ADP O C O - O C P i C C O P O C C O H Fosforilazione NH O - O-fosfoserina NH Serina Defosforilazione

102 Recettori canali ionici Il legame del ligando modifica la conformazione del recettore in modo tale che specifici ioni possono fluire attraverso esso, il risultante movimento ionico altera il potenziale elettrico della membrana cellulare.

103 Recettori collegati a proteine G Il recettore lega una molecola segnale extracellulare, subendo un cambiamento conformazionale che consente l interazione con effettori a valle (spesso proteine G)

104 G Proteine Le proteine G possono essere piccole proteine monomeriche che legano il GTP o proteine eterotrimeriche costituite da 3 subunità: α, β, γ β γ Scambio del GDP legato col GTP INATTIVA α GDP GTP GDP GTP α La subunità α si dissocia da βγ P i ATTIVA La subunità α si riassocia a βγ α GDP Attività GTPasica della subunità α GTP GDP+P i La subunità α attiva può interagire con lo step successivo della catena di ì signalling e attivarlo

105 Spegnimento della subunità a della proteina G Spegnimento attraverso: >Attività GTPasica di α > Le proteine RGS (regolatrici della segnalazione della proteina G)

106 Recettori con attivita enzimatica intrinseca Recettori della membrana plasmatica che presentano 1 segmento transmembrana e contengono ed esprimono attivita enzimatiche. Quando uno di questi recettori viene attivato da un ligando extracellulare, catalizza direttamente la produzione di un secondo messaggero intracellulare.

107 Per attivare un recettore tirosina chinasi il ligando deve, in genere, legarsi simultaneamente a due catene recettoriali adiacenti Dimero unito covalentemente che unisce insieme due recettori (PDGF) Alcuni ligandi monomerici si legano in gruppi a proteoglicani, rendendo i ligandi capace di unire i loro recettori (FGF: fibroblast Growth Factor) Proteine di segnale legate alla membrana come le efrine (p di membrana coinvolte nell adesività), possono legare i loro recettori anche se sono monomeriche perché si raggruppano nella membrana plasmatica della cellula che segnala

108 Come funziona un recettore TRK L autofosforilazione della coda citosolica dei recettori tirosina chinasi contribuisce al processo di attivazione in due modi: La fosforilazione delle tirosine nel dominio catalitico aumenta l attività chinasica dell enzima La fosforilazione delle tirosine fuori dal dominio catalitico crea siti di attacco ad alta affinità che consentono il legame di numerose proteine di segnalazione intracellulare nella cellula bersaglio

109 Attivazione del recettore per l insulina eterotetramero (2a, 2b) Il legame con l insulina porta ad una variazione della struttura (differente dagli altri RTK) Il cambio conformazionale attiva l attività tirosina chinasi della subunità b la subunità b fosforila i residui Tyr presenti sul dominio citoplasmatico ed altri substrati (IRS)

110 Processi che seguono l attivazione del recettore per l insulina. Fosfatidil inositolo 3- idrossi chinasi (produce PIP2,PIP3) Grb2, Sos, activano Ras Attivazone della PLC γ

111 QUINDI

112 Alcuni recettori di membrana non attivano direttamente la risposta cellulare, ma un altra proteina di membrana, denominata proteina G, la quale attiva un effettore, direttamente legato alla formazione del secondo messaggero (es. adenilato ciclasi)

113 Altri recettori di membrana possiedono direttamente una funzione enzimatica in grado di formare il messaggero intracellulare, come il recettore per l insulina

114 LE VIE DI TRASDUZIONE DEL SEGNALE SI BASANO SU PROTEIN- CHINASI E FOSFATASI CHE ATTIVANO PROTEINE TRAMITE L AGGIUNTA O ELIMINAZIONE DI GRUPPI FOSFATO

115 La risposta cellulare inizia generalmente con l attivazione di proteine chiave. Uno dei meccanismi principali di attivazione/inibizione proteica nella trasduzione del segnale è basato sul grado di fosforilazione o defosforilazione della proteina stessa Gli enzimi che aggiungono gruppi fosfato sono chiamati protein-chinasi, mentre gli enzimi che eliminano gruppi fosfato sono detti fosforilasi

116 Gli enzimi che determinano la scissione del glicogeno (fosforilasi) o la sua formazione (glicogeno sintetasi) vengono attivati nelle cellule a seconda della richiesta intracellulare o extracellulare di glucosio

117 L adenosin monofosfato ciclico (camp), che viene formato a partire dall ATP, è un esempio di secondo messaggero molto utilizzato nelle cellule. Il camp attiva diverse chinasi in grado di iniziare processi cellulari differenti

118 La formazione di camp a partire dall ATP è catalizzata dall enzima adenilato ciclasi, presente nella membrana plasmatica. Questo enzima viene attivato solo dopo il legame del recettore con un mediatore chimico specifico

119 PROTEINA G ETEROTRIMERICA

120

121 Esempio di come l attivazione della adenilato ciclasi nelle cellule epatiche da parte del glucagone attiva la scissione del glicogeno e il rilascio del glucosio nel sangue

122 Es. ACETILCOLINA FOSFOLIPASI C DIACILGLICEROLO INOSITOLO 3P SECONDI MESSAGGERI DERIVATI DAL FOSFATIDIL INOSITOLO (DAG PKC; IP3 recettore/ca++)

123 Risposte cellulari mediate dalla PKC Tessuto Risposta Piastrine del sangue Rilascio di serotonina Mastociti Rilascio di istamina Midollare del surrene Secrezione di adrenalina Pancreas Secrezione di insulina Cellule dell ipofisi Secrezione di GH ed LH Tiroide Secrezione di calcitonina Neuroni Rilascio di dopamina Cellule muscolari lisce Aumento della contrattilità Fegato Idrolisi del glicogeno Tessuto adiposo Sintesi del grasso

124 RECETTORI TIROSIN CHINASICI Il legame con il ligando attiva la fosforilazione di residui di tirosina (all interno di sequenze specifiche di 7 aa dette motivi fosfotirosinici) presenti nei domini citoplasmatici delle catene Beta e di substrati dei recettori insulinici

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126 Motivo fosfotirosinico Dominio SH2 di una proteina che si lega al recettore ISR Gli ISR fosforilati sono a loro volta in grado di legarsi a proteine diverse aventi in comune una sequenza simile di aminoacidi, detta dominio SH2

127 Un altro esempio di recettori enzimatici è rappresentato dai recettori tirosin chinasici (RTK), presenti sulla membrana nella forma monomerica inattiva. Il legame del recettore con almeno due RTK permette la formazione del dimero attivo, in grado di aggiungere gruppi fosfato ai residui di tirosina presenti nel segmento citoplasmatico dei RTK. Le tirosine fosforilate vengono riconosciute da molecole citoplasmatiche specifiche, che vengono a loro volta attivate

128 MOLTI RECETTORI PER ORMONI DI CRESCITA SONO RTK, CHE SI ATTIVANO SOLO IN SEGUITO ALLA DIMERIZZAZIONE CAUSATA DAL LIGANDO

129 Un esempio molto importante di recettori RTK è rappresentato dai recettori di molti fattori di crescita, come EGF e PDGF. In questo caso, la fosforilazione dei residui tirosinici determina l attivazione della proteina RAS, una proteina estremamente importante nel controllo della proliferazione cellulare.

130 LA PROTEINA RAS E UNA PROTEINA G MONOMERICA CHE TRASDUCE IL SEGNALE DI MOLTI RTK PER ORMONI DI CRESCITA (egf, pdgf)

131 L attivazione di RAS porta all attivazione della via MAP chinasica, che a sua volta determina l attivazione di TF per geni coinvolti nel controllo del ciclo cellulare

132 Per capire come un segnale cellulare possa essere trasmesso attraverso l interazione cellula-cellula o cellula-matrice extracellulare, basta ricordare che tali rapporti richiedono sempre la partecipazione di specifiche proteine di membrana, in grado di sostenere l organizzazione della connessione tra cellule o della matrice extracellulare.

133 La proteina integrina, è in grado di modificare la propria struttura tridimensionale nei punti in cui la matrice extracellulare o le connessioni tra cellule subiscono alterazione, attivando un segnale intracelluare che porta, ad esempio, alla proliferazione cellulare

134 Analogamente, una modificazione della struttura tridimensionale della proteina integrina può determinare l attivazione di un secondo messaggero in grado di iniziare la sintesi di nuove proteine, come miosina ed actina

135 La risposta cellulare ai cambiamenti dell ambiente esterno richiedono spesso l attivazione coordinata di processi cellulari multipli. In questo caso, l epinefrina e l EGF attivano processi intracellulari diversi ma coodinati, aventi come risposta finale l attivazione metabolica e la proliferazione cellulare.

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