BIOSEGNALAZIONE cap. 15, 15, 23 Lehninger Berne & Levy cap. 41

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1 BIOSEGNALAZIONE cap. 15, 15, 23 Lehninger Berne & Levy cap. 41 Un sistema vivente è capace di ricevere, rispondere e adattarsi ai cambiamenti dell ambiente circostante. I cambiamenti si manifestano sotto forma di SEGNALI (fisici o chimici). Il contatto con un segnale genera una RISPOSTA da parte del sistema.

2 TRASDUZIONE DEL SEGNALE FLUSSO DELLE INFORMAZIONI I recettori sono le antenne in grado di captare il segnale in arrivo La trasduzione è il processo che decodifica l informazione del segnale captato in linguaggio biochimico La risposta modifica il flusso (feedback) La risposta cellulare dipende dalla decodifica di diversi segnali contemporanei e dalla loro integrazione variazioni nel flusso metabolico secrezione Es: anabolismo vs catabolismo migrazione espressione genica (fenotipo) proliferazione

3 Raggio d azione delle molecole segnale Comunicazione LOCALE Il segnale diffonde al suo bersaglio attraverso il fluido extracellulare La comunicazione sinaptica è un caso molto particolare di comunicazione locale altamente controllata nello spazio e nel tempo Comunicazione a LUNGO RAGGIO ORMONI Rilasciati dalle cellule ENDOCRINE Trasporatati nel sangue alle cellule bersaglio

4 Controllo nervoso Controllo ormonale Il sistema nervoso AUTONOMO :

5 INTERAZIONE SEGNALE-RECETTORE Il legame è STEREOSPECIFICO: complementarietà di forma L interazione con il recettore è mediata da legami chimici deboli come : ponti idrogeno, forze di van der Waals, interazioni idrofobiche L interazione tra un Segnale (S) e un Recettore (R) è reversibile e segue la Legge d Azione di Massa R + S RS RS R + S [R] [S] [RS] = K d Costante di dissociazione E inversamente correlata alla affinità di [S] per [R] La costante di dissociazione definisce l affinità di un ligando (Segnale) per il suo recettore ed ha le dimensioni di una concentrazione molare

6 Il segnale interagisce con un recettore: l effetto risultante (risposta) è proporzionale al numero di recettori occupati. Alla concentrazione del complesso RS [RS] = [Rt] [S] K d + [S] [Rt] = numero totale di recettori Descrive una curva in cui la concentrazione del complesso Segnale-Recettore ( [RS] =y) è funzione della concentrazione del Segnale ([S]=x) [RS] Il valore di K d corrisponde alla concentrazione di segnale con la quale si ha l occupazione del 50% dei recettori. [S] La frazione di recettori occupati è una funzione della concentrazione del segnale e della costante di dissociazione Kd. Minore è K d maggiore è l affinità del segnale per il recettore. Molto spesso il suo valore è compreso tra e 10-9 M : il recettore lega la molecola segnale a concentrazioni picomolari o più basse.

7 La trasduzione dei segnali avviene in genere attraverso diverse reazioni concatenate. Questo permette A) AMPLIFICAZIONE B) INTEGRAZIONE Segnale Segnale Prodotti di reazione : 10-3 /10-2 M

8 LA RISPOSTA BIOLOGICA AD UNO STIMOLO DIPENDE ANCHE DALLA DURATA DEL PROCESSO RISPOSTA (E) variazioni nel flusso metabolico secrezione migrazione espressione genica (fenotipo) proliferazione Es: anabolismo vs catabolismo INTERMEDIE LENTE IMMEDIATE

9 STRATEGIE di OMEOSTASI Obiettivo: LIMITARE LA DURATA DELLA STIMOLAZIONE - strategie rapide - 1. Rimuovere lo stimolo: a. Via idrolitica: un enzima extracellulare idrolizza la molecola b. Ricaptazione (reuptake): un trasportatore di membrana allontana la molecola dalla spazio extracellulare la concentrazione dello stimolo scende e con questa la percentuale di recettori attivati

10 STRATEGIE di OMEOSTASI Obiettivo: LIMITARE LA DURATA DELLA STIMOLAZIONE - Strategie intermedie - 2. Desensibilizzare (desensitizzare) il recettore: Modificazioni (es. fosforilazioni) del recettore che causano una diminuzione dell affinità del recettore per l agonista (aumentano la K D ) P

11 STRATEGIE di OMEOSTASI Obiettivo: LIMITARE LA DURATA DELLA STIMOLAZIONE - Strategie intermedie - 3. Endocitosi del complesso SR Il recettore viene riciclato alla membrana Lo stimolo (peptide, lipide) viene idrolizzato nei lisosomi La cellula diventa temporaneamente insensibile al segnale

12 STRATEGIE di OMEOSTASI Obiettivo: LIMITARE LA DURATA DELLA STIMOLAZIONE - Strategie lente - 3. Receptor downregulation All endocitosi segue la degradazione sia del segnale che del recettore La risposta biologica reprime l espressione del recettore: Silenziamento del gene La cellula diventa insensibile al segnale

13 Segnali liposolubili Le membrane biologiche NON costituiscono una barriera alla loro diffusione RECETTORI INTRACELLULARI Segnali idrosolubili Le membrane biologiche costituiscono una barriera alla loro diffusione RECETTORI DI MEMBRANA

14 Segnali liposolubili Figure 7-6: Steroid hormones are derived from cholesterol

15 I recettori intracellulari legano la molecola segnale nel citoplasma, subiscono una transizione allosterica e traslocano nel nucleo dove mediano la trascrizione genica. Il controllo della trascrizione rappresenta un livello cruciale per la regolazione dell espressione genica perché con esso le cellule eucariote determinano quali geni devono essere attivati o spenti e di conseguenza quali proteine devono essere sintetizzate in ogni preciso momento della vita cellulare. DETERMINA il FENOTIPO CELLULARE

16 5 3 TGACGTCA TATA 3 5 Il cortisolo aumenta, nel fegato, l espressione degli enzimi regolatori della gluconeogenesi Aumenta la loro V MAX Fattore di trascrizione 5 3 TGACGTCA TATA 3 5 RNA

17 Molecole idrosolubili Le membrane biologiche costituiscono una barriera alla loro diffusione RECETTORI DI MEMBRANA Variazione di 3 parametri Le molecole segnale non entrano nella cellula. L informazione contenuta nel complesso Segnale-Recettore viene DECODIFICATA Permeabilità ionica 3 parametri interdipendenti Fosforilazione delle proteine Secondi messaggeri

18 I recettori di membrana si dividono in 3 grandi famiglie Recettori protein chinasici Permeabilità ionica Fosforilazione delle proteine Recettori associati a proteine G Secondi messaggeri

19 Recettori accoppiati alle proteine G trimeriche Secondi messaggeri Costituisce la più numerosa famiglia genica, con oltre 950 membri. Coinvolti nel controllo di Percezioni sensoriali (vista, olfatto, gusto) Sistema immunitario Sistema nervoso Metabolismo L attivazione di questa classe di recettori modifica la concentrazione intracellulare di SECONDI MESSAGGERI Secondi messaggeri: Molecole intracellulari la cui concentrazione varia a seguito di stimolazione recettoriale Modulatori (ATTIVATORI o INIBITORI) allosterici di numerosi enzimi e proteine strutturali

20 I Secondi Messaggeri sono chimicamente molto diversi Nucleotidi : AMP, camp cgmp Uno ione inorganico: Ca 2+ Un polialcol ciclico : InsP3 Molecole Lipidiche confinate alle membrane (es: diacilglicerolo) Un gas: l ossido d azoto

21 L attività dell Adenilato Ciclasi è controllata dalla subunità Gαs ( STIMOLATORIA ) L AMP ciclico FOSFODIESTERE In ogni momento la [camp] dipende dal bilancio tra l attività dell ADENILATO CICLASI e della FOSFODIESTERASI E l EFFETTORE controllato dalle Proteine G trimeriche

22 L AMP ciclico attiva la proteina chinasi A (PKA) camp-dependent protein kinase La PKA ha numerosi substrati (proteine) otre 100, che, se contemporaneamente presenti in una cellula, verranno SIMULTANEAMENTE FOSFORILATE Le fosforila in residui di Ser o Thr (all interno di Sequenze Consenso)

23 Acetil CoA carbossilasi BERSAGLI della PKA: esempio PKA

24 Ci sono geni la cui espressione è regolata dal camp (CRE: camp RESPONSIVE ELEMENTS) Sono sequnze di DNA regolatorie che si trovano a monte sequenza codificante P P Un aumento di camp, se permane per un tempo sufficiente, può indurre un cambiamento dell espressione genica 5 3 CREB CRE TATA 3 5 RNA Queste sequenze legano la proteina CREB ( CRE Binding Protein) SOLO SE FOSFORILATA (es. da PKA) che recluta il complesso trascrizionale Il complesso creatosi premette il legame della RNAPol II e l inizio della trascrizione

25 Eventi cellulari che dipendono da concentrazioni di Ca 2+ comprese tra i 200 nm e 2-5μM (10-6 M) Fosforilazioni Defosforilazioni Attività di alcuni Canali ionici Traffico intracellulare (organelli, vescicole) Contrazione Secrezione Fertilizzazione Apprendimento Memoria Interazione con recettori e altre vie di trasduzione Proliferazione Fattori di trascrizione Espressione Genica

26 Il Ca 2+ può agire DIRETTAMENTE o INDIRETTAMENTE Legandosi al suo bersaglio, con una specifica Kd, ne modifica la conformazione e quindi l attività La regolazione del bersaglio finale è dovuta al reclutamento, Ca 2+ - dipendente, di una proteina che funge da intermedio Troponina C

27 Azione indiretta del Ca 2+ : la CALMODULINA Proteina monomerica costituita da 148 aa in grado di legare quattro ioni Ca 2+. I complessi Ca 2+ /CaM si legano ad altre proteine variandone l attività Forma estesa ATTIVAZIONE PROTEICA PER INTERAZIONE PROTEINA-PROTEINA

28 Bersagli del complesso Ca 2+ -calmodulina (CaM) Fosfolipasi Arachidonato Protein Chinasi CAMdipendenti Eicosanoidi NO sintasi (NO) ENZIMI

29 Protein Chinasi CaM-dipendenti MULTIFUNZIONALI Ubiquitarie condividono alcuni bersagli con la PKA Acetil CoA carbossilasi Chinasi Ca 2+ /CAM dipendente PKA

30 Almeno 50 recettori per segnali diversi Estremità N-terminale esterna (recettoriale) 1 α-elica transmembrana (trasmissione) Estremità C-terminale interna (dominio enzimatico)

31 RECETTORE per l INSULINA VIA DELLE MAP CHINASI - MAPK - Protein fosfatasi-1 Tutta la cellula: DEFOSFORILAZIONI Nucleo: espressione genica VIA di PKB citosol: fosforilazioni proteiche

32 RECETTORE per l INSULINA Attiva PROTEIN FOSFATASI 1 defosforila gran parte degli enzimi fosforilati da PKA e CAM chinasi

33 Aumenta il trasporto di Glucosio nel muscolo e nel tessuto adiposo EFFETTO IPOGLICEMIZZANTE

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35 Cinetica del trasporto del glucosio GLUT4 (K M ~ 5mM) = muscolo e t.adiposo digiuno pasto Trasporto Max Trasporto + insulina 50% T Max Trasporto Max [glucosio] mm Nel muscolo e nel tessuto adiposo l insulina determina un aumento del trasporto

36 PRINCIPALI ORMONI REGOLATORI DEL METABOLISMO ENERGETICO Glucagone iperglicemizzante ormone della fame. Segnala che la concentrazione di glucosio nel sangue è troppo bassa e il fegato risponde demolendo glicogeno. Insulina ipoglicemizzante ormone della sazietà. Segnala ai tessuti che la concentrazione del glucosio è troppo alta; il glucosio viene assunto dai tessuti e viene stimolata la sintesi di glicogeno. Adrenalina iperglicemizzante ormone della paura. Stimola il fegato a demolire il glicogeno e ad esportarlo. L aumento della glicemia rifornisce il muscolo di glucosio. Lo prepara per combattere o fuggire.