Comunicazione intercellulare Negli organismi pluricellulari le cellule comunicano tramite un ampia varietà di segnali extracellulari
PRINCIPI GENERALI DELLA COMUNICAZIONE TRA CELLULE TRAMITE MOLECOLE SEGNALE -Sintesi e rilascio di molecole segnale da parte della cellula segnalatrice (per esocitosi o per diffusione) - Trasporto alla cellula bersaglio - Ricezione dell informazione da parte della cellula bersaglio tramite una recettore proteico - Conversione del segnale extracellulare in un segnale intracellulare che modifica il comportamento della cellula
- Esistono recettori specifici per ogni molecola segnale - La capacità di una cellula di rispondere ad una molecola segnale dipende dal fatto che possieda o no un recettore per quel segnale - I recettori possono essere localizzati sulla membrana plasmatica (molecole segnale idrofiliche) oppure all interno della cellula (molecole segnale idrofobiche)
CELLULA SEGNALATRICE Modalità di segnalazione CELLULA BERSAGLIO Segnalazione tramite molecole secrete Molecola segnale Recettore Segnalazione tramite molecole di membrana Segnalazione tramite giunzioni gap
Segnalazione a breve distanza PARACRINA Le molecole segnale diffondono localmente nel mezzo extracellulare (mediatori locali, chemiochine) AUTOCRINA La cellula può inviare segnali a sé stessa o a cellule dello stesso tipo
Segnalazione a lunga distanza ENDOCRINA Le molecole segnale sono secrete nel circolo sanguigno (ormoni, citochine) SINAPTICA Un segnale elettrico viaggia lungo l assone e una molecola segnale (neurotrasmettitore) viene secreta a livello della sinapsi
- Molte proteine di segnalazione agiscono da interruttori molecolari basati su fosforilazione/defosforilazione Attivazione per fosforilazione Attivazione per scambio GTP/GDP Lo spegnimento delle proteine di segnalazione è altrettanto importante dell accensione
- Una proprietà universale delle vie di segnalazione è l adattamento della cellula allo stimolo, o desensibilizzazione RISPOSTA Risposta iniziale Desensibilizzazione Segnale Segnale Segnale Un segnale a concentrazione costante inviato ad intervalli brevi dà risposte sempre meno intense TEMPO La desensibilizzazione permette alla cellula di rispondere a variazioni della concentrazione della molecola segnale piuttosto che alla concentrazione assoluta
Natura chimica dei segnali MOLECOLE SEGNALE IDROFOBICHE ormoni steroidei ormoni tiroidei retinoidi ossido di azoto MOLECOLE SEGNALE IDROFILICHE proteine peptidi aminoacidi nucleotidi
MOLECOLE SEGNALE IDROFOBICHE steroidi sessuali corticosteroidi ORMONI STEROIDEI (sintetizzati a partire dal colesterolo)
Molte molecole segnale idrofobiche hanno come recettori delle proteine intracellulari che agiscono da regolatori della trascrizione Ormone steroideo
I recettori nucleari appartengono ad una superfamiglia di fattori trascrizionali correlati strutturalmente e funzionalmente Recettore inattivo Il legame con il ligando libera da un inibitore il dominio di legame al DNA Recettore attivo
Funzioni di alcune molecole segnale che si legano a recettori nucleari cortisolo prodotto nella corticale del surrene, influenza il metabolismo di molte cellule, la risposta allo stress e le risposte immunitarie estradiolo prodotto nell ovaio, influenza i caratteri sessuali secondari nella femmina testosterone prodotto nei testicoli, influenza i caratteri sessuali secondari nel maschio tiroxina prodotto nella tiroide, ha un ruolo nello sviluppo embrionale e aumenta la velocità metabolica in molti tipi cellulari acido retinoico mediatore locale con un ruolo importante nel differenziamento di molti tipi cellulari
La risposta agli ormoni steroidei, tiroidei e retinoidi dipende dalla cellula bersaglio Il recettore è presente in tipi cellulari specifici. Ciascuno di essi può rispondere diversamente. I geni attivati da uno stesso recettore sono diversi in diversi tipi cellulari (cofattori tessuto-specifici)
Alcune delle proteine della risposta primaria accendono i geni della risposta secondaria. In alcuni casi sono questi ultimi ad essere accesi in maniera tessuto specifica Risposta primaria precoce Risposta secondaria ritardata TEMPO geni della risposta primaria geni della risposta secondaria
Per risposte rapide la strategia enzimatica è la più efficace: l ossido di azoto (NO) segnala legandosi direttamente ad un enzima all interno della cellula bersaglio: in molte cellule bersaglio NO si lega alla guanilato ciclasi, che catalizza la formazione di GMP ciclico, segnale intracellulare che porta alla risposta finale: rilassamento delle cellule muscolari lisce e conseguente vasodilatazione
Pazienti con angina pectoris (ischemia miocardica) sono trattati con nitroglicerina, che nel corpo si converte in NO e fa rilassare le arterie coronarie. Nell organismo, l NO è prodotto dalla NO sintasi NOS catalizza la reazione: L-arginine + 3/2 NADPH + H + + 2 O 2 citrulline + nitric oxide + 3/2 NADP + Esistono una NO sintasi endoteliale (enos), neuronale (nnos) e una inducibile (inos) attiva nel sistema immunitario (distruzione di patogeni).
FUNZIONI DELL OSSIDO DI AZOTO (NO) Aumenta il cgmp intracellulare, che inibisce l entrata di calcio nella cellula; Attiva i canali di potassio, che portano a iperpolarizzazione e rilassamento muscolare; Stimola una proteina chinasi che attiva la fosfatasi della catena leggera della miosina, inducendo defosforilazione della catena leggera della miosina e rilassamento del muscolo liscio.
Trasduzione del segnale MOLECOLE SEGNALE IDROFILICHE
Amplificazione e divergenza durante la cascata di trasduzione del segnale L amplificazione può intendersi sia per numero di molecole del bersaglio che per tipi diversi di bersaglio.
Tipi di recettori trans-membrana Recettori con funzione di canali ionici (molti neurotrasmettitori) Recettori collegati a proteine G (la maggior parte degli ormoni idrosolubili) Recettori con attività enzimatica (la maggior parte dei fattori di crescita)
La famiglia dei recettori collegati a proteine G (GPCR) Più di un migliaio di recettori 7 segmenti transmembrana (a elica) Molecole segnale: proteine, peptidi, lipidi e altre piccole molecole Numerosissime funzioni biologiche Bersaglio del 40-50% dei farmaci utilizzati
Uno stesso tipo di segnale extracellulare può indurre varie risposte - tipo di recettore - tipo di proteine G a cui è accoppiato il recettore - effettori attivati nella cellula
I recettori agiscono indirettamente nella regolazione di proteine bersaglio intracellulari. L azione è mediata da proteine che legano GTP o GDP (proteine G)
Le proteine G eterotrimeriche
La varietà delle risposte mediate dalle proteine G trimeriche dipende dall esistenza di molte varianti di queste proteine Le proteine G possono essere attivatrici o inibitrici Gli effettori e i loro substrati possono essere diversi Membri della famiglia Azione mediata da Funzioni G S α Attiva l adenilico ciclasi; attiva canali del Ca 2+ G olf α Attiva l adenilico ciclasi nei neuroni olfattivi G i α βγ Inibisce l adenilico ciclasi Attiva canali del K + G o βγ Attiva canali del K + ; inattiva canali del Ca 2+ α e βγ Attiva la fosfolipasi C G t α Attiva la cgmp fosfodiesterasi nei bastoncelli G q α Attiva la fosfolipasi C
In seguito all attivazione del recettore la proteina G sostituisce il GDP con il GTP e si dissocia La subunità α/gtp (in alcuni casi anche il complesso βγ), fa partire un segnale intracellulare
Effettore Subunità α attivata Attivazione dell effettore da parte della subunità α attivata L idrolisi di GTP da parte della subunità α la inattiva e ne provoca la dissociazione dall effettore Proteina G inattiva La subunità α inattiva si riassocia con il complesso ßγ per riformare una proteina G inattiva Effettore inattivo La subunità α della proteina G, dopo aver attivato l effettore, si autodisattiva
ALCUNE PROTEINE G REGOLANO CANALI IONICI es. cellule miocardiche l apertura dei canali K + altera le proprietà elettriche rallentando il battito cardiaco
TERMINAZIONE DELLA RISPOSTA dei recettori accoppiati a Proteine G Desensibilizzazione impedisce al recettore attivato di continuare ad attivare ulteriori Proteine G. GRK (chinasi del recettore accoppiato a proteine G) Ser Threo kinase Fosforila il dominio citoplasmatico del recettore disattivandolo Le ARRESTINE sono piccole molecole che competono con le proteine G. Anche queste Provocano desensibilizzazione Le ARRESTINE favoriscono l internalizzazione del recettore fosforilato in vescicole di Clatrina Proteine RGS aumentano la capacità di idrolisi del GTP da parte della subunità Ga Un esempio: desensibilizzazione del recettore per chemiochine
TERMINAZIONE DELLA RISPOSTA dei recettori accoppiati a Proteine G
Diverse tossine batteriche agiscono sulle proteine G: VIBRIO CHOLERAE ha un effetto sulle cellule dell epitelio intestinale inibendo l attività GTPasica della subunità Gas. Come effetto c è la secrezione di grandi Quantità di soluti nel lume intestinale: diarrea acquosa BORDETELLA PERTUSSIS ha una tossina che inattiva la subunità Gai (ADP ribosilazione). Questo porta ad un aumento di attività della Guanilato ciclasi e della produzione di camp. Effetto sul sistema immunitario (blocco della chemiotassi)
ALCUNE PROTEINE G ATTIVANO ENZIMI LEGATI ALLA MEMBRANA ADENILATO CICLASI FOSFOLIPASI C Via dell AMP ciclico Via del Ca ++ Due vie attivate dalle proteine G tramite due diversi enzimi effettori
VIA DELL AMP CICLICO Adenilato ciclasi (forma attiva) AMP ciclico Fosfodiesterasi
Molte proteine G segnalano regolando la concentrazione di AMP ciclico (camp) Il camp funziona da secondo messaggero
L AMP ciclico è una molecola estremamente conservata nelle varie specie. E sintetizzato nei batteri in assenza di glucosio, Ciò è dovuto ad un meccanismo che accoppia il trasporto intercellulare del glucosio con l'inibizione della adenilato ciclasi. Anche si induce camp in condizioni di aumentata densità cellulare. E considerato un ANTICO SEGNALE DI FAME Questa funzione si è in qualche modo tramandata negli eucarioti in quanto l AMP ciclico prende parte nella degradazione del glicogeno
Il camp attiva una protein chinasi chiamata Protein chinasi dipendente da camp o Protein chinasi A (PKA) PKA è un eteroetramero composto di 2 Subunità regolatorie e 2 catalitiche A seguito dell interazione con camp le subunità catalitiche si staccano e traslocano al nucleo
Sono stati descritti più di 100 substrati di PKA 1) La PKA attivata fosforila il fattore trascrizionale CREB e induce l espressione di geni che contengono una sequenza regolativa chiamata CRE (elemento di risposta al camp)
2) La PKA attivata fosforila enzimi coinvolti nel metabolismo del glicogeno
La mobilizzazione del glucosio nelle cellule del muscolo scheletrico adrenalina Recettore/proteina G camp PKA (nel citoplasma) Fosforilazione della fosforilasi chinasi fosforilazione della glicogeno fosforilasi = degradazione del glicogeno a glucosio 1P Fosforilazione della glicogeno sintetasi = blocco della sintesi del glicogeno
Amplificazione del segnale che porta alla degradazione del glicogeno in risposta all adrenalina
DIVERSE PROTEINE AKAP mettono in contatto PKA con diversi substrati in porzioni diverse della cellula: importanza dell LOCATION
Il camp influenza molte altre funzioni cellulari
REGOLAZIONE DEI LIVELLI DI GLUCOSIO NEL SANGUE GLUCAGONE è un polipeptide prodotto dalle cellule a del pancreas in risposta a bassi livelli di glucosio AGISCE LEGANDOSI A GPCR ADRENALINA è un ormone da stress prodotto dalla midollare del surrene e provoca un innalzamento dei livelli del glucosio AGISCE LEGANDOSI A GPCR INSULINA è prodotta da cellule b del pancreas in risposta a elevati livelli di glucosio è un recettore ad attività tirosino-chinasica
Alcune risposte cellulari indotte da ormoni tramite camp Tessuto bersaglio Ormone Risposta principale Muscolo adrenalina Demolizione del glicogeno Cuore adrenalina Aumento della frequenza cardiaca e della forza di contrazione Corteccia surrenale Ormone adrenocorticotropo (ACTH) Secrezione di cortisolo Ghiandola tiroidea Ormone stimolante la tiroide (TSH) Secrezione dell ormone tiroideo Grasso Adrenalina, glucagone, ACTH, TSH Demolizione dei trigliceridi
I recettori olfattivi sono recettori associati a proteine G e stimolano una risposta tramite il camp Il neuroepitelio olfattivo dispone di migliaia (cani e topi) o centinaia (uomo) di recettori associati a proteine G, uno per ogni cellula, in grado di legare, ciascuno, molte molecole di odorante diverse. La combinazione specifica di recettori su un insieme distinto di cellule olfattive, permette la discriminazione di migliaia di odori diversi.
Due vie attivate dalle proteine G tramite due diversi enzimi effettori ADENILATO CICLASI FOSFOLIPASI C Via dell AMP ciclico Via del Ca ++
VIA DELLA FOSFOLIPASI C La concentrazione degli ioni Ca2+ viene mantenuta bassa nel citoplasma spostando il Ca2+ verso l esterno della cellula o in compartimenti intracellulari
FOSFATIDIL INOSITOLO viene fosforilato per formare PIP2 e tagliato dalla Fosfolipasi C beta in diacil glicerolo e inositolo trifosfato
La fosfolipasi C taglia un fosfolipide di membrana, il fosfatidil-inositolo, producendo due messaggeri intracellulari, IP3 e DAG fosfatidil-inositolo diacilglicerolo Fosforilazione di varie proteine Inositolo-trifosfato (IP3) Ca ++ Ulteriore attività come secondo messaggero
IP3 a sua volta rilascia ioni Ca 2+ dai depositi intracellulari fosfatidil-inositolo diacilglicerolo Fosforilazione di varie proteine Inositolo-trifosfato (IP3) Ca ++ Ulteriore attività come secondo messaggero Il Calcio, insieme al DAG, attiva la proteina chinasi C, PKC (Ca2+ dipendente)
La fosforilazione del PIP2 a PIP3 ad opera della fosfatidil inositolo 3 chinasi PI3K è un passaggio importante perché l iperattività di PI3K è stata riscontrata in molti tumori. Ad oggi sono allo studio e in clinica molti farmaci antitumorali che inibiscono chimicamente l attività di PI3K. L attività di PI3K è regolata da FOSFATASI tra cui PTEN Gli anelli di inositolo fosforilati dei fosfoinositidi formano un sito di legame per il dominio PH PLEXTRIN HOMOLOGY che è stato identificato in più di 150 proteine. Questo permette alle proteine di localizzarsi a livello della membrana plasmatica in punti particolari arricchiti in altre proteine adattatrici e ad attività chinasica, dando via a processi di trasduzione del segnale
RISPOSTE MEDIATE DALLA PROTEINO CHINASI C LA proteino chinasi C ha una gran quantità di effetti nella cellula. In laboratorio si usano attivatori della proteino chinasi C (esteri del forbolo) per stimolare la proliferazione cellulare. Regolazione della contrattilità Idrolisi del glicogeno Produzione di diversi ormoni La sua dis-regolazione (i.e. forma costitutivamente attiva) porta alla trasformazione tumorale
Molti degli effetti del Ca 2+ sono mediati dalla proteina calmodulina Il complesso Ca 2+ /calmodulina attiva una varietà di proteine bersaglio, incluse le proteina chinasi Ca/calmodulinadipendenti (CaM-chinasi) Fosforilazione di CREB nello stesso sito di PKA
EFFETTI MEDIATI DA RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G: - L attivazione dell adenilato ciclasi, tramite la produzione di AMP ciclico, porta all attivazione della PROTEINA CHINASI A (PKA). - L attivazione della fosfolipasi C, tramite la produzione di diacil glicerolo, inositol-trifosfato e rilascio di ioni Ca2+, porta all attivazione della PROTEINA CHINASI C (PKC) e delle CaM-chinasi. - AMP ciclico, IP3, DAG e ioni Ca2+ sono definiti secondi messaggeri.
Ore 14-15 lunedì/mercoledì II piano V clinica medica raffaele.strippoli@uniroma1.it