COMUNICAZIONE CELLULARE (1) Membrana Plasmatica: Comunicazione Cellulare (Seminario) Biotec_2012 Il corpo umano è composto da circa 75 trilioni di cellule. Come fanno queste cellule a comunicare fra di loro? Due tipi di segnali fisiologici: Elettrici = alterazioni del potenziale di membrana delle cellule Chimici = molecole secrete nel fluido extracellulare (maggior parte dei casi) Cellule bersaglio : le cellule che ricevono e rispondono ai segnali COMUNICAZIONE CELLULARE (2) Giunzioni comunicanti: gap junctions (1) Tre metodi di comunicazioni cellulari: Trasferimento diretto di segnali elettrici o chimici dal citoplasma di una cellula a quello di un altra attraverso giunzioni comunicanti ( gap junctions ) Comunicazione mediante diffusione passiva di sostanze chimiche (a corto raggio) Comunicazione a lunga distanza mediante segnali elettrici (cellule nervose) o segnali chimici (attraverso il sangue) Recettori per le molecole di segnalamento Hanno due funzioni: Si legano ai ligandi (molecole di segnalamento) Trasducono il messaggio della molecola di segnalamento in un a risposta cellulare Trasduzione di segnale La trasduzione di un segnale assicura che un messaggio possa essere convertito da una linguaggio in un linguaggio diverso durante il suo viaggio e ciò nonostante mantenga il suo contenuto originario. http://www.scq.ubc.ca/conversing at the cellular level an introduction to signal transduction/ 1
Come comunicano le cellule? Una cellula la cellula segnalatrice produce una particolare molecola chimica che viene individuata da un altra cellula la cellula recettrice mediante una proteina recettrice che riconosce la molecola e risponde ad essa specificamente. La proteina che funge da recettore rappresenta il primo passo del processo mediante il quale il segnale chimico presente fuori dalla cellula verrà convertito ( trasdotto ) in diversi tipi di segnale all interno della cellula. In seguito questi segnali indirizzeranno il comportamento della cellula. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk215 17/figure/A5719/?report=objectonly Una proteina recettrice si legga ad un specifico segnale chimico e subisce una modificazione conformazionale. Tale cambiamento scatena ulteriori reazioni all interno della cellula, trasmettendo il segnale dall esterno all interno della cellula. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk21517/figure/a 5722/?report=objectonly Kreuzer Giunzioni comunicanti: gap junctions (2) Le giunzioni comunicanti costituiscono un passaggio aperto attraverso il quale gli ioni e le piccole molecole possono direttamente passare da una cellula all'altra. All altezza di queste giunzioni le membrane plasmatiche delle due cellule adiacenti sono separate da uno spazio molto regolare di 2 3 nm. ( gap : indica questa separazione regolare). Gli ioni e le piccole molecole come gli aminoacidi e ATP possono passare direttamente da una cellula all altra. Le molecole di dimensioni superiori sono escluse. Le giunzioni comunicanti rappresentano l UNICO modo tramite il quale i segnali possono passare direttamente da una cellula all altra. COMUNICAZIONE CELLULARE (a) Le cellule dipendono dal loro ambiente per le materie prime necessarie per il mantenimento della vita. La loro membrana plasmatica contiene una gran varietà di diversi canali e trasportatori che permettono di importare selettivamente le sostanze inorganiche ed organiche necessarie a mantenersi, svolgere il loro compiti specializzati e di rilasciare prodotti di rifiuto. E anche essenziale per la loro sopravvivenza che le cellule comunichino con le cellule circostanti, controllino le condizioni del loro ambiente e rispondano in modo appropriato ad una moltitudine di stimoli che vengono a contatto con la loro superficie. Le cellule attuano queste interazioni per mezzo di un fenomeno noto come comunicazione cellulare, nella quale l informazione é trasferita attraverso la membrana plasmatica verso l interno della cellula e spesso fino al nucleo. 2
COMUNICAZIONE CELLULARE (b) Nella maggior parte delle cellule la comunicazione cellulare comprende: Il riconoscimento dello stimolo sulla superficie esterna della membrana plasmatica, per mezzo di uno specifico recettore compreso nella membrana. Il trasferimento del segnale attraverso la membrana plasmatica verso la superficie citoplasmatica. La trasmissione del segnale a specifiche molecole effettrici sulla superficie interna della membrana o all interno del citoplasma che fa scattare la risposta cellulare, che può essere rappresentata da un cambiamento nell espressione genica, un alterazione dell attività di enzimi metabolici, una riconfigurazione del citoscheletro, un cambiamento di permeabilità agli ioni, l attivazione della sintesi del DNA, o perfino la morte della cellula. La cessazione della risposta come effetto della distruzione o inattivazione della molecola segnale che si accompagna ad una diminuzione del livello dello stimolo extracellulare. COMUNICAZIONE CELLULARE (c) Tuttavia, NON tutta l informazione é trasmessa dallo spazio extracellulare all interno della cellula per mezzo di recettori cellulari sulla membrana plasmatica. Esempi: Gli ormoni steroidei agiscono sulle cellule bersaglio diffondendo attraverso la membrana plasmatica e interagendo con una proteina recettrice interna alla cellula, trasformandola in un fattore trascrizionale attivo. L ossido di azoto, NO, un gas che passa attraverso la membrana plasmatica e agisce sul sito attivo di alcuni enzimi influenzandone l attività. Sostanze che si legano ai recettori sulla superficie cellulare evocando la loro risposta direttamente, senza dover innescare un segnale all interno della cellula. Il neurotrasmettitore acetilcolina agisce attraverso un simile meccanismo quando è legato al suo recettore sulla cellula muscolare scheletrica, aprendo un canale ionico situato all interno del recettore stesso. Secondo messaggero Sostanza rilasciata all interno della cellula come risposta al legame di un primo messaggero (un ormone o un altro ligando) ad un recettore posto sulla superficie esterna della cellula. Es. AMP ciclico (camp) inositolo 1,4,5 trifosfato (IP 3 ) diacilglicerolo (DAG) Ca 2+ Messaggeri extracellulari Piccole molecole, come aminoacidi e loro derivati: Glutamato, glicina, acetilcolina, adrenalina, dopamina e ormoni tiroidei [neurotasmettitori, ormoni] Gas, come O 2, NO, CO. Steroidi (derivati dal colesterolo). Regolano il dimosrfismo sessuale, la gravidanza, il metabolismo dei carboidrati e la fuoriuscita degli ioni sodio e potassio. Eicosanoidi, molecole apolari di 20 atomi di carbono, derivate dall acido arachidonico. Regolano dolore, infiammazione, pressione sanguigna, coagulazione. Molti polipeptidi e proteine: Transmembrana, espresse sulla superficie cellulare che interagiscono con cellule bersaglio. Della matrice extracellulare o ad essa associate Secrete nello spazio extracellulare, regolano la divisione cellulare, il differenziamento, la risposta immunitaria, la morte o la sopravvivenza cellulare. Una via semplice di segnalamento intracellulare attivata da una molecola di segnalamento extracellulare. Risposte diverse indotte dal neutrotrasmettitore acetilcolina La molecola segnale si lega ad una proteina recettore (che di solito è inserita membrana plasmatica), attivando in questo modo una via di segnalamento intracellulare che é mediata da una serie di proteine di segnalamento. Infine, una o più di queste proteine di segnalamento interagisce con una proteina bersaglio, alterandola, e perciò collabora a cambiare il comportamento della cellula. Tipi cellulari differenti sono specializzati per rispondere all acetilcolina in modi diversi. (A e B) Per questi due tipi cellulari l acetilcolina si lega a recettori simili, ma i segnali intracellulari prodotti sono interpretati diversamente da cellule specializzate per svolgere funzioni differenti. (C) Questa cellula muscolare produce un tipo di recettore diverso per l acetilcolina, che genera segnali intracellulari diversi da quelli generati dal recettore illustrato in (A) e (B), e provoca un effetto differente. (D) Struttura chimica dell acetilcolina. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk21059/figure/a2741/?report=objectonly http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26813/figure/a2757/?report=objectonly 3
Dipendenza della cellule animali da molteplici segnali extracellulari. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26813/figure/a2755/?report=obj ectonly Ogni tipo cellulare ha a disposizione un insieme di recettori che le permettono di rispondere ad un insieme corrispondente di molecole di segnalamento prodotte da altre cellule. Queste molecole di segnalamento lavorano in collaborazione per regolare il comportamento della cellula Come qui illustrato, una singola cellula richiede diversi segtnali per sopravvivere (frecce blu) esegnali addizionali per dividersi (freccia rossa) o differenziarsi (frecce verdi). Se deprivata degli appositi segnali di sopravvivenza, una cellula subirà una forma di suicidio cellulare nota come morte cellulare programmata, o apoptosi. RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G Molecole di segnalamento lipofiliche Diffondono attraverso il doppio strato lipidico delle membrane cellulari e si legano a recettori sia nel citoplasma che nel nucleo. Solitamente l attivazione di un recettore accende un gene e porta il nucleo a produrre un nuovo mrna Il nuovo mrna a sua volta funge da stampo per la sintesi di nuove proteine Processi relativamente lenti (richiedono diverse ore o di più) Action of steroid hormones The steroid hormones diffuse across the plasma membrane and bind to nuclear receptors, which directly stimulate transcription of their target genes. The steroid hormone receptors bind DNA as dimers. Structure of steroid hormones, thyroid hormone, vitamin D 3, and retinoic acid The steroids include the sex hormones (testosterone, estrogen, and progesterone), glucocorticoids, and mineralocorticoids. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk9924/figure/a2203/?report=objectonly http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk9924/figure/a2204/?report =objectonly 4
Molecole di segnalamento lipofobiche Non potendo entrare nelle cellule si legano a recettori sulla membrana cellulare delle cellule bersaglio Il tempo di risposta è rapido (millisecondi a secondi). Tipi di recettori Recettori accoppiati a proteine G Recettori ad attività tirosina chinasica Recettori canale Recettori per gli ormoni steroidei Altri recettori (es. recettori delle cellule B e T) Recettori di membrana Canali ionici a controllo di ligando: l arrivo del segnale apre o chiude il canale (l aumento o diminuzione della permeabilità ad ioni quali il Na +, K + o Cl provoca una alterazione del potenziale di membrana) Integrine legate al citoscheletro Recettori con attività enzimatica Recettori accoppiati a proteine G con sette domini che attraversano la membrana http://www.utm.utoronto.ca/~w3bio315/lecture6.htm 5
Trasduzione di segnale RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G TRIMERICHE Le proteine che legano il GTP funzionano come degli interruttori cellulari Guanosina trifosfato (GTP) L attività di una proteina che lega il GTP (detta anche GTPasi) di solito richiede la presenza di una molecola di GTP legata strettamente (interruttore acceso ). L idrolisi di questa molecola di GTP produce GDP e fosfato inorganico (P i ) e induce la proteina ad assumere una conformazione differente, di solito inattiva (interrutore spento ). Come qui illustrato, il reset dell interruttore richiede che il GDP legato fortemente si dissoci, un passo lento che viene estremamente accelerato da segnali specifici; una volta che il GDP si dissocia, la molecola di GTP si unisce di nuovo rapidamente. Recettori accoppiati a proteine G Traducono il legame di una molecola segnale extracellulare nell attivazione di proteine che legano il GTP [proteine G] Structure of a G proteincoupled receptor The G protein coupled receptors are characterized by seven transmembrane α helices. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk9866/figure/a2219/?report=objectonly http://www.sigmaaldrich.com/life-science/cell-biology/learning-center/pathway-slides-and/diversity-of-g-proteincoupled-receptor-signal-tdp.html 6
Module 2: Figure G protein binary switching Module 2: Figure heterotrimeric G protein signalling Evaluation only. Created with Aspose.PowerPoint. Copyright 2004 Aspose Pty Ltd. Cell Signalling Biology - Michael J. Berridge - www.cellsignallingbiology.org - 2012 Cell Signalling Biology - Michael J. Berridge - www.cellsignallingbiology.org - 2012 Proteina G trimerica (1) Proteina G trimerica (2) The switching off of the G protein α subunit by the hydrolysis of its bound GTP After a G protein α subunit activates its target protein, it shuts itself off by hydrolyzing its bound GTP to GDP. This inactivates the α subunit, which dissociates from the target protein and reassociates with a βγ complex to re form an inactive G protein. Binding to the target protein or to a membrane bound RGS protein (not shown) usually stimulates the GTPase activity of the α subunit; this stimulation greatly speeds up the inactivation process shown here. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26912/figure/a2 799/?report=objectonly http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk9866/figure/a2221/?report=objectonly 7
Recettori associati a proteine G Bersaglio: Adenilato Ciclasi 2 Messaggero: camp ADENIL CICLASI An example of a signal transduction cascade involving cyclic AMP The synthesis and degradation of cyclic AMP In a reaction catalyzed by the enzyme adenylyl cyclase, cyclic AMP (camp) is synthesized from ATP through a cyclization reaction that removes two phosphate groups as pyrophosphate (Figure 15 31. The synthesis and degradation of cyclic AMP. Figure 15 31. The synthesis and degradation of cyclic AMP.); a pyrophosphatase drives this synthesis by hydrolyzing the released pyrophosphate to phosphate (not shown). Cyclic AMP is unstable in the cell, because it is itself hydrolyzed by a specific phosphodiesterase to form 5 AMP, as indicated. The binding of adrenaline to an adrenergic receptor initiates a cascade of reactions inside the cell. The signal transduction cascade begins when adenylyl cyclase, a membrane bound enzyme, is activated by G protein molecules associated with the adrenergic receptor. Adenylyl cyclase creates multiple cyclic AMP molecules, which fan out and activate protein kinases (PKA, in this example). Protein kinases can enter the nucleus and affect transcription. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26912/figure/a2802/?r eport=objectonly http://www.nature.com/scitable/topicpage/cell-signaling-14047077 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/n BK21718/figure/A5791/ Hormonal activation of adenylyl cyclase Binding of hormone promotes the interaction of the receptor with a G protein. The activated G protein α subunit then dissociates from the receptor and stimulates adenylyl cyclase, which catalyzes the conversion of ATP to camp. 1 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk9866/figure/a2220/ 8
Metabolic Responses to Hormone Induced Rise in camp in Various Tissues 2 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nb K21718/figure/A5791/ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk21705/table/a5862/?report=objectonly RUOLO DEI LIPIDI NEL SEGNALAMENTO Recettori associati a proteine G Bersaglio: Fosfolipasi C 2 MESSAGGERI: IP 3, DAG eca 2+ Il diacilglicerolo (DAG) rimane sulla membrana ed attiva la PKC. Viceversa, l inositolo 1,4,5 trisfosfato (IP 3 )é solubile e attiva dei recettori IP 3 nell reticolo endoplasmatico liscio, ER. Questi canali rilasciano Ca 2+ verso il citoplasma. Il Ca 2+ attiva oppure inibisce molte proteine. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26912/figure/a2812/?report=objectonly http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk9870/figure/a2244/?report=objectonly http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk21705/figure/a5865/?report=objectonly 9
Ca 2+ mobilization by IP 3 Ca 2+ is pumped from the cytosol into the endoplasmic reticulum, which therefore serves as an intracellular Ca 2+ store. IP 3 binds to receptors that are ligandgated Ca2+ channels in the endoplasmic reticulum membrane, thereby allowing the efflux of Ca 2+ to the cytosol. Trasduzione di segnale RECETTORI AD ATTIVITÀ TIROSINA CHINASICA http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk9870/figure/a2247/?report=objectonly Chinasi ( Kinases ) (1) Recettori ad attività tirosina chinasica Le chinasi sono enzimi che usano l ATP per fosforilare molecule all interno della cellula. I nomi dati alle chinasi indicano il substrato che viene fosforilato dall enzima. Ad es: Esochinasi un enzima che usa l ATP per fosforilari gli esosi (zuccheri con 6 atomi di carbono, ad es. Il glucosio) Proteina chinasi enzimi che usano l ATP per fosforilare proteine all interno della cellula (N.B. La esochinasi è una proteina, ma non è una proteina chinasi) Fosforilasi chinasi: un enzima che usa l ATP per fosforilare la proteina fosforilasi all interno della cellula. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26822/ Recettori ad attività tirosina chinasica Il legame di uno specifico ligando provoca di solito la dimerizzazione del recettore, seguita dall attivazione del dominio protein chinasico associato alla regione citoplasmatica. In seguito all attivazione queste protein chinasi fosforilano specifici residui di tirosina sui loro substrati citoplasmatici modulando la loro attività, localizzazione o capacità di interazione con altre proteine della cellula. 10
Ad ogni chinasi la sua fosfatasi Regulation of protein phosphorylation by protein kinase A and protein phosphatase 1 The phosphorylation of target proteins by protein kinase A is reversed by the action of protein phosphatase 1. http://withfriendship.com/user/sathvi/receptor-tyrosine-kinase.php http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk9870/figure/a2240/?report=objectonly Protein phosphorylation Many thousands of proteins in a typical eucaryotic cell are modified by the covalent addition of a phosphate group. (A) The general reaction, shown here, entails the transfer of a phosphate group from ATP to an amino acid side chain of the target protein by a protein kinase. Removal of the phosphate group is catalyzed by a second enzyme, a protein phosphatase. In this example, the phosphate is added to a serine side chain; in other cases, the phosphate is instead linked to the OH group of a threonine or a tyrosine in the protein. (B) The phosphorylation of a protein by a protein kinase can either increase or decrease the protein s activity, depending on the site of phosphorylation and the structure of the protein. Chinasi ( Kinases ) (2) Le chinasi fosforilano altre proteine all interno della cellula e, mediante le alterazioni conformazionali e di carica elettrica risultanti, le proteine fosforilate subiscono un attivazione oppure un inattivazione dell espressione della loro attività biologica. Se una proteina è fosforilata da una chinasi, il gruppo fosfato deve alla fine venire rimosso da una fosfatasi mediante idrolisi. Se ciò non accadesse, la proteina fosforilata sarebbe in uno stato costante di attivazione o di inattivazione. Le chinasi e le fosfatasi regolano tutti gli aspetti della funzione cellulare. Si ritiene che 1 2% dell intero genoma codifichi per chinasi e fosfatasi. Nell Uomo ci sono almeno 518 proteina chinasi differenti http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26911/figure/a504/?report=objectonly http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/signaltrans/olsignalkinases.html Recettori ad attività tirosina chinasica (2) Cinque vie di segnalazione attivate da recettori associate a proteine G, a recettori di tipo tirosina chinasi o a entrambi. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk9866/ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk26822/figure/a2866/?report=objectonly 11