Appunti Biochimica clinica e biologia molecolare clinica

Integrazione e coordinamento delle attività metaboliche nelle diverse cellule, tessuti, organi

Il ruolo dei mediatori extracellulari di tipo ormonale.

Negli organismi pluricellulari abbiamo il differenziamento cellulare e la divisione del lavoro, di conseguenza abbiamo l’omeostasi metabolica ovvero i mediatori extracellulari e nervosi integrano e coordinano le attività metaboliche nei diversi tessuti.

I mediatori del segnale possono essere di tipo solubile, in solvente acquoso o che può comunque diffondere nell’organismo tramite dei trasportatori, oppure non solubile.

Modalità di rilascio del neurotrasmettitore

Le modalità di rilascio del neurotrasmettitore sono:

• Esocitosi/secrezione.
• Diffusione.
• Proteolisi: processo che consente ad un ligando non solubile di essere rilasciato nell’ambiente.

Modalità di segnalazione in un organismo complesso

Le modalità di segnalazione in un organismo complesso avvengono attraverso i mediatori chimici che possono essere:

• Endocrina: i mediatori del segnale, fattori di crescita, citochine, ormoni, sono secreti e immessi nel circolo sanguigno attraverso il quale raggiungono le cellule bersaglio sulle quali agiscono. Sono molecole solubili o vengono veicolate da proteine plasmatiche.
• Paracrina: avviene tra cellule vicine sulle quali i segnali inducono risposte rapide e di breve durata in quanto i mediatori del segnale vengono rapidamente degradati. È mediata da molecole del segnale locali ed è un mezzo rapido attraverso il quale le cellule possono modificare l’ambiente e le cellule che le circondano secernendo molecole nello spazio intercellulare comune.
• Sinapsi chimica: fra neuroni e cellule bersaglio, la molecola viene rilasciata in uno spazio ristretto ad elevata concentrazione e viene rapidamente rimossa.
• Iuxtacrina: è una segnalazione contatto dipendente tra cellula e cellula o cellula matrice.
• Recettore/ligando: interagiscono un recettore esposto sulla membrana di una cellula e il suo ligando espresso in o su un’altra cellula vicina, Notch, caderine nectine, ...
• Giunzioni comunicanti: mettono in comunicazione i compartimenti intracellulari di due cellule vicine consentendo il transito di molecole relativamente piccole, gap junctions, plasmodesmi.
• Sinapsi elettrica: fra neuroni e cellule bersaglio, la molecola viene rilasciata in uno spazio ristretto ad elevata concentrazione e viene rapidamente rimossa.
• Autocrina: la cellula secerne un ligando per il quale esprime anche il recettore, è un meccanismo frequentemente utilizzato dalle cellule tumorali per sostenere la proliferazione e la sopravvivenza, espressione aberrante del recettore o del suo ligando. È frequente durante lo sviluppo e il differenziamento dei tessuti e nei processi infiammatori.
• Intracrina.

Mediatori chimici del segnale

I mediatori chimici del segnale ovvero i diversi tipi di ligando sono: fattori di crescita, EGF, FGF, PDGF, ...; citochine, TNFs, lipochine, miochine, interleuchine; chemochine, CCL14, CCL19, CCL20; molecole legate alla membrana; componenti della matrice; ormoni; neurotrasmettitori; altri mediatori locali o a breve distanza, ATP, eicosanoidi, nucleotidi, molecole semplici, ioni; altri mediatori, acidi grassi, retinoidi; mediatori intracellulari, intermedi metabolici, gas, ioni.

Alcune caratteristiche distinguono gli ormoni dalle citochine e dai fattori di crescita:

1. Sono prodotti da cellule specializzate.
2. Di solito agiscono a lunga distanza.
3. La concentrazione plasmatica è generalmente costante e se varia lo fa entro limiti ben definiti nel tempo ed entro determinati range di concentrazione.
4. La concentrazione plasmatica è relativamente bassa.

La concentrazione degli ormoni può subire ampie oscillazioni nel tempo ma, in condizioni fisiologiche, entro intervalli ben definiti di tempo e concentrazione.

Caratteristiche degli ormoni

Le caratteristiche degli ormoni sono:

• È prodotto da cellule specializzate, a volte organizzate in tessuti ghiandolari, presenti negli organismi pluricellulari che sono trasportate nel torrente circolatorio per raggiungere organi e tessuti anche molto distanti per regolarne la fisiologia e la funzione, segnalazione endocrina, ma possono agire anche mediante segnalazione paracrina.
• Coordina azioni a lungo termine.
• Possono avere strutture chimiche molto diverse.
• Proteine e peptidi.
• Derivati degli amminoacidi.
• Steroidi.
• Derivati della vitamina D3.
• Feromoni: sono molecole rilasciate nell’ambiente per comunicare con altri organismi della stessa specie, traccianti per ricerca del cibo, partner o definire il territorio.
• Neuro ormoni: classe di ormoni che vengono prodotti dai neuroni e vengono rilasciati nel torrente circolatorio.

Gli ormoni sono trasportati dal sangue e modificano a distanza l’attività di diversi tipi cellulari con meccanismo di tipo recettoriale, segnalazione endocrina, mentre i neurotrasmettitori modificano a distanza l’attività di diversi tipi cellulari con meccanismo di tipo recettoriale ma agiscono in spazi limitati, segnalazione sinaptica. Alcune molecole si comportano sia da ormoni che da neurotrasmettitori, adrenalina.

Classificazione degli ormoni

• Ammine biogene: derivano dagli amminoacidi, sono prodotte da cellule specializzate che esprimono gli enzimi necessari per la loro sintesi e agiscono da ormoni o neurotrasmettitori, dopamina, noradrenalina, adrenalina, istamina, tiramina, triptamina, serotonina.
• Eicosanoidi: derivano dall’acido arachidonico, valore nutrizionale degli acidi grassi poliinsaturi, sono prodotti da cellule specializzate che possiedono gli enzimi necessari e hanno una segnalazione di tipo paracrino, prostaglandine, leucotrieni, trombossani, lipossine.
• Ormoni tiroidei: tirosina, tiroxina, triiodotironina, inverso triiodotironina, inattivo.

Classificazione dei recettori

Classificazione degli ormoni in base alla via di segnalazione intracellulare attivata

Biochimica degli ormoni

L’ipotalamo è il centro di coordinamento del sistema endocrino, riceve e integra i messaggi che derivano dal sistema nervoso centrale e i segnali biochimici dagli organi.

L’ipotalamo regola l’omeostasi:

1. Rappresenta il principale centro di comunicazione tra il sistema nervoso e il sistema endocrino.
2. Controlla il sistema nervoso autonomo.
3. Regola il rilascio di ormoni dall’adenoipofisi.
4. Influenza i comportamenti come la fame e la sete, le emozioni e il comportamento sessuale.
5. Coordina i sistemi motivazionali.
6. Regola il bilancio idrosalino.
7. Genera e regola il ritmo circadiano.
8. Regola la temperatura corporea.

Input all’ipotalamo

Informazioni umorali: sono presenti organi circumventricolari, raggruppamenti cellulari collocati in regioni ventricolari para mediane dove la barriera ematoencefalica è interrotta ed è sostituita dai taniciti, delle cellule ependimali specializzate. I taniciti producono in parte il liquido cefalorachidiano ma concorrono anche all’endocitosi di sostanze utili per la glia o per i neuroni sottostanti e ne secernono altre all’interno del liquor: non c’è barriera ematoencefalica, possono controllare sostanze presenti nel sangue che normalmente non entrano in contatto nei tessuti nervosi, IL1.

Informazioni nervose:

• Nucleo del tratto solitario, tronco encefalico: informazioni sensoriali viscerali trasportate dal vago.
• Formazione reticolare: riceve numerosi input dal midollo spinale, controllo di molte funzioni del sistema nervoso vegetativo tra cui quelle cardiocircolatorie, respiratorie e gastrointestinali, nocicettive.
• Retina: alcune fibre del nervo ottico vanno al nucleo soprachiasmatico.
• Sistema limbico e olfattivo: l’amigdala, l’ippocampo e la corteccia olfattiva proiettano all’ipotalamo e regolano comportamenti come il mangiare la riproduzione.

Output dall’ipotalamo

Segnali nervosi: l’ipotalamo laterale proietta il midollo allungato e al midollo spinale nuclei vagali parasimpatici e un gruppo di cellule che discendono al sistema simpatico del midollo spinale controlla la frequenza cardiaca, la vasocostrizione, la digestione, la sudorazione, la respirazione, la formazione reticolare encefalica, i nervi cranici.

Sistemi integrativi centrali: sete, fame, sazietà, comportamento sessuale, sonno veglia.

Segnali endocrini: neuroipofisi posteriore, ossitocina e vasopressina.

Rilascio di releasing factors i quali a loro volta inducono la secrezione dei rispettivi ormoni ACTH, TSH, LH, FSH da parte dell’ipofisi anteriore.

Fattori di rilascio ipotalamici

• Sono di natura polipeptidica.
• Sono sintetizzati da neuroni localizzati nei nuclei arcuato, infundibulare, paraventricolare, preottico e soprachiasmatico.
• Raggiungono per via ematica l’ipofisi anteriore attraverso i capillari infundibulari.
• Ciascuno regola in modo specifico positivamente o negativamente la secrezione degli altrettanti peptidi, tropine, di sintesi ipofisaria.

TRH, ormone di rilascio della tireotropina o TSH.

CRH, ormone di rilascio della corticotropina o ACTH.

GHRH, ormone di rilascio dell’ormone della crescita.

PRH, ormone di rilascio della prolattina.

GNRH, ormone rilascio delle gonadotropine FSH e LH.

SS, somatostatine.

DA, dopamina.

AVP/ADH, arginina vasopressina/ormone antidiuretico.

OT, ossitocina.

Gli ormoni ipotalamici, arginina vasopressina, ormone antidiuretico, ossitocina, vengono sintetizzati prevalentemente dai neuroni posti nei nuclei sopraottico e paraventricolare dell’ipotalamo e rilasciati dalle terminazioni nervose nei capillari dell’ipofisi posteriore, neuroipofisi.

Ossitocina e vasopressina sono nonapeptidi ciclici sintetizzati nell’ipotalamo e uniti a proteine dette neurofisine. Il complesso ormone-neurofisina è contenuto in granuli secretori e rilasciato dai neuroni. L’etanolo inibisce il rilascio di ossitocina e vasopressina.

Ossitocina

• Esiste un solo tipo di recettore dell’ossitocina.
• L’ossitocina, insieme a estrogeni, stimola le contrazioni uterine, che sono bloccate dal progesterone. Causa anche contrazioni della muscolatura liscia nelle ghiandole mammarie per rilasciare latte. La secrezione di latte produce riflesso neuroumorale che causa la secrezione di ossitocina. Inoltre, tale ormone causa la contrazione delle cellule mioepiteliali dei dotti mammari e la secrezione di latte.
• L’ossitocina aiuta a regolare porzioni del sistema nervoso autonomo.
• I recettori aumentano di numero tra l’inizio della gravidanza e del travaglio.
• Legandosi a recettori, GPCR, accoppiati a proteine Gq presenti sul miometrio e sulle cellule mioepiteliali, l’ossitocina determina il rilascio di ioni calcio dal reticolo sarcoplasmatico che causa l’attivazione delle chinasi delle catene leggere della miosina, successivamente quindi la contrazione uterina e dei dotti galattofori.
• Stimola la produzione di prostaglandine che causano ulteriori contrazioni uterine.
• Nel miometrio il recettore GPCR per l’ossitocina si smaschera e lega Gaq/11, Gai e Ga12/13; questi complessi legano poi PLC-b i quali controllano l’idrolisi di PIP2 in IP3 e DAG. Questo determina lo spostamento del calcio dal reticolo sarcoplasmatico e l’attivazione delle proteine chinasi c, PKC. L’attivazione delle PKC provoca l’inibizione dei canali del potassio limitando la concentrazione di potassio e depolarizzando la membrana; l’apertura dei canali del calcio voltaggio dipendente, L-type, provoca l’ingresso del calcio nella cellula. L’inibizione della pompa Ca-ATPasi inibisce l’uscita del calcio.
• In assenza di calcio e CaM, la sequenza autonibitoria N-terminale alla sequenza di legame CaM maschera il sito catalitico, bloccando il legame con RLC e la fosforilazione; il legame calcio/CaM alla sequenza di legame CaM sposta il segmento autoregolatorio esponendo la fessura catalitica per il legame RLC, catene leggere. Pertanto l’attività catalitica dipende completamente da calcio/CaM. Il calcio lega la calmodulina, questo complesso attiva le MLC chinasi provocando la contrazione del miometrio. Il DAG attivato e le proteine chinasi c segnalano la fosforilazione di CPI-17 mentre l’ossitocina lega il suo recettore attivando Rho-A che a sua volta attiva ROCK. Sia CPI-17 e ROCK, entrambe fosforilate, inibiscono MLC fosfatasi provocando la fosforilazione della miosina e la contrazione del miometrio.
• In risposta ad uno stimolo una specifica fosfolipasi A2 presente nella maggior parte delle cellule dei mammiferi, agisce sui fosfolipidi di membrana e rilascia l’arachidonato dal carbonio centrale del glicerolo; enzimi del reticolo endoplasmatico liscio convertono l’arachidonato in prostaglandine. Il processo inizia con la formazione della prostaglandina H2, PGH2, il precursore di molte altre prostaglandine e dei trombossani. Le due reazioni che portano alla sintesi di PGH2 sono catalizzate da un enzima bifunzionale la cicloossigenasi, COX, detta anche prostaglandina H2 sintasi. Nella prima delle due tappe l’attività cicloossigenasica introduce molecole di ossigeno nell’arachidonato e lo converte in PGG2; la seconda tappa catalizzata dall’attività perossidasica della COX, converte la PGG2 in PGH2. I mammiferi hanno due forme isoenzimatiche della prostaglandina H2 sintasi la COX1 e la COX2.
• OXT, ADH e i loro recettori sono anche espressi in diverse aree del SNC ed esercitano effetti neuromodulatori sull’omeostasi e sul comportamento.
• Entrambi sono stati definiti neuropeptidi “sociali”, poiché hanno un ruolo altamente conservato come mediatori di complesse attività cognitive sociali e di interazione sia negli animali che nell’uomo. Ma, mentre l’ossitocina esercita anche effetti ansiolitici e antidepressivi, l’ADH promuove l’ansia e la risposta allo stress.

ADH ed equilibrio idrosalino

La sete è regolata da osmorecettori presenti nel nucleo sopraottico e paraventricolare e da recettori da stiramento per il volume di acqua, barorecettori, presenti nell’arco aortico e nel seno carotideo.

La secrezione di ADH e il controllo della sete sono due meccanismi strettamente interconnessi, che dipendono dalla volemia e dall’osmolarità plasmatica.

Gli osmorecettori registrano anche piccole variazioni di osmolarità. L’aumento provoca la disidratazione degli osmorecettori che inducono lo stimolo della sete e la secrezione di ADH.

Ci sono osmocettori periferici lungo le regioni superiori del tubo digerente e nei vasi sanguigni che raccolgono i soluti assorbiti dall’intestino; gli osmocettori in queste aree possono quindi rilevare la forza osmotica dei materiali ingeriti e attraverso connessioni afferenti al SNC inducono risposte anticipatorie che potrebbero tamponare il potenziale impatto delle perturbazioni osmotiche correlate all’ingestione. Gli osmocettori cerebrali primari che modulano la sete e il rilascio di AVP quindi sembrano essere localizzati in regioni del cervello che sono privi di una barriera emato-encefalica come organi circumventricolari.

I cambiamenti di osmolarità causano variazioni inversamente proporzionali del volume del soma. Il restringimento attiva il canale per il catione non selettivo, NSCCs, e la conseguente depolarizzazione aumenta il potenziale d’azione con cui aumenta la velocità di scarica e la vasopressina viene rilasciata dai terminali degli assoni nella neuroipofisi. L’aumento dei livelli di vasopressina nel sangue migliorano il riassorbimento dell’acqua da parte del rene per ripristinare l’osmolarità del fluido extracellulare verso il set point; gli stimoli ipotonici inibiscono i NSCCs. L’iperpolarizzazione risultante e l’inibizione del fuoco riducono rilascio di vasopressina e promuovono la diuresi.

Vasopressina

La vasopressina agisce attraverso almeno due diversi recettori V1 e V2 che hanno differenti meccanismi di segnalazione. Il recettore V1 lavora con il fosfatidilinositolo, aumento pressione sanguigna, glicogenolisi, aumento ACTH e sintesi prostaglandine, mentre il recettore V2 lavora con cAMP, aumento del riassorbimento di acqua nei reni aumentando la permeabilità dell’acquaporina-2 nella membrana luminale del rene.

L’AVP interviene sull’omeostasi del glucosio: i dettagli delle azioni dell’AVP sull’omeostasi del glucosio attraverso i recettori V1a, V1b e V2 non sono ancora state chiarite. Il recettore V1a favorisce la secrezione di aldosterone e insulina, inibisce la produzione epatica di glucosio; il recettore V2 può contribuire alla tolleranza del glucosio, aumento volume plasma. Regola il segnale dell’insulina nel grasso, la secrezione di glucagone dal pancreas e dei livelli di corticosterone attraverso il recettore V1b il quale conseguentemente