Segnalazione intracellulare

La segnalazione intercellulare

Le cellule parlano e comunicano tra loro. Lo fanno gli organismi unicellulari inviandosi segnali. Nell’immagine a fianco vi è un esempio dei segnali semplici che si mandano le cellule di Saccharomyces cerevisiae. Il Saccharomyces è il lievito della birra, un organismo unicellulare, un eucariote, che ha un ciclo vitale dove la forma diploide può duplicarsi ma in determinate condizioni ambientali si innesca un meccanismo di sporulazione, quindi una divisione meiotica per cui da una cellula diploide si formano quattro cellule aploidi (con una sola copia di tutta l’informazione genetica). Questa forma aploide di Saccharomyces può essere di due tipi: tipo a o tipo alfa. Questi due tipi di cellule aploidi potranno fondersi e formare nuovamente una cellula diploide, per cui il ciclo può tornare indietro.

Le cellule aploidi possono duplicarsi ma possono poi fondersi, coniugarsi e dare nuovamente origine a cellule diploidi. Queste cellule per quanto siano semplici, per quanto siano organismi unicellulari, devono comunicare l’uno con l’altro e questa comunicazione avviene nel momento della fusione delle cellule aploidi perché questa cellula di tipo a invia dei segnali alla cellula di tipo alfa. Per comunicare quindi usano le molecole. Producono dei fattori che vengono secreti nel mezzo extracellulare. Questo fattore però ha un’elevata affinità per un recettore di membrana che si trova sulla cellula alfa e quindi si lega al recettore di membrana. Questo legame scatena una segnalazione intracellulare all’interno di questa cellula che cambiando il suo comportamento si prepara alla fusione. D’altra parte la cellula alfa produce e secerne un fattore alfa che si può legare a un recettore presente sulla cellula a. Anche in questo caso il legame del ligando di questo fattore con il recettore scatena una segnalazione intracellulare che porta questa cellula a modificare le sue abitudini e il suo atteggiamento e a prepararla alla fusione. Questo è un semplice esempio solo per spiegare come anche gli organismi unicellulari comunicano gli uni con gli altri. Lo fanno tramite molecole che vengono prodotte e secrete all’esterno della cellula. Queste molecole spesso sono dei recettori sulla membrana cellulare e scatenano reazioni chimiche all’interno della cellula in modo che la cellula recepisca il segnale, lo elabori e di conseguenza cambi il suo comportamento.

Importanza della segnalazione intracellulare

Questa segnalazione intracellulare, questa comunicazione tra cellule, è molto importante per i meccanismi pluricellulari in cui miliardi di cellule devono comunicare l’una con l’altra, organizzarsi e comportarsi in modo coordinato per permettere la sopravvivenza dell’organismo. Di conseguenza le nostre cellule comunicano in continuazione e in continuazione secernono fattori che andranno a legarsi a recettori e che manderanno informazioni alle cellule vicine e lontane. Esistono diversi fattori utilizzati dalle cellule per comunicare. Le molecole vengono chiamate segnale perché vengono secrete da alcune cellule e portano segnale ad altre. Possono essere proteine, piccole proteine (peptidi), solo amminoacidi, nucleotidi, steroidi o retinoidi derivati degli acidi grassi e persino dei gas (ossido di azoto, monossido di azoto e monossido di carbonio sono dei gas che prodotti in minuscole quantità dalle cellule possono spostarsi liberamente attraverso la membrana plasmatica, raggiungere le cellule vicine e portare segnali).

Caratteristiche chimico-fisiche delle molecole segnale

Queste diverse molecole segnale hanno diverse caratteristiche chimico-fisiche. Alcune di queste possono attraversare la membrana plasmatica (come i gas, i derivati degli acidi grassi, i retinoidi e gli steroidi), mentre altre non possono (come gli amminoacidi, i peptidi, le proteine e i nucleotidi) perché le loro caratteristiche non permettono il passaggio attraverso il doppio strato lipidico.

Classi di recettori

• Recettori di superficie: deputati alla percezione del segnale, si trovano sulla membrana plasmatica. Il segnale raggiunge la cellula bersaglio e se la cellula produce e espone il recettore sulla sua membrana, allora sarà in grado di percepire e poi rispondere a questo specifico messaggio. Quindi il legame tra ligando e recettore, che si trova sulla membrana, scatenerà poi una segnalazione intracellulare e modificherà il comportamento della cellula.
• Recettori intracellulari: la molecola segnale è capace di attraversare la membrana plasmatica per le sue caratteristiche chimico-fisiche. Allora attraverserà la membrana (potrà addirittura attraversare la membrana nucleare) e potrà raggiungere all’interno della cellula il suo recettore. Il recettore è capace di legare la molecola segnale, cambiare conformazione in risposta a questo legame e attivare una serie di reazioni che portano al cambiamento del comportamento cellulare.

Riassumendo, esistono diversi tipi di molecole segnale e a seconda delle loro caratteristiche avremo anche due classi di recettori; recettori che si trovano sulla membrana plasmatica (sono delle proteine trans-membrana con una porzione extracellulare capace di legare il ligando, la molecola segnale, e con una porzione intracellulare che sarà capace di dare inizio a quella cascata di reazioni chimiche che porteranno al cambio di comportamento cellulare) e all’interno della cellula (a volte addirittura nucleari, la molecola segnale raggiunge il recettore all’interno della cellula, lo lega e questo legame scatenerà un cambio di conformazione del recettore che porterà all’inizio di una serie di cambiamenti).

Fattori di segnalazione secreti o legati alla membrana

I meccanismi con cui questi tipi di comunicazione tra cellule avvengono sono di diverso tipo. La molecola segnale può essere secreta da una cellula e può quindi raggiungere la cellula bersaglio grazie alla presenza di recettori. In alcuni casi la molecola segnale è anch'essa una proteina transmembrana. Quindi in questo caso la segnalazione può avvenire solo tra due cellule in contatto, adiacenti. Queste sono cellule ad esempio non dotate di mobilità e quindi si devono già trovare l’una accanto all’altra per poter comunicare. Questo tipo di segnalazione è piuttosto tipica nello sviluppo embrionale. All’inizio quando lo zigote si divide, tutte le cellule sono uguali. In termine di espressione genica e di capacità sono totipotenti, cioè potranno diventare qualsiasi tessuto e qualsiasi tipo cellulare. Man mano che lo sviluppo embrionale va avanti si avrà un differenziamento di una cellula che inizierà a cambiare la sua espressione genica, diventando cellule muscolari, epitelio, sistema nervoso, ecc…

Questi tipi di segnalazione sono molto frequenti durante lo sviluppo embrionale perché cellule vicine si comunicano cosa stanno diventando. Ci sono dei meccanismi di induzione di differenziamento differenziale tra cellule adiacenti. In alcuni casi associazioni del genere permettono riconoscimento tra cellule che si assomigliano. Questo tipo di segnalazione ha anche un’importanza particolare in situazioni precise.

Comunicazione cellulare dipendente da contatto

Esiste un meccanismo ancora più rapido tra queste segnalazioni che avvengono tra cellule adiacenti. Ci sono dei tipi di giunzione, le giunzioni GAP, in cui strutture ben precise permettono il passaggio di molecole di una certa dimensione tra una cellula all’altra. In questo caso si può avere un passaggio diretto delle informazioni. Sono abbastanza rare e sono molto importanti nell’accoppiamento funzionale di certe cellule come i cardiomiociti nel cuore che devono contrarre all’unisono il passaggio di ioni calcio. Queste giunzioni permettono che i cardiomiociti non battono ognuno per conto proprio ma che ci sia una coordinazione funzionale.

Modalità di comunicazione cellulare

La segnalazione può avvenire tra cellule adiacenti, coinvolgendo molecole che si trovano esposte sulla membrana plasmatica di queste cellule. Si ha quindi una segnalazione cellula-cellula diretta. In questo caso il raggio d’azione della cellula che segnala è molto limitato, cioè contatta le cellule vicine. La segnalazione può essere mediata da un fattore secreto nel mezzo extracellulare che può raggiungere le cellule nel circondario che espongano il recettore o che lo posseggano per quel determinato fattore.

A seconda del bersaglio di questo fattore la segnalazione può essere paracrina, quindi andando a coinvolgere le cellule nelle vicinanze, oppure endocrina, cioè il fattore può essere rilasciato nel sangue arrivando a cellule più lontane dalla cellula che ha prodotto il segnale. Un esempio di segnalazione ormonale come l’insulina che viene prodotta dalle cellule del pancreas e attraverso il sistema circolatorio raggiunge nell’organismo le cellule che possiedono il recettore dell’insulina. L’insulina si legherà al recettore che reagirà in un certo modo e innescherà una serie di reazioni chimiche all'interno della cellula che porteranno a diverse segnalazioni intracellulari che modificheranno il metabolismo della cellula stessa.

Esiste anche un ulteriore tipo di segnalazione chiamata segnalazione autocrina in cui la cellula che secerne la molecola segnale è anche quella che risponde al segnale stesso. Questo può capitare nel momento in cui la cellula che secerne il segnale possiede il recettore. Questo è un meccanismo che può essere sia fisiologico che patologico. Le cellule del cancro ad esempio secernono a sé stessi il segnale che induce la proliferazione per cui innescano un meccanismo di segnalazione autocrina non necessitando più che altre cellule inviino segnali e si replicano in modo aberrante.

Forme di segnalazione mediate da proteine secrete

Vi sono cellule che riversano all’esterno le molecole segnale grazie a una esocitosi, cioè alla fusione di vescicole ricolme di molecole segnale alla membrana plasmatica, per cui le molecole segnale vengono riversate all’esterno e le cellule nei paraggi che possiedono il recettore per questi segnali risponderanno. Ci sono casi in cui la segnalazione è paracrina, come il caso dei nervi che raggiungono i muscoli e inducono la contrazione. Se il messaggio fosse di tipo endocrino non ci sarebbe nessuna specificità di attivazione delle fibre muscolari (un muscolo piuttosto che un altro) e quindi tutti i nostri muscoli sentirebbero un’attivazione da parte delle molecole segnale. Si è evoluto quindi un meccanismo diverso di segnalazione dove le cellule nervose raggiungono grazie al loro prolungamento un certo muscolo piuttosto che un altro. Questo permette un coordinamento nel movimento. Quindi la specificità con cui i neuroni segnalano l’uno con l’altro è estremamente importante e la molecola segnale viene riversata proprio sulla cellula che deve essere attivata. Non viene riversata nel circondario ma si formano strutture specializzate, sinapsi, in cui l’assone di una cellula nervosa raggiunge una determinata cellula bersaglio e riversa in un piccolissimo spazio, la fessura sinaptica, la molecola segnale. In questo caso si ha un’attivazione specifica di questa cellula e non di tutte quelle vicino. Per cui c’è una selezione della cellula bersaglio che non dipende dal possedere o meno il recettore perché il neurotrasmettitore è riversato sulla membrana di una specifica cellula. Tanto neurotrasmettitore, che non viene diluito nel circolo, che passa attraverso una fessura di dimensioni ridotte.

Nel caso invece della segnalazione endocrina, siccome il segnale è riversato all’interno del circolo sanguigno, viene diluito quindi la concentrazione iniziale deve essere estremamente alta, la discriminante per rispondere o meno al segnale da parte delle cellule bersaglio è il possedere e esporre il recettore che riconosce quella determinata molecola segnale.

Il ruolo del NO

La prima via di segnalazione, una via piuttosto semplice riguarda un gas come segnalatore. Il monossido di azoto (NO) è un gas che ha una funzione importante nel segnalare un cambio di comportamento alle cellule. L’esempio che facciamo riguarda una segnalazione che da un nervo raggiunge l’endotelio di un vaso e dalle cellule endoteliali l’ossido di azoto migrerà nelle cellule della muscolatura liscia sovrastanti. È importante capire la struttura di un vaso. A contatto con la cavità del vaso sono presenti delle cellule che formano un monostrato, chiamate cellule endoteliali. L’endotelio dei vasi è questo monostrato di cellule che ricoprono interamente il lume dei vasi sanguigni. Nella porzione più interna del vaso, a contatto con l’endotelio vi è una serie di strati di cellule muscolari, situate nel muscolo liscio, che regola la dimensione e il diametro dei vasi. Se queste cellule muscolari si contraggono il vaso diminuisce il suo diametro e la pressione sanguigna aumenta. Se invece le cellule muscolari lisce si rilassano, il diametro del vaso si ingrandisce e la pressione sanguigna diminuisce.

Il rilassamento della muscolatura dei vasi dipende da un meccanismo regolato da un nervo del sistema autonomo che rilascia acetilcolina, che è un neurotrasmettitore, sulle cellule endoteliali. Quindi questo nervo penetra all’interno del vaso, raggiunge le cellule endoteliali e rilascia acetilcolina che lega un recettore presente sulle cellule endoteliali. Questo recettore, che è una proteina di membrana, ha un’elevata attività per l’acetilcolina. Si ha dunque un meccanismo di incastro chiave-serratura; l’acetilcolina si lega al recettore che si attiva e induce una serie di reazioni che portano all'attivazione di un enzima. Questo enzima si chiama NO sintasi, cioè enzima che sintetizza l’ossido nitrico. L’NO sintasi utilizza come reagenti l'arginina deaminandola si trasforma in citrullina producendo così NO. L’ossido nitrico prodotto nelle cellule endoteliali, grazie alle sue caratteristiche chimico-fisiche, può diffondere liberamente attraverso la membrana plasmatica e dall’endotelio raggiungere le cellule adiacenti della muscolatura liscia. Questa diffusione permette all’ossido nitrico di entrare all'interno delle cellule della muscolatura liscia dove può legare un enzima e attivarlo. Questo enzima si chiama Guanilato Ciclasi ed è in grado di mediare questa reazione, cioè la trasformazione della guanosina trifosfato (GTP) in cGMP. Viene eliminato un pirofosfato e si forma un legame ciclico che coinvolge il carbonio in 5’ e il carbonio in 3’. Questa è una molecola di segnale, secondo messaggero, ed è quella che induce il rilassamento nelle cellule della muscolatura liscia.

Riprendendo dall’inizio, si è detto che un nervo del sistema autonomo innerva il vaso e rilascia acetilcolina nei pressi delle cellule endoteliali. L’acetilcolina rilasciata lega i recettori presenti esposti sulla membrana delle cellule endoteliali e l’attivazione di questo recettore attiva nelle cellule endoteliali un enzima chiamato NO sintasi. L’NO sintasi, trasformando l’arginina in citrullina, produce ossido nitrico. L’ossido nitrico prodotto può diffondere liberamente nelle cellule della muscolatura liscia ma ha una emivita molto breve, nell’ordine di secondi. La sua attività è molto rapida; quando si ha un rilascio di acetilcolina viene prodotto ossido nitrico con un raggio di azione molto basso. Quindi l’NO che entra in queste cellule della muscolatura liscia va a legarsi a un enzima chiamato Guanilato Ciclasi. Questo, trasforma GTP in GMP ciclico che induce il rilassamento della muscolatura liscia del vaso.

Esiste un enzima GMP ciclico fosfodiesterasi che trasforma il GMP ciclico in GMP, rompendo quindi questo legame ciclico e eliminando l'effetto del GMP ciclico (in grado di attivare il rilassamento dei vasi). Quindi questo enzima spegne il segnale (è molto importante perché se il segnale persiste, gli altri segnali non possono essere sentiti).

Questa via di segnalazione spiega il funzionamento della nitroglicerina, come cura dell’angina pectoris, una malattia che provoca un forte dolore al miocardio dovuto dal restringimento dei vasi coronarici. Senza sapere come funzionasse, la nitroglicerina è stata usata per anni per alleviare questa problematica. Si è poi capito che il meccanismo di azione dipendeva dal fatto che la nitroglicerina è un’importante fonte di ossido nitrico che produce il rilassamento della muscolatura liscia dei vasi. Queste fosfodiesterasi sono state considerate un bersaglio e inizialmente si è tentato di indirle per indurre lo stesso effetto (rilassamento della muscolatura liscia dei vasi). Così infatti sono stati scoperti medicinali come il Viagra (inibisce il funzionamento di cGDP → rilassamento muscolatura liscia) e tutti i suoi derivati. Poi si è scoperto che funzionavano bene non tanto nel cuore ma nei corpi cavernosi del pene che rilassandosi si riempiono di sangue e si ha l’erezione. Quindi queste molecole sono state inizialmente studiate per un problema cardiaco ma hanno avuto un altro tipo di successo (inibiscono le fosfodiesterasi che trasformano il GMP ciclico in GMP).

Struttura di ormoni steroidei, tiroidei, vitamina D e acido retinoico

Ci sono altre molecole che possono attraversare la membrana plasmatica e raggiungere il recettore all’interno della cellula.