Biologia

1 LEZIONE DI BIOLOGIA DEL 04/03/25

PROF. STRIPPOLI

COMUNICAZIONE CELLULARE: Bisogna considerare che una cellula da sola non fa nulla,

poiché una cellula tende a rispondere ad uno stimolo. Tale stimolo può essere, un segnale

che arriva da un’altra cellula, dal mondo esterno, da un parassita, oppure può essere un

segnale biofisico o biomeccanico. Tutto ciò è importante nei processi cellulari, fisiologici e

patologici.Quando ci sono organismi unicellulari, le cellule sono “sole contro il mondo”. Per

esempio l’amoeba proteus ha caratteristiche simili a cellule del sistema immunitario (le

cellule del sistema immunitario, “pattugliano” l’organismo in cerca di organismi esterni da

eliminare)

-Cellule procariote: Nel caso delle cellule procariote, quando sono in colonie, hanno le loro

forme di cooperazione. Per esempio, le cellule batteriche in colonie, formano il glicocalice.

-Cellule eucariote: Invece nel caso delle cellule eucariotiche, negli organismi pluricellulari,

abbiamo altri tipi di cooperazione e comunicazione (per gli studi viene usata la larva di

pesce zebrafish come organismo modello. Poiché è trasparente, e quindi i processi biologici

sono facilmente osservabili al microscopio).

Come può avvenire la comunicazione?: Una cellula può comunicare con:

-Altre cellule;

-Agenti esogeni biologici (batteri o virus);

-Agenti chimico-fisici (raggi UV, raggi X, calore, durezza del substrato);

Come funziona la comunicazione cellulare?: Una cellula emette una molecola segnale

(ligando), la quale arriva ad una cellula target. La cellula target, grazie ad un recettore (che

può essere posto sulla membrana cellulare, oppure essere intracellulare), riceve il segnale.

Dopo la ricezione del segnale, iniziano una serie di eventi biochimici che porteranno ad una

risposta cellulare che trasformerà la cellula (xes. Proliferazione, morte, differenziazione,

contrazione).

Principi generali della comunicazione cellulare: Come detto in precedenza, c’è sintesi e

rilascio di molecole segnale, chiamate ligandi. I ligandi vanno poi alla cellula target che li

riceve tramite recettori.I recettori sono presenti a livello della membrana plasmatica, o a

livello citoplasmatico. Una volta che il recettore interagisce con il ligando, esso si modifica

trasformando il segnale da extracellulare ad intracellulare. Il segnale intracellulare viene

chiamato “secondo messaggero”.

Esempio: Per esempio, i neurotrasmettitori, nel contesto della contrazione muscolare,

inviano un segnale alla cellula muscolare. Quindi il segnale arriva alla cellula target,

dopodiché il segnale diventa intracellulare, successivamente iniziano una serie di eventi

all’interno della cellula, che portano alla contrazione muscolare. Tutto questo processo viene

definito “trasduzione del segnale”.

Interazione recettore ligando: Ci sono diversi tipi di ligandi, i quali hanno diverse

caratteristiche nei confronti del recettore a cui si legano, come:

-Sono transienti;

-Hanno diversi gradi di specificità (xes. Antigene-anticorpo, hanno una K molto bassa e

D

quindi non si staccano più);

-Effettuano legami deboli non covalenti;

Bisogna comunque ricordare che esistono ligandi e recettori molto specifici, e ligandi che

possono legare più recettori, alcuni in modo più specifico e altri meno (quindi a seconda

della specificità, il ligando avrà una concentrazione più o meno alta). Inoltre a seconda della

specificità, si creano legami più o meno stabili i quali spiegano la durata dell’interazione

recettore-ligando, che può essere più o meno transiente. Quindi si può dire che, la capacità

di una cellula di rispondere ad un determinato segnale, dipende dal fatto che la cellula target

possiede o no, il recettore specifico a quel segnale (modello chiave-serratura).

Il non possedere un corretto appaiamento recettore-ligando, può avere un valore protettivo o

può portare allo sviluppo di patologie.

Per esempio:

1. Mutazione del recettore CCR5 e HIV: L’HIV usa il recettore CCR5 per infettare le cellule.

Il recettore CCR5 non nasce come recettore per l’HIV, ma come recettore per le miochine

(che servono alle cellule del sistema immunitario per richiamarle. Formano un gradiente che

i linfociti rilevano e in base al loco, in cui la concentrazione di miochine è più elevata, si avrà

lo spostamento dei linfociti in quella direzione). Esiste una variante mutata di CCR5, ovvero

il CCR5-∆32. Il quale, se presente in omozigosi, impedisce all’HIV di entrare nelle cellule, e

grazie a ciò, le persone che presentano il ceppo di HIV che usa il CCR5, sono protette

(variante protettiva). Il problema di avere il recettore CCR5 mutato però, aumenta la

probabilità di infezione. Per esempio, se gli individui vengono attaccati dal West Nile Virus,

ne risultano più sensibili dato che il sistema di risposta T è meno efficiente (variante

patologica).

2. LAD (deficienza di adesione dei leucociti): Sono malattie genetiche causate da un

problema di adesione dei leucociti. I leucociti sono cellule che circolano nel sangue. Nel

momento in cui c’è un infezione, l’endotelio si attiva e produce una serie di ligandi di

membrana, i quali permettono l’adesione di leucociti attraverso i recettori di adesione più

importanti (integrine). Prima però, abbiamo il “rolling” dei leucociti, mediato da selectine. Poi

l’adesione si ferma, e la successiva trasmigrazione dell’endotelio, è mediata dalle integrine.

Queste malattie genetiche sono di vario tipo, e dipendono da diversi recettori mutati.

Abbiamo diversi tipi di LAD:

-LAD I: dovuto all’attivazione dell’adesione;

-LAD II: difetto di rolling mediata da una mutazione di selectine;

-LAD III: si ha attivazione delle integrine;

Cosa possiamo aspettarci quindi come patologia?

-Leucocitosi;

-Maggiore sensibilità alle infezioni;

-Immunodeficienza;

Modalità di segnalazione: Possono essere di diverso tipo:

-Segnalazione tra organi distanti;

-Segnalazione cellula-cellula vicine;

-Segnalazione tramite gap junction;

SEGNALAZIONE ENDOCRINA: Tra cellule a lunga distanza. Vengono secreti ormoni nei

quali circolano nel sangue per arrivare alla cellula target. In questo tipo di segnalazione, il

ligando deve avere determinate caratteristiche:

-Stabilità;

-Lunga emivita (dato il tragitto che deve effettuare nell’organismo);

-Facilmente diffusibile attraverso i liquidi biologici;

SEGNALAZIONE PARACRINA: Tra cellule più vicine. La cellula segnale, produce appunto

un segnale che non va lontano, dato che la cellula target è vicina. Le caratteristiche delle

molecole segnale nella segnalazione paracrina sono:

-Emivita breve;

-Interazione specifica in un punto ristretto dell’organismo;

Esempio: Alcune molecole possono essere “appiccicose” (citochine, chemochine). Ad

esempio, la nicchia tumorale, dove le cellule tumorali, quando si stanno sviluppando, creano

il loro “ambiente”, che gli favorisce la sopravvivenza. Questa nicchia è formata da cellule

non tumorali che vengono”educate” dalle cellule tumorali attraverso una segnalazione

paracrina. Così facendo le cellule tumorali, riescono a far fare alle cellule non tumorali,

quello che vogliono per nutrirle.

SEGNALAZIONE AUTOCRINA: In questo caso, le cellule producono i ligandi per i propri

recettori. Può avvenire nei tumori.

SEGNALAZIONE SINAPTICA: Funziona con lo stesso principio della paracrina, solo che in

questo caso abbiamo i neuroni. I quali, con l’assone, inviano un segnale attraverso le

sinapsi. Quindi, si ha il segnale che arriva alla cellula target, la cellula target si associa al

ligando tramite recettore il quale viene attivato effettuando reazioni a catena che formano

nuovi ligandi nel citoplasma (secondi messaggeri) i quali vanno a bersagliare determinate

proteine all’interno della cellula, le quali dopo aver ricevuto il segnale, eseguono determinate

funzioni. Le funzioni (xes. contrazione muscolare, migrazione, funzioni a livello nucleare

come trascrizione, sintesi proteica), dipendono dalla molecola segnale, recettore, secondo

messaggero, ecc..

Quindi, Cosa può fare una cellula? Una cellula può migrare, invadere, un tessuto,

proliferare, trasformarsi (plasticità cellulare), morire (apoptosi), effettuare autofagia. La

cellula fa queste cose grazie ad una serie di reazioni biochimiche in risposta a segnali.

Cos’è il secondo messaggero? Molecola che fa da ponte tra il complesso recettore-

ligando e la molecola bersaglio intracellulare.

Interruttori molecolari: Molte proteine di segnalazione, hanno una funzione “ON-OFF”

(acceso-spento), ovvero hanno funzione di interruttori molecolari, che avviene attraverso

modificazioni post-traduzionali.

1- Fosforilazione/Defosforilazione: Avviene ad opera della proteina chinasi (fosforilazione)

e fosfatasi (defosforilazione). Quindi abbiamo una serie di reazioni a catena, in cui una

chinasi fosforila un’altra chinasi, attivandola, e si prosegue così, facendo reazioni a catena,

fino ad arrivare alla trasduzione del segnale. Invece l’inattivazione avviene a causa della

fosfatasi, la quale effettua una defosforilazione, anch’essa a catena.

2- Scambio di GTP/GDP: Usato per attivare le proteine, che sono: proteine G e proteine

monomeriche che legano GTP. Queste proteine, quando legano GTP, hanno attività

enzimatica e GTPasica, e dopo un po’ si spengono da sole, disattivandosi. Quando sono

inattive, legano GDP.

3- Taglio proteolitico di precursore inattivo: Un esempio classico sono le caspasi. In

questo caso, una caspasi si attiva, e va a tagliare un’altra caspasi. Quindi si ha una caspasi

iniziatrice che si attiva, la quale va a tagliare la caspasi effettrice, la quale si attiva e così via,

a cascata.

Questi tipi di attivazione, hanno diverse caratteristiche che sono:

-Amplificazione del segnale;

-Adattamento (ovvero, desensibilizzazione);

Quindi, come avviene la risposta?

-Endocitosi;

-Inattivazione del recettore con modificazione allosterica del recettore stesso (il recettore,

manda avanti il segnale fino a quando non riesce più a farlo);

-Sintesi di proteine inibitorie;

Che tipo di risposte ci sono?

-Primaria precoce: ovvero, il ligando arriva al recettore e si ha risposta immediata;

-Secondaria ritardata: dovuta a produzione di nuovi ligandi da parte della cellula;

Che tipo di segnali abbiamo?

-Piccole molecole: amminoacidi e derivati;

-Gas;

-Steroidi: derivati dal colesterolo;

-Eicosanoidi: derivati da acido arachidonico;

-Lipidi: i PAF;

-Molecole complesse esogene;

-Polipeptidi e proteine (più o meno grandi);

LE MOLECOLE SEGNALE: Affinché le molecole segnale vengano riconosciute devono

viaggiare nell'ambiente extracellulare (tranne nella comunicazione gap-junction e

nell’interazione cellula-cellula) ed, in particolare, possono farlo da sole, insieme a proteine

carrier o inserite in delle vescicole per esempio le LDL (low density lipoproteins) o gli

esosomi.

Concentriamoci sugli esosomi: piccole vescicole con diametro di 70-100 nm circa liberate

da tutte le cellule per esocitosi; sono, inoltre, caratterizzate da dei marcatori specifici (CD9,

CD63, Alix) e, oltre ad essere importanti per la segnalazione intercellulare, hanno una

rilevanza fisiopatologica ed un valore diagnostico-prognostico (essendo molto stabili

possono essere raccolte dai liquidi biologici, come sangue ed urine, per sostanzialmente

determinare se la terapia sta procedendo bene o male).

Un’altra caratteristica particolare degli esosomi è che, nel loro cargo, possono contenere

anche materiale genetico (in particolare microRNA): ciò è rilevante perché generalmente si

pensa che il trascrittoma (insieme dei trascritti della cellula) sia creato dalla cellula stessa

ma, nella realtà, una parte di questo sistema può derivare alla cellula da parte di esosomi

(microRNA e long non coding RNA possono, quindi, essere trasferiti da una cellula all’altra)

che, una volta entrato, andrà ad avere un proprio effetto biologico.

Ritornando, invece, alle molecole segnale, queste si possono distinguere in diverse

tipologie:

- MOLECOLE SEGNALE IDROFOBICHE: ormoni steroidei, tiroidei, retinoidi ed ossido di

azoto. Questo tipo di molecole segnale hanno difficoltà a viaggiare nell’ambiente sanguigno

ma attraversano facilmente il doppio strato fosfolipidico, per questo viaggiano attraverso una

molecola trasportatrice, entrano nella cellula, si legano a delle molecole carrier e si spostano

nel compartimento dove avrà effetto (queste molecole, infatti, non hanno dei recettori sulla

membrana). Sono delle molecole segnale che portano ad un tipo di segnalazione che non

ha amplificazione, non ha una vera e propria trasduzione del segnale. Gli ormoni steroidei,

in genere, hanno effetto sull’espressione genica;

In questa immagine viene rappresentato l’esempio

dell’ormone steroideo cortisolo.

Una volta che l’ormone si lega al recettore proteico

intracellulare subisce una variazione conformazionale

che attiva il recettore stesso; a questo punto, il

complesso recettore-steroide si sposta nel nucleo dove

avrà effetto su una serie di bersagli specifici;

Chiaramente, in generale, la risposta cellulare dipende

dalla cellula bersaglio: lo stesso recettore può dare

luogo a risposte cellulari differenti per la presenza di

cofattori tessuto-specifici.

Qui sotto sono indicati una serie di molecole segnale idrofobiche:

Un altro esempio è il monossido d'azoto (NO), un gas semplice e la più importante

molecola segnale di tipo paracrino nei sistemi nervoso, immunitario e circolatorio, prodotto

dalla NO sintasi.

È un gas che penetra direttamente nella cellula senza bisogno di legando di membrana

dando luogo ad una risposta molto rapida legandosi direttamente ad un enzima all'interno

della cellula bersaglio, la guanilato ciclasi, che catalizza la formazione di GMP ciclico,

segnale intracellulare che porta al rilassamento delle cellule muscolari lisce e alla

conseguente vasodilatazione.

Pazienti, per esempio, affetti dall’angina pectoris (ischemia miocardica) vengono trattati con

la nitroglicerina che si converte in NO, portando al rilassamento delle arterie coronarie.

L’ossido nitrico, però, può avere anche un effetto negativo: attraverso una serie di

modificazioni può creare il perossinitrito (radicale libero dell’azoto, agente ossidante) che

causa una serie di modificazioni e produzione di radicali liberi dell’ossigeno, producendo una

serie di effetti fisio/patologici (effetti citotossici e mutageni).

-MOLECOLE SEGNALE IDROFILICHE: proteine, peptidi, amminoacidi e nucleotidi.

Viaggiano facilmente nell’ambiente extracellulare e presentano dei recettori transmembrana

con cui instaureranno un interazione ligando-recettore che porta a delle modificazioni del

recettore, alla sua attivazione con il conseguente inizio della trasduzione del segnale.

Spesso, il recettore va ad attivare una cascata di segnalazioni che si dirigono, poi, verso

diverse proteine bersaglio (es.: enzima metabolico, proteina che regola i geni, proteina del

citoscheletro..) dove si avrà una risposta cellulare funzionale;

Quindi, i recettori per le molecole segnale possono essere localizzati sulla membrana

plasmatica (per le molecole segnale idrofiliche) e nel citoplasma o nel nucleo (per le

molecole segnale idrofobiche);

Adesso andiamo ad analizzare uno per uno i principali recettori transmembrana:

1- Recettori con struttura di canali ionici (molti neurotrasmettitori);

2- Recettori collegati a proteine G eterotrimeriche (la maggior parte degli ormoni idrosolubili

e chemochine);

3- Recettori con attività enzimatica: agiscono loro stessi da enzimi, quando legano il ligando

si attivano ed, in genere, si fosforilano tra di loro (autotransfosforilazione). Possono essere

tirosina chinasi o serina-treonina chinasi;

4- Recettori associati ad attività tirosino chinasica non recettoriale;

RECETTORI COLLEGATI A PROTEINE G ETEROTRIMETRICHE: I recettori collegati a

proteine G eterotrimeriche hanno una forma caratteristica, con 7 domini transmembrana

(alfa eliche), nell’uomo sono centinaia, hanno numerosissime funzioni biologiche (infatti

sono bersaglio del 40-50% dei farmaci utilizzati) ed, in particolare, vanno ad agire

indirettamente nella regolazione di proteine bersaglio intracellulari.

I ligandi di questi recettori sono molto diversi tra di loro (chimicamente eterogenei, es.:

peptidi, lipidi, glucagone, adrenalina che agisce nella risposta allo stress, acetilcolina, acido

glutammico che è un neurotrasmettitore, dopamina, cannabinoidi, angiotensina che

determina il tono dei vasi, serotonina, ADH, ACTH, adenosina);

AZIONE: L’azione di questi recettori è mediata da proteine che legano il GTP o il GDP, le

proteine G che sono eterotrimeri formati da tre subunità (alfa, beta e gamma) legate alla

membrana plasmatica;

INTERAZIONE: L’interazione ligando-recettore porta al reclutamento della proteina G che si

lega al recettore stesso, si attiva (l’attivazione è legata allo scambio da GDP a GTP) e si

dissocia (la subunità alfa/GTP si distacca dal complesso beta-gamma);

- il complesso beta-gamma ha una sua attività specifica (per esempio, ha effetto sui canali

del potassio);

- la subunità alfa, invece, si lega all’effettore da cui partiranno i secondi messaggeri

intracellulari che si sposteranno nel citoplasma per svolgere la loro funzione;

La proteina G è attiva quando lega GTP ma dopo aver attivato l’effettore, avendo attività

GTPasica, la sua subunità alfa lega il GDP, si autodisattiva e si riassocia al complesso beta-

gamma per riformare una proteina G inattiva (per questo possiamo definire questo processo

come transiente autoregolato);

La proteina G lega degli acidi grassi con cui accumula dei microdomini: la me