Comunicazione cellulare

Trasduzione del segnale

La trasduzione del segnale comporta tutti i meccanismi che avvengono a livello cellulare, che consentono alle cellule di ricevere informazioni dall'esterno o dall'interno e di comportarsi di conseguenza. Un esempio è rappresentato da tutti gli ormoni che circolano nel nostro organismo.

Fasi della trasduzione del segnale

• Interazione ligando-recettore
• Trasmissione del segnale tramite secondi messaggeri
• Azione dei secondi messaggeri su proteine già presenti o sul processo trascrizionale

La proteina chinasi, presente praticamente in tutte le vie di trasduzione, prende l'ATP, le toglie un gruppo fosfato e lo attacca su una proteina che è il suo bersaglio. La fosforilazione di questa proteina, però, non sempre vuol dire attivazione. Infatti, un enzima di solito presenta un groove di cavità, dove c'è il substrato che viene processato. Quindi, posizionando la fosforilazione dove deve essere messo il substrato, questo non ci entra più, per via dell'ingombro sterico del gruppo fosfato.

Esistono anche casi in cui la fosforilazione va ad inattivare una proteina, come nel metabolismo del glucosio. La fosfatasi agisce in maniera opposta, quindi ha lo scopo di rimuovere il gruppo fosfato.

Meccanismo di segnalazione tra cellule

Quando si ha un meccanismo di segnalazione tra più cellule, serve una cellula che sintetizzi la molecola segnale, la rilasci e che poi questa molecola venga veicolata alle cellule che devono rispondere a quello specifico stimolo.

Le cellule che devono rispondere all'ormone presentano un recettore, che riconosce in maniera specifica quell'ormone. Il recettore è presente sulla superficie cellulare o nel citosol, se si parla di ormoni steroidei, e viene attivato quando si lega al suo ligando. Dove si trovano i recettori, spesso ci sono proteine che funzionano da sostegno, da scaffold, a cui sono ancorate le proteine che devono rispondere allo specifico stimolo.

Se il recettore è presente sulla superficie cellulare non funziona come un canale e non trasporta all'interno della cellula il segnale. In questo caso, il ligando induce una serie di cambi conformazionali nel recettore e questo porta ad una risposta intracellulare. Questo meccanismo di comunicazione deve essere molto controllato, perché deve rispondere nel momento in cui c'è lo stimolo, ma una volta che ha effettuato la risposta deve spegnerlo, altrimenti la cellula continuerebbe a rispondere.

Modi di comunicazione cellulare

• Regolazione o segnalazione endocrina: la cellula produce un ormone, lo rilascia all'esterno, e questo entra nel circolo e colpisce cellule situate a distanza.
• Regolazione paracrina: se le cellule che producono l’ormone e quelle che ricevono lo stimolo sono vicine, non serve rilasciare l’ormone nel torrente circolatorio, è sufficiente rilasciarlo all’esterno. Infatti, le cellule che devono cogliere il segnale sono nell’immediata vicinanza.
• Regolazione autocrina: la cellula produce un ormone e lo rilascia all'esterno. Tuttavia, la cellula stessa che lo ha prodotto presenta sulla sua superficie un recettore che riconosce l'ormone rilasciato. Questo serve per motivi di regolazione, ovvero può esserci un meccanismo di feedback. Ad esempio, se devo rilasciare un ormone in una certa quantità per avere una concentrazione corretta all’esterno, il recettore agisce come un sensore e quando si arriva ad una determinata concentrazione, manda un segnale all'interno e dice di bloccarne il rilascio. Questo è un meccanismo di controllo corretto.

Anche i linfociti producono sostanze dette citochine, che fanno aumentare la loro proliferazione. Questo è un meccanismo di feedback positivo non dannoso. Tuttavia, esiste anche un meccanismo tale per cui questo controllo autocrino diventa assolutamente dannoso, ed è il caso delle cellule tumorali. Infatti, esse si staccano da quella che è la normale regolazione e diventano capaci di produrre ormoni che continuano a far andare avanti la loro proliferazione. In altre parole, diventano indipendenti dal controllo dell'organismo e si autoproducono gli ormoni per continuare a crescere.

Posizione dei recettori

• Sulla superficie cellulare: sono proteine e non possono attraversare il doppio strato della barriera. Il ligando interagisce con il recettore, che attua una serie di cambiamenti su proteine già presenti nel citosol, definite messaggeri. Queste possono agire direttamente passando nel nucleo, agendo quindi come fattori trascrizionali, oppure dare origine ad una serie di molecole con un processo a cascata.
• Nel citoplasma (recettori intracitosolici): quando gli ormoni sono di tipo steroideo, ovvero derivati dal colesterolo. Sono quindi capaci di passare attraverso il doppio strato fosfolipidico. Questo recettore può modificarsi e traslocare nel nucleo, dove va a regolare l’espressione genica.

LBD e DBD sono dei recettori legati alle proteine chaperon, le heat shock protein 90, e fanno in modo che il recettore rimanga all’interno del citosol. Se non c'è lo stimolo, bisogna mantenere inattivo il recettore ed evitare che questo traslochi nel nucleo, ma quando arriva l'ormone, questo riconosce il recettore e si lega nella porzione LBD (ligand binding domain), ovvero la porzione di recettore dove si lega il ligando. Quando si attacca, le proteine chaperon si staccano, e il recettore migra nel nucleo sul DNA binding domain. Il recettore, infatti, riconosce specifiche sequenze presenti nei promotori dei geni che devono rispondere a quell’ormone.

Esiste un promotore core dove si lega la polimerasi, ma ci sono anche una serie di elementi regolatori. Ad esempio, esistono degli elementi del DNA, situati sul promotore di questi geni, che costituiscono il punto di attacco dei recettori steroidei. Questa porzione consente l'attacco del recettore, dove trova questo specifico elemento. Poi l’ultima porzione, l'activator domain, attiva la trascrizione di questi geni che devono rispondere agli ormoni steroidei. Quando arriva il ligando, il recettore si libera della proteina che lo sbloccava, va a legarsi nella porzione specifica e va a chiamare delle proteine coattivatori, che fanno partire il processo trascrizionale.

Se si ha un ormone proteico, questo va ad interagire con il recettore situato sulla superficie. Ma non può entrare e quindi dovrà attuare una serie di risposte, che coinvolgono proteine o molecole, che trasducono il segnale, trasformano l’informazione che è arrivata dall’esterno della cellula con una serie di modificazioni intracellulari. Un'enorme parte di questi sistemi di trasduzione del segnale usano le fosforilazioni. Molte di queste proteine sono delle chinasi, in grado di attaccare gruppi di fosfato ad altre proteine.

Tipi di risposta

Il tipo di risposta può dipendere da due fattori diversi:

• Recettori che rispondono in maniera continua, per cui all’aumentare della concentrazione della molecola segnale, la risposta aumenta
• Recettori che agiscono come se ci fosse una soglia, per cui fino ad un determinato valore non lavorano, mentre quando lo superano hanno una risposta totale, in maniera veloce (es. progesterone).

Si può avere un duplice effetto:

• Azione su proteine già presenti, che vengono attivate o inattivate e indire un cambiamento metabolico della cellula
• Azione a livello nucleare, per cui si ha un cambio del profilo di espressione genica

Tipi di risposte cellulari

• Veloce: se la proteina è già presente nel citosol, non si deve aspettare la trascrizione e quindi la risposta sarà anch’essa molto veloce
• Lenta: se si deve indurre una variazione a livello del nucleo la risposta sarà più lenta, poiché si dovrà aspettare la produzione della proteina. A seconda del gene coinvolto può richiedere da minuti ad ore.

Gli ormoni sono tantissimi, ma presenti in basse concentrazioni, in quanto la trasduzione del segnale amplifica già il messaggio. Ad esempio, albumina e emoglobina hanno una grandezza dell’ordine di g/dl, sono proteine molto abbondanti nel sangue, tuttavia, dosando gli ormoni, la loro quantità è dell’ordine di μg (microgrammi), ng (nanogrammi) o addirittura pg (picogrammi).

Sistema di feedback

La produzione può avere l’effetto di aumentare l'azione di ciò che è a monte, e si parla di feedback positivo, oppure può bloccarlo, e se si parla di feedback negativo. Questo accade nel caso in cui si abbia già abbastanza prodotto. Esistono dei processi a cascata, per cui la prima chinasi fosforila una chinasi inattiva, che diventa attiva. In questo caso possiamo avere un feedback di tipo positivo. Ma esistono anche delle chinasi che una volta attivate vanno a fosforilare e quindi ad attivare le fosfatasi, ovvero enzimi che staccano i gruppi fosfato. Deve esistere un bilanciamento tra l’attacco e il distacco dei gruppi fosfato.

Meccanismi per fermare l'attivazione

• Endosomi: si forma un’invaginazione sulla membrana, si internalizza il recettore e si toglie dalla superficie della cellula, senza distruggerlo. In questo caso anche se arriva l’ormone non vi è risposta.
• Formare l’invaginazione e mandare l’endosoma ai lisosomi. In questo modo si distrugge.
• Una proteina può legarsi al recettore, inattivandolo.
• Si può attuare lo stesso processo non sul recettore, ma su colui che crea il secondo messaggero.
• Si può attivare proteine di tipo inibitorio.

Secondi messaggeri

I secondi messaggeri sono molecole molto piccole, che vengono prodotte all’interno della cellula in seguito all’interazione tra ligando e recettore. Sono l’AMP ciclico, il GMP ciclico e due altre molecole, chiamate diacilglicerolo e inositolo 1,4,5 trifosfato. A seconda della via viene generato uno piuttosto che l’altro.

Classi di recettori

Per ogni classe ce ne sono un numero elevatissimo. Sono stati raggruppati, perché hanno un modo di agire simile, non per il tipo di stimolo a cui rispondono.

• Classe delle proteine G, o meglio dei recettori presenti sulla membrana associati alle proteine G. Quando arriva il ligando, si lega al recettore, che attiva le proteine G, che agiscono su altre proteine che andranno a generare il secondo messaggero. La proteina G non è in grado da sola di generare il secondo messaggero, ma ha bisogno di un intermediario che è un enzima.
• I canali possono essere meccanismi tramite cui si fa rispondere una cellula. Ad esempio nel caso della giunzione neuromuscolare arriva lo stimolo, si apre un canale, cambia la concentrazione ionica e l’impulso parte.
• I recettori che sono legati a delle chinasi, se non c’è il ligando non succede niente. Quando arriva il ligando, richiama le chinasi che iniziano a fosforilare dei substrati che svolgono una serie di attività.
• Recettori che hanno attività propria, ovvero sono essi stessi in grado di svolgere un’attività enzimatica. La loro porzione intracitosolica ha una capacità di generare il secondo messaggero, ovvero il GMP ciclico, oppure sono recettori che nella porzione intracitosolica hanno essi stessi attività chinasica. Queste vie non sono indipendenti, ma vanno ad intersecarsi in diversi punti.

Alcune di queste vie sono tipicamente alterate nelle cellule tumorali. Infatti, il problema che risiede dietro allo sviluppo di un farmaco antitumorale è dovuto al fatto che più vie concorrono ad ottenere lo stesso effetto. In alcuni casi esistono vie che agiscono una contro l'altra.

Proteina G

Il recettore associato alle proteine G è un recettore di membrana con sette domini transmembrana e con un'ansa che guarda verso il citosol. Questa porzione è quella che interagisce con le proteine G, le quali sono trimeriche, ovvero formate da tre porzioni α, β, γ. Si chiamano proteine G perché legano il GTP ciclico o il GDP ciclico.