Fisiologia cellulare

Fisiologia cellulare (1^ provetta punti 1, 2, 3) 13 marzo 2020

La comunicazione fra cellule o con l’ambiente è necessaria per il mantenimento dell’omeostasi, ovvero una sorta di equilibrio al quale ogni organismo punta. In parole meno scientificamente corrette si può tradurre l’omeostasi in “benessere e buona salute”: la comunicazione fra le cellule è essenziale per mantenere questo equilibrio. Questa comunicazione è tanto più importante quanto è complesso l’organismo che si studia.

Il nostro organismo, per esempio, è composto da cellule che si sono sviluppate in qualcosa di particolare:

• Scambi gassosi (apparato respiratorio);
• Gestione della distribuzione del sangue (sistema circolatorio);
• Filtrare ed eliminare sostanze di scarto (apparato escretore).

Le diverse cellule devono comunicare tra di loro per garantire l’omeostasi. Se funziona male la comunicazione, anche se gli organi sono sani, l’interazione fra gli organi non è possibile e l’omeostasi è minacciata. Per fare ciò la strategia è la comunicazione fra le cellule.

Ci sono due tipi di comunicazione: chimica ed elettrica.

AV FM FSA.A. 2019-2020

Comunicazione chimica

Comunicazione chimica. Esempio nelle immagini:

• Paracrina. Invio da parte della cellula che vuole comunicare di un segnale extracellulare solubile di piccole dimensioni che, quindi, può viaggiare velocemente nell’ambiente extracellulare verso la cellula che sarà la cellula obiettivo della comunicazione.

Questo è il meccanismo più semplice di comunicazione cellulare di tipo chimico e le cellule sono molto vicine: la comunicazione si basa su un processo di diffusione del messaggero extracellulare fra la cellula che lo produce e lo secerne nell’ambiente esterno e la cellula che lo riceve.

Condizione necessaria e sufficiente affinché la diffusione chimica possa essere basata sulla semplice diffusione è che le due cellule devono essere molto vicine.

Su questa comunicazione si basa la regolazione di processi all’interno dello stesso organo (abbastanza grandi, cioè costituiti da molte cellule). In questo caso le cellule possono trovarsi lontano fra di loro all’interno dell’organo, ma possono sfruttare questa comunicazione perché sì sono lontane, ma non troppo.

• Ormoni: la comunicazione si basa sulla secrezione di un messaggero extracellulare. Le cellule sono più lontano della situazione delle paracrine, addirittura in questo caso c’è un vaso sanguigno di mezzo. Quindi, per esempio, possiamo immaginare di avere una cellula renale che in questo caso ha funzione secretoria e che la cellula target sia la cellula della parete di un vaso sanguigno lontana anni luce dal rene.

Allora a questo punto è vero che l’arrivo del messaggio chimico a livello della cellula target non può essere garantito dalla diffusione perché ci sono centimetri di distanza. A questo punto, i vasi sanguigni e il flusso di sangue favoriscono il trasporto del messaggero prodotto dalla cellula secretoria: quindi il meccanismo o la comunicazione attraverso ormoni è un particolare sottotipo di comunicazione chimica tra le cellule dove il primo messaggero deve compiere un viaggio molto più lungo rispetto alla comunicazione paracrina.

Questo tipo di comunicazione chimica non può essere basato su un processo di semplice diffusione del 1° messaggero, ma il primo messaggero deve essere veicolato e, in questo caso, i vasi sanguigni funzionano come nastri trasportatori veri e propri. Perciò l’apparato cardiocircolatorio non serve solo a distribuire il sangue, ossigenare i tessuti, a termoregolare, etc., ma serve anche al trasporto e a mediare una particolare sotto specie di comunicazione chimica.

In questo caso la cellula secretoria si chiama cellula endocrina. Questa produce un ormone che raggiunge la cellula obiettivo attraverso il vaso sanguigno; tutto ciò che verrà secreto per operare una comunicazione chimica e viene trasportato dal sangue è un ormone.

Comunicazione di tipo elettrico

Neurotrasmettitore: rappresenta la cosiddetta comunicazione elettrica. In questo caso, il corpo cellulare della cellula secretoria è lontano dalla cellula target. La cellula che deve inviare il messaggio è lontana, ma emette un prolungamento verso la cellula target.

Il corpo cellulare del neurone che manda il messaggio può essere sistemato a metri di distanza dalla cellula target. Questo è quello che succede, ad esempio, se pensiamo ai moto-neuroni che sono i neuroni che comandano il movimento volontario (nervo sciatico). Il corpo cellulare dei neuroni che costituiscono il nervo sciatico sta nel midollo spinale nella zona lombare. Questi neuroni comunicano con i muscoli della gamba fino all’estensore o al flessore dell’alluce del piede.

A questo punto, l’assone si dirige verso la cellula obiettivo della comunicazione, nel caso specifico la fibra muscolare scheletrica del muscolo estensore del piede. Lungo l’assone viaggerà un segnale elettrico che causerà la liberazione di un segnale chimico vicino alla cellula target e questa è una strategia alternativa per coprire una grande distanza fra le cellule che devono comunicare. Non c’è un vaso sanguigno, ma c’è un assone di un neurone oppure ci sono più neuroni che costituiranno la via nervosa.

Rivedi le ghiandole endocrine perché ormoni significa ghiandole endocrine.

Il recettore e la specificità di risposta

La strategia fondamentale è garantire la presenza di un messaggero extracellulare che è quello che diffonde o viene veicolato dall’apparato cardio-circolatorio quindi vaso sanguigno. Si basa, però, anche sulla presenza di recettori nella cellula target: è vero che la cellula secretoria secerne il messaggio chimico nell’ambiente extracellulare, dove lui viaggerà o da solo o trasportato dai vasi sanguigni, ma poi deve essere riconosciuto dalle cellule target. Questo riconoscimento è mediato essenzialmente dalla presenza di recettori sulle cellule target.

L’immagine mostra che c’è una specificità tra la forma del primo messaggero e la forma del recettore. Il recettore riconosce in modo specifico un ligando, non tutti i ligandi. Questa specificità sta nella struttura del ligando e nella struttura del recettore quindi nell’affinità chimica che esiste fra recettore e il suo specifico ligando.

Cioè il messaggero 2 che è verde ha una conformazione sferica e non può attivare il recettore spigoloso. Inoltre, ha un colore diverso: significa che il recettore A non può interagire chimicamente con il messaggero 2, ma solo con il messaggero 1. C’è un riconoscimento tra il recettore e ligando basato su un’affinità conformazionale; dopodiché, quando il triangolo si è incastrato nel cosiddetto sito recettoriale del recettore A, l’affinità e quindi i gruppi chimici delle due molecole faranno il resto. Si stabilirà un’interazione chimica fra il primo messaggero e il rispettivo recettore A.

Si dice che la comunicazione chimica si basa su un meccanismo chiave-serratura. La presenza di un sito di legame specifico sul recettore è per un preciso e specifico ligando extracellulare. È un po’ come fanno gli enzimi.

Questi recettori sono proteine, in particolare glicoproteine. Sono delle molecole abbastanza complesse nella loro struttura e abbastanza grandi come peso molecolare.

L’immagine ci mostra anche che esistono:

• Recettori, ad esempio recettore A e il recettore B, cosiddetti di superficie = proteine recettore trans membrana = immerse nel doppio strato fosfolipidico delle cellule target;
• Recettori intracellulari (recettore C) = recettori che sono presenti o nel citoplasma o in organuli cellulari (nucleo). Questo significa che il riconoscimento tra segnale extracellulare e rispettivo recettore non avviene sempre a livello extracellulare, come nei recettori di superficie, ma il legame che si instaura avviene all’interno della cellula target.

In questo caso, il sito recettoriale della proteina recettore ha un profilo tondeggiante e non guarda verso l’ambiente extracellulare, ma guarda nel citoplasma. Il messaggero 2 per riconoscere il suo recettore deve attraversare il doppio strato fosfolipidico ed entrare nella cellula target.

Negli altri due casi (recettore A e recettore B), se ci fosse legando il ligando anche del recettore B, il riconoscimento avverrebbe sul versante extracellulare. In questo caso, il primo messaggero resta fuori dalla cellula, non deve permeare attraverso il doppio strato fosfolipidico.

Perché la scelta di queste due strategie? Perché se noi guardiamo alle proprietà chimico-fisiche dei segnali extracellulari che esistono in natura (ormoni e segnali extracellulari che sono artefici della comunicazione paracrina), questi segnali possono essere classificati in due grosse categorie:

• Lipofili o lipofilici. Il messaggero lipofilo penetra il doppio stato fosfolipidico per sua natura chimico-fisica e riconoscimento tra recettore e il messaggero extracellulare avviene a livello del citoplasma oppure del nucleo della cellula.

Questo è molto importante perché, ad esempio da un punto di vista farmacologico, potrebbe essere utile trovare un analogo, quindi una molecola di sintesi, che vuole sostituire il messaggero 2. Sapendo che il messaggero 2 è lipofilo e che ha un recettore intracellulare, dovrò fare in modo che la mia molecola di sintesi mantenga le stesse proprietà di lipofilicità, altrimenti ho una molecola che non può sostituirsi all’azione fisiologica del messaggero 2.

La stessa cosa dovrò fare se ho bisogno di modulare un recettore di superficie: la mia molecola di sintesi non sarà lipofila e non dovrà esserlo perché se lo fosse la molecola di sintesi permeerebbe il doppio strato fosfolipidico e non troverebbe il sito recettoriale. Certo alcune molecole di sintesi potrebbero per caso permeare prima di andare nel sito recettoriale, ma la probabilità che questo succeda è molto più bassa se la molecola è lipofila.

• Idrofilici o idrofili o lipofobici: se il ligando è idrofilo per definizione non permea facilmente attraverso il doppio strato fosfolipidico della membrana, quindi il riconoscimento sarà essenzialmente extracellulare. Il recettore dovrà essere di superficie.

Se la molecola di sintesi è idrofila, questa resta fuori dalla membrana, rimbalza se si avvicina al doppio strato fosfolipidico: aumenta la probabilità che prima o dopo si incastri nel sito recettoriale dove voglio che la mia molecola di sintesi vada.

Si possono, quindi, dividere i recettori in funzione delle proprietà chimico-fisiche del segnale extracellulare in: recettori di superficie e intracellulari sulla base di dove si trovano i recettori.

Classificazione recettori di superficie

Si può fare anche una sotto classificazione di questi recettori: all’interno della categoria dei recettori di superficie potremmo distinguere due sottogruppi:

• Recettori con l’attività enzimatica;
• Recettori accoppiati a proteina G.

Questi tre gruppi di recettori funzionano un po’ tutti allo stesso modo anche se rispondono a ligandi diversi.

Per esempio, considero una comunicazione chimica (= individuare la cellula che invia il messaggio, capire qual è il messaggio che la cellula invia, capire chi è l’obiettivo o la cellula target e poi capire che cosa fa la cellula target per rispondere al messaggio). Ho deciso di muovere la gamba = capire da dove parte la mia voglia di muovere la gamba e vedere che i messaggi vengono inviati ai muscoli della gamba e capire come i muscoli della gamba percepiscono quel messaggio e lo trasformano in movimento.

Dalla classificazione, io individuo tre modi molto simili di trasformazione del segnale chimico extracellulare in risposta della cellula target. Quindi se anche diciamo così non conosco tutti i precisi tipi di comunicazione fra le cellule, se so che un processo di comunicazione è basato su recettori accoppiati a proteina G, so che quella comunicazione funzionerà più o meno come tutte le altre comunicazioni che sfruttano recettore accoppiato a proteina G.

Ovviamente ci saranno alcune variabili, però il meccanismo generale di trasformazione del segnale extracellulare in reazione della cellula obiettivo della cellula target è molto simile.

Recettori intracellulari

I ligandi sono lipofili per definizione: quindi il “segnale extracellulare” o “ligando” è lipofilo. I recettori sono intracellulari e possono dividersi in:

• Citoplasmatici: il recettore è nel citoplasma e il primo messaggero o ligando è lipofilo, penetra nella cellula e interagisce con il recettore. Il riconoscimento avviene a livello citoplasmatico.
• Nucleari: il recettore nucleare, il ligando, è presente a livello extracellulare e la sua lipofilicità gli consente di penetrare nella cellula, quindi di attraversare il doppio strato fosfolipidico.

Il ligando, però, non trova il recettore nel citoplasma: deve continuare il suo viaggio e interagire con il recettore a livello nucleare.

Il punto d’arrivo delle due vie coincide: è la presenza del recettore accoppiato al suo ligando a livello nucleare. Questo perché questi recettori intracellulari, quando attivati da ligando, in entrambi i casi hanno la capacità di regolare l’espressione genica nella cellula bersaglio.

Riassunto

Il primo messaggero è lipofilo quindi diffonde attraverso il doppio strato fosfolipidico. A questo punto ha due possibilità: il recettore citoplasmatico oppure nucleare.

In entrambi i casi, alla fine, ho un complesso tra la proteina recettore e il ligando extracellulare. Il complesso andrà a legarsi al DNA e andrà a impattare sull’espressione di un gene piuttosto che di un altro e quindi sul profilo di sintesi proteica della cellula bersaglio. Quindi in assenza di segnalazione chimica, questa cellula bersaglio ha un certo profilo di espressione genica e quando arriva il messaggio lipofilico, il profilo e il repertorio di proteine presenti nella cellula bersaglio cambia.

Questo è diciamo l’obiettivo della comunicazione cellulare: far cambiare alla cellula bersaglio l’espressione di proteine. Potrebbero comparire delle proteine oppure potrebbero scomparire delle proteine perché il complesso potrebbe favorire la sintesi proteica ovvero l’espressione di alcuni geni oppure bloccare l’espressione di altri geni.

In entrambi i casi, la cellula bersaglio fa qualcosa di diverso:

• Esprime delle nuove proteine;
• Non esprime più alcune delle proteine che normalmente esprime.

In un caso o nell’altro, ho ottenuto una risposta funzionale diversa indotta dalla comunicazione chimica nel mio sistema.

Recettori di superficie

Hanno dei ligandi idrofili, sono recettori trans membrana e il riconoscimento fra il ligando e il recettore avviene diciamo sul versante extracellulare della cellula. Si possono classificare in due gruppi: recettori dotati di attività enzimatica e recettori accoppiati a proteine G.

Recettori di superficie dotati di attività enzimatica

Abbiamo una proteina trans membrana (verde), sito di legame sul versante extracellulare. Avviene sempre un riconoscimento chiave-serratura.

Il recettore ha, da una parte, il sito recettoriale o proteina recettore, ma la parte citoplasmatica della stessa molecola recettore ha un’attività enzimatica perché questi recettori sono delle protein-chinasi, cioè recettori la cui funzione enzimatica consente loro di fosforilare delle proteine che saranno nel citoplasma perché l’attività enzimatica del recettore guarda verso il citoplasma della cellula bersaglio.

I residui amminoacidici delle proteine che possono essere fosforilati sono tre:

• Tirosina;
• Serina;
• Treonina.

Quindi questi recettori possono essere:

• Tirosin-chinasi;
• Serin-chinasi;
• Treonin-chinasi.

In tutti i casi fosforilano proteine. Il gruppo più importante e quello più noto sono i recettori con attività tirosinchinasica come nella foto.

Come funziona la cascata del messaggio?

Se il 1° messaggero non c’è, la proteina recettore sta sulla membrana con il sito recettoriale vuoto. La sua attività catalitica è inattiva: il recettore si trova in una conformazione tale che l’attività enzimatica è assente. O meglio, al momento è assente, ma è potenzialmente presente. L’enzima è in forma inattiva.

Arriva il ligando o 1° messaggero, questo si incastra nel sito recettoriale del recettore causando una modificazione conformazionale della proteina recettore. Questa modificazione conformazionale rende attiva l’attività catalitica sul versante citoplasmatico dello stesso recettore, attiva l’azione tirosin-chinasica di questo enzima.

A questo punto, se è presente il ligando e per tutto il tempo in cui è presente il ligando, questo recettore fosforilerà in residui di tirosina specifiche proteine. Quando si parla di fosforilazione i residui amminoacidici, il donatore dei gruppi fosfato è ATP.

Quindi se compare il primo messaggero extracellulare cambia il livello di fosforilazione nella cellula b