1. Introduzione comunicazione intercellulare, recettori di membrana connessi a G-proteine e relative vie (adenilato ciclasi, fosfolipasi C beta, apertura di canali anche mediante cAMP e cGMP)

BIOLOGIA CELLULARE

Daniela Ferrari, 2018-2019

Comunicazione intercellulare

Dall'ambiente la cellula riceve differenti segnali complessi che agiscono in maniera

coordinata e determinano effetti biologici:

- segnali di sopravvivenza o di apoptosi/morte che sono in grado di innescare una cascata

di segnalazione.

- segnali per attivare la proliferazione cellulare, che comunicano quando e se attivare la

divisione cellulare; negli organismi pluricellulari è importante regolare il numero di divisioni

cellulari. I tumori per esempio perdono la capacità di controllo, non sentono i segnali di

morte e si dividono in maniera autonoma, aberrante.

- segnali per il differenziamento, complessa attività importante nella cellula; prevede

meccanismi molecolari e nucleari che permettono a una cellula di acquisire una funzione

specifica. Il suo fine è portare una cellula a divenire post-mitotica, non più in divisione.

- segnali che regolano attività metaboliche.

- segnali che determinano cambiamenti di forma e migrazione.

Elementi chiave che compongono la comunicazione intercellulare:

- cellula segnalante: con proprie caratteristiche, è quella che produce un segnale.

- segnale: o ligando, che si lega appunto su specifiche molecole della cellula bersaglio, i

recettori, agendo a basse concentrazioni di 10 M. I ligandi possono essere estremamente

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diversificati, si possono avere proteine, piccoli peptidi, aa, lipidi, steroidi, nucleotidi e anche

gas (monossido di carbonio e ossido d'azoto). Pur essendo segnali possono avere una

forma chimica differente. Possono inoltre essere secreti dalla cellula stessa o essere

ancorati alla membrana della cellula.

- cellula bersaglio: ha un recettore e una via di trasduzione del segnale. Il recettore, una

macromolecola che permette la comunicazione, è funzionalmente in grado di interagire

con il segnale, determinando così una reazione biologica nella cellula.

In tutti i recettori possono essere individuate 3 strutture:

1. sito di legame con il segnale

2. siti che interagiscono con proteine/molecole all'interno della cellula; è il sito di

trasduzione del segnale.

3. siti che modulano la funzione del recettore.

I recettori sono specifici per famiglie di segnali; ogni cellula presenta uno specifico corredo

recettoriale particolare, che differisce quindi da cellula a cellula.

- via di trasduzione del segnale: è composta da molecole in sequenza che interagiscono

tra loro; il recettore attiva la prima molecola, grazie quindi a una seria di passaggi di

differente tipo il segnale è trasmesso all'ultimo elemento della cascata, il quale attiva

l'effetto biologico.

- effetto biologico: prevede o l'attivazione di un certo enzima o una modificazione

citoscheletrica (effetti immediati, appena dopo il segnale) o la trascrizione di geni (effetto

biologico, evidente dopo un certo tempo).

Sequenza di eventi nella comunicazione cellulare:

1. Riconoscimento del segnale sulla superficie esterna della membrana plasmatica o

all'interno del citoplasma.

2. Trasferimento dell'informazione attraverso la membrana e il citoplasma a un

elemento.

3. Trasmissione nella cascata di trasduzione del segnale, si tratta di un passaggio da

una molecola a un'altra.

4. Cessazione della risposta in seguito all'eliminazione delle molecole segnale e

all'attivazione di processi di modulazione negativa del segnale.

Quest'ultima fase è un aspetto importante, perché se non funziona correttamente le cellule

rispondono in maniera aberrante.

È possibile avere una comunicazione modulabile, caratterizzata da una risposta specifica,

una determinata cinetica della risposta e una specifica intensità dell'effetto.

Ci sono due tipi di comunicazione intercellulare:

1. a corto raggio: in cui cellula segnalante-cellula bersaglio sono molto vicine, spesso

unite.

2. a lunga distanza: in cui cellula segnalante-cellula bersaglio sono posizionate a una

certa distanza.

1. La comunicazione a corto raggio può essere:

dipendente da contatto: in questo caso il segnale e il recettore sono molecole di

• membrana, che entrano in contatto solo se sono molto vicine. Questo permette di

coordinare velocemente un gruppo di cellule che

svolgono la medesima funzione, permettendo di

mantenere l'omeostasi tissutale.

La comunicazione intercellulare mediata da GAP-

junctions è un caso particolare perché si tratta di

strutture proteiche che formano canali di

comunicazione tra il citoplasma di cellule adiacenti.

Attraverso il canale le cellule possono scambiarsi

molecole di piccole dimensioni come ioni e AMP-

ciclico, che funzionano come segnali, condividendo

così parzialmente il contenuto del loro citoplasma

(sincizio funzionale).

paracrina e autocrina: i segnali possono sopravvivere all'esterno della cellula per

• breve tempo, perché poi o vengono assunti da cellule bersaglio circostanti (uptake)

o ci sono enzimi che li degradano o

meccanismi di intrappolamento. Questo

impedisce una diffusione efficace, quindi

entrano in contatto solo con la cellula

bersaglio. Il dominio di azione è molto corto.

Si tratta di via autocrina nel caso in cui

cellula bersaglio e cellula segnalante

coincidono, in questo caso le cellule sono

autonome, perché producono il segnale che

poi utilizzano.

Questi meccanismi (autocrina/paracrina) si ritrovano nel sistema immunitario,

nell'età embrionale, nei morfogeni e nei tumori, i quali attraverso la via autocrina

secernono fattori che stimolano la proliferazione cellulare (grande vantaggio!).

2. Segnalazione a lunga distanza è sfruttata dal sistema endocrino e da quello nervoso.

Il sistema endocrino utilizza gli ormoni (molecole

idrofobiche) come segnali, che vengono secreti nel

torrente circolatorio e percorrono lunghe distanze

fino a raggiungere la cellula bersaglio. I recettori

degli ormoni hanno un'elevata affinità, in modo da

legare in maniera specifica l'ormone anche a basse

concentrazioni. Gli effetti degli ormoni si

evidenziano dopo un certo tempo da quando è stato

rilasciato il segnale, ma durano a lungo in quanto

spesso agiscono sulla trascrizione dei geni.

Il sistema nervoso invece utilizza un segnale elettrico (diffonde lungo la membrana

dell'assone) e un segnale chimico (il NT).

Le sinapsi presentano nella membrana pre/post-

sinaptica delle proteine particolari, specifiche. Le

sinapsi possono essere: asso-dendritica (se l'assone

comunica con un dendrite), asso-somatica (se il

neurone segnalante interagisce con il corpo

cellulare) e asso-assonica (se la comunicazione è

tra due assoni).

I neuroni hanno una bassa affinità con i NT, infatti li

legano solo quando sono presenti a elevate concentrazioni. Il sistema nervoso ha capacità

di risposta dell'ordine dei ms da quando riceve il segnale, in quanto il segnale nervoso può

viaggiare con una velocità che raggiunge i 100 m/s.

I recettori

I recettori sono le molecole chiave della segnalazione cellulare; la loro scoperta e

l'identificazione è stata fondamentale per permettere di disegnare nuovi farmaci. Si

pensava di aver trovato la risposta per intervenire in maniera specifica su processi

biologici, in realtà il meccanismo è molto più complesso perché la plasticità dell'organismo

prevede che uno stesso recettore possa attivare effetti biologici differenti.

I recettori sono macromolecole, proteine molto grosse che devono svolgere diverse

funzioni, e presentano quindi diversi siti funzionali deputati a:

riconoscimento del ligando

– trasmissione del segnale

– interazione con molecole interne alla cellula, a seguito del segnale

– regolare il recettore

–

Molti dei primi recettori identificati erano proteine transmembrana, poi sono stati scoperti

recettori intracellulari e altri all'interno del nucleo.

Considerando le necessità dell'organismo si parla di una famiglia di recettori su cui

agiscono una famiglia di ligandi.

La caratteristica di un recettore è la capacità di trasmettere un segnale alla cellula

bersaglio, che scatena una cascata di trasduzione, a seguito dell'interazione con il ligando

che determina una serie di cambiamenti conformazionali.

1. Interazione segnale-recettore: non è un'interazione covalente, non è stabile; questo

perché la comunicazione deve essere plastica, in maniera da poterla spegnere; si tratta di

legami ionici, attrazioni di Van der Waals, ponti idrogeno e interazioni idrofobiche che

permettono una comunicazione reversibile. Affinché però il segnale rimanga legato

sufficientemente a lungo al recettore deve esserci una complementarietà fisica del sito di

legame sul recettore con il ligando.

Il segnale poi ha una specifica affinità con il recettore, per esempio gli ormoni hanno

un''affinità maggiore, agendo a basse concentrazioni, mentre i NT hanno un'affinità minore

in quanto agiscono a elevate concentrazioni.

2. A seguito dell'interazione ligando-recettore si ha un cambiamento conformazionale del

recettore, che dà il via alla cascata di trasduzione del segnale; questo perché vengono

smascherati siti sul recettore che permettono di prendere contatto con molecole che

portano avanti il segnale.

Ci sono due categorie di recettori: i transmembrana e gli intracellulari (sebbene sia

possibile individuare i vari passaggi, questi sono leggermente diversi, più contratti).

Il recettore transmembranale presenta sempre il sito di interazione con il ligando, un sito

che consente il suo posizionamento sulla membrana cellulare (dominio idrofobico, che

rimane nel doppio strato fosfolipidico) e un dominio interno, citoplasmatico.

La loro attivazione è permessa da segnali extracellulari, idrofilici, che non possono

attraversa la membrana, come NT, fattori di crescita e citochine.

Ci sono 4 categorie di recettori transmembrana:

- recettori associati a proteine G, legate alla membrana: con caratteristiche

particolari di attivazione.

- recettori che sono o attivano canali ionici: il meccanismo di trasmissione del

segnale permette l'ingresso di ioni nella membrana, variando il potenziale e

andando in alcuni casi ad attivare messaggi.

- recettori collegati ad attività enzimatica: il cambiamento conformazionale attiva

regioni con capacità enzimatiche, solitamente di fosforilazione.

- recettori la cui attivazione determina la modulazione di processi di proteolisi di

determinate proteine.

3. La trasduzione del segnale, che prevede l'arrivo del segnale da lato extracellulare,

permette che il recettore trasmetta appunto il segnale e attivi una

risposta cellulare (decodifica del segnale in effetto biologi