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 della comunicazione intercellulare

• Cellula segnalante: con proprie caratteristiche, è quella che produce un segnale.
• Segnale: o ligando, che si lega su specifiche molecole della cellula bersaglio, i recettori, agendo a basse concentrazioni di 10^-8 M. I ligandi possono essere estremamente diversificati, si possono avere proteine, piccoli peptidi, amminoacidi, 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 in grado di interagire con il segnale, determinando così una reazione biologica nella cellula.

Strutture dei recettori

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, e grazie a una serie 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 modifica 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.

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.

Comunicazione a corto raggio

• 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!).

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 neurotrasmettitore). 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 neurotrasmettitori, infatti li legano solo quando sono presenti a elevate concentrazioni. Il sistema nervoso ha capacità di risposta dell'ordine dei millisecondi 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.

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 neurotrasmettitori hanno un'affinità minore in quanto agiscono a elevate concentrazioni.

Trasduzione del segnale

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.

Categorie di recettori

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 attraversare la membrana, come neurotrasmettitori, fattori di crescita e citochine.

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.

Trasduzione del segnale

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 biologico); questo avviene attraverso una serie di reazioni enzimatiche a catena che compongono la via di trasduzione del segnale. In questi passaggi il segnale passa attraverso diverse proteine che ne modificano la forma.

Pathway di trasduzione del segnale

Comprende proteine o molecole che sono classificate in base alla funzione in:

• Effettori: si tratta di una serie di molecole che consentono una corretta trasduzione del segnale e si suddividono in:
• Proteine impalcatura: regolano e facilitano la trasmissione del segnale, rendendola più efficiente e veloce. Sono grosse proteine che possono legare diverse proteine, strutturandole in modo che abbiano i siti di interazione prossimali. Permettono di costituire delle unità funzionali. I siti di interazione sono molto simili, sebbene le proteine con cui si ha l'interazione sono differenti; ci sono domini di riconoscimento di altre proteine.
• Proteine di biforcazione/integrazione: permettono che il segnale venga integrato o eserciti più di un effetto, agendo su più recettori.
• Proteine di trasmissione: la loro attività permette un'amplificazione del segnale, attraverso 3 meccanismi principali:
• Possono produrre specifiche molecole che prendono il nome di secondi messaggeri.
• Possono interagire fisicamente con altre proteine e permetterne l'attivazione; tra queste ci sono le proteine G, che hanno legato il GTP; quando arriva il segnale queste proteine legano GTP e sono attive, interagendo con altre proteine (le bersaglio). A un certo punto possono autonomamente idrolizzare il GTP, attraverso il dominio di idrolisi e inattivarsi. Funzionano come degli interruttori molecolari che tendono a spegnersi in assenza del segnale e si attivano solo se c'è un segnale dall'alto.
• Possono indurre modificazioni covalenti attraverso reazioni di fosforilazione e defosforilazione, sfruttando proteine chinasi e fosfatasi, che trasferiscono gruppi fosfato. Questi gruppi fosfato sono in grado di indurre modificazioni post-traduzionali importanti, capaci di modulare l'attività della proteina. È un metodo ampiamente utilizzato dalle cellule, che presenta dei vantaggi: è infatti facile trovare molecole donatrici di gruppi P nelle cellule (ATP e GTP), la modificazione è poi dinamica, perché è facile aggiungere e togliere gruppi fosfato.

Il gruppo fosfato viene aggiunto in specifici amminoacidi sulle proteine: serina, treonina e tirosina. Le chinasi che agiscono su serina, agiscono anche su treonina, in quanto la struttura amminoacidica è molto simile; la maggior parte delle fosforilazioni avviene sulla serina (90-95%), una piccola percentuale invece si ha sulla tirosina (1%). Le tirosin-chinasi sono fondamentali, intervengono nella proliferazione cellulare. Il fatto che l'attivazione delle proteine implicate nella divisione cellulare sia regolata da proteine presenti a basse concentrazioni è un vantaggio, perché l'errore è ridotto al massimo.

Gli importanti cambiamenti indotti da gruppi fosfato sono legati al fatto che esso porta due cariche negative, che agiscono attraverso fenomeni di attrazione o repulsione. La fosforilazione può:

• Attivare/inibire l'attività catalitica di certi enzimi
• Variare l'affinità di legame tra diverse proteine e substrati
• Variare la localizzazione subcellulare della proteina, magari perché le permette di riconoscere un sito di legame della proteina impalcatura
• Variare la capacità di subire altre modificazioni covalenti, perché porta a esporre siti di legame differenti
• Variare la stabilità della proteina