1. Trasduzione del segnale

Trasduzione del segnale

La biochimica medica si occupa dello studio dei metabolismi tessuto-specifici. Ogni tessuto ha una sua funzione specifica che si riflette nella sua anatomia e nella sua attività metabolica. È necessario che l’attività metabolica e le funzioni dei vari tessuti siano coordinate al fine di mantenere l’omeostasi (condizioni fisiologiche ottimali) e di consentire lo svolgimento delle varie funzioni dell’organismo.

Coordinamento tra i vari tipi cellulari

Come avviene il coordinamento tra i vari tipi cellulari (organi e tessuti)? Le cellule sono dotate di dispositivi molecolari adatti a ricevere ed inviare segnali sotto forma di ‘molecole segnale’ ad attività:

• Endocrina, ad esempio gli ormoni pancreatici che entrano in circolo ed esplicano la loro azione sui tessuti bersaglio posti a distanza.
• Paracrina, molecole che esplicano la loro azione su cellule vicine come ad esempio i neurotrasmettitori, gli eicosanoidi, le prostaglandine e le prostacicline. Le prostaglandine e le prostacicline vengono prodotte dall’endotelio vascolare in risposta a stimoli pro-infiammatori ed agiscono sulla tonaca muscolare determinando vasodilatazione.
• Autocrina, le molecole segnale agiscono sulla stessa cellula che l’ha prodotta, ad esempio i linfociti T producono IL-2 che agisce in maniera autocrina sugli stessi linfociti che l’hanno prodotta.

Le molecole segnale, da un punto di vista chimico, sono suddivisibili in:

• Proteine, come insulina e glucagone;
• Derivati degli amminoacidi, come le catecolammine (adrenalina e noradrenalina) che vengono prodotte a partire dalla tirosina nella midollare del surrene e gli ormoni tiroidei T3 e T4, derivati anch’esse dalla tirosina. La tirosina deriva dalla fenilalanina che è un aminoacido essenziale, la reazione è catalizzata dalla fenilalanina-idrolasi. I deficit di questo enzima sono alla base di una patologia nota come Fenilchetonuria che se non trattata porta a ritardo nello sviluppo cerebrale.
• Ormoni steroidei, derivano dal colesterolo sintetizzato nel fegato per rimozione di parte o tutti gli atomi di C della catena laterale che parte dal C17 dell’anello D. Tale rimozione avviene nei tessuti che producono ormoni steroidei per introduzione di atomi di ossigeno operata da ossidasi a funzione mista che utilizzano il NADPH. Sono lipofili. Tra questi ricordiamo il cortisolo (glucocorticoide) e l’aldosterone (mineralcorticoide) entrambi prodotti nella corticale del surrene, e gli ormoni sessuali, prodotti dalle gonadi.

Recettori e trasduzione del segnale

Il messaggio veicolato dalla molecola segnale è trasmesso alla cellula bersaglio mediante dei recettori che permettono la trasduzione del segnale. I Recettori possono essere di membrana o intracellulari (citosolici o nucleari). Nel complesso è possibile definire i recettori intracellulari come ‘nucleari’ poiché in ogni caso il complesso ligando-Rc si sposta nel nucleo per esplicare la sua azione a livello del DNA.

• Hanno recettori nucleari gli ormoni lipofili (steroidei e tiroidei).
• Hanno recettori di membrana gli ormoni idrofilici (peptidici e amminici). In questo caso l’interazione del ligando con il recettore innesca un signaling con conseguente trasduzione del segnale all’interno della cellula.

L’interazione del ligando con il recettore innesca un meccanismo di trasduzione del segnale, cioè di trasferimento del segnale all’interno della cellula e la conseguente risposta a tale segnale. Le risposte possono essere rapide (nell’arco di millisecondi) o lente, qualora implichino l’interazione del complesso ormone-rc con il DNA.

Descrizione della cinetica dell’interazione Rc-ormone

All’equilibrio per ogni H libero che si lega al Rc, un H si stacca dal complesso HR. La velocità con cui avviene la reazione dipende dalla concentrazione relativa di H ed R (più ne metto in soluzione, più velocemente si forma il complesso HR).

V₁ = k₁ [H] [R] = velocità della reazione di associazione

V₂ = k₂ [HR] = velocità della reazione di dissociazione

In una condizione di equilibrio V₁ = V₂ quindi:

k₁ [H][R] = k₂ [HR]

k₁/k₂ = [HR] / [H][R] = K_a = 1/K_d (costante di associazione)

K_d = [H][R] / [HR] (costante di dissociazione del complesso ormone-Rc)

K_d è la concentrazione di ligando alla quale il binding al recettore è 1/2 del binding Max (saturazione della metà dei recettori). K_d è una misura dell’affinità che ha il recettore nei confronti del suo ligando e per gli ormoni è compresa in una range che va da 10^-9 a 10^-11 M. Minore è la K_d, maggiore l’affinità di un recettore per il suo ligando. Segue una logica simile a quella della K_m. La K_d è importante per la formulazione di farmaci, il farmaco deve infatti presentare un’affinità per il Rc maggiore rispetto a quella del ligando endogeno.

Ad esempio il Tamoxifene è un farmaco, utilizzato per il trattamento del tumore al seno, in grado di legarsi ai recettori per gli estrogeni presenti sulle cellule neoplastiche (il cui signaling stimola la proliferazione) con una maggior affinità e con un effetto antagonista; un altro esempio è fornito dal Ru486 farmaco antagonista del Progesterone utilizzato per l’interruzione volontaria di gravidanza.

K_m = concentrazione di substrato alla quale la velocità dell’enzima è 1/2 V_max.

Caratteristiche dei recettori

• Saturabilità - i rc sono presenti in numero limitato e la piccola quantità di ormone rilasciata sufficiente a saturarli.
• Elevata affinità - bassa K_d
• Specificità - ogni recettore è in grado di discriminare molecole segnale molto simili.

Le caratteristiche di affinità e specificità rivestono una notevole importanza terapeutica. I farmaci possono agire sui recettori come:

• Agonisti (morfina), hanno un sito attivo simile a quello del ligando endogeno (endorfine) e svolgono quindi la sua stessa funzione.
• Antagonisti (beta-bloccanti come il propanolo utilizzati per l’ipertensione), hanno molta più affinità per il recettore (rc beta-adrenergici) rispetto al ligando naturale (adrenalina che fa aumentare la gittata cardiaca), perciò si legano al recettore inibendone il legame. K_d epinefrina = 5microM; K_d propanolo = 0,0046microM.

• Capacità di trasduzione - il legame del ligando al rc avvia una cascata di reazioni che amplificano notevolmente il segnale.
• Mobilità - capacità del rc di diffondere liberamente nel doppio strato fosfolipidico.
• Regolazione - in seguito a vari stimoli può variare il numero dei recettori presenti in un determinato tessuto attraverso fenomeni di down-regulation ed up-regulation.

Tipi di recettori

• Rc accoppiati a proteine G (rc beta-adrenergico dell’adrenalina) - il signaling può mediare un effetto rapido tramite modifica dello stato di fosforilazione di proteine, o lento regolando la trascrizione del DNA.
• Rc ad attività tirosin-chinasica (rc per insulina e glucagone)
• Rc ad attività Guanidilato ciclasica (rc per ANF fattore natriuretico atriale) - di membrana o citosolico, porta alla sintesi di NO.
• Rc canale-ionici a controllo di ligando (rc per ACH)
• Rc di adesione (integrine)
• Rc per gli ormoni steroidei - il complesso HR agisce a livello del DNA

Recettore per steroidi e meccanismo d’azione degli ormoni steroidei (e tiroidei)

Sia gli ormoni steroidei che tiroidei sono liposolubili ed i loro recettori sono intracellulari. Gli ormoni steroidei sono sintetizzati a partire dal colesterolo prodotto nel fegato. Presentano tutti un nucleo steorideo a 4 anelli (ciclopentanoperidrofenantrene). Sono ormoni steroidei:

• I Glucocorticoidi, come il cortisolo, prodotti dalla corticale del surrene.
• Gli ormoni sessuali, prodotti dalle gonadi.
• La vitamina D, può essere esogena (alimenti) o endogena; quella endogena è sintetizzata in forma inattiva a partire dal colesterolo ed attivata per azione delle radiazioni solari, nel fegato viene poi modificata per assumere la forma definitiva. Contribuisce all’omeostasi calcica promuovendo l’assorbimento di calcio nell’intestino e riducendone l’escrezione renale.

Gli ormoni steroidei si muovono in circolo legati a proteine di trasporto, per il cortisolo normalmente rappresentate da globuline, mentre una piccola parte rimane in forma libera; questa porzione libera può diffondere attraverso le membrane cellulari per legarsi al recettore. Le concentrazioni di ormoni steroidei liberi e legati alle globuline sono in equilibrio tra loro in modo che la quantità di ormone libero che entra nella cellula viene ricostituita dalla componente legata alle globuline; in questo modo è sempre presente in circolo una piccola concentrazione di ormone in forma libera.

I Glucocorticoidi (cortisolo) e i mineralcorticoidi (aldosterone) entrambi prodotti dalla midollare del surrene hanno recettori citoplasmatici; in seguito al legame il complesso HR trasloca nel nucleo dove interagisce con gli elementi di risposta all’ormone HRE localizzati nelle regioni promotrici per regolare l’espressione di geni a valle.

Gli ormoni sessuali (estrogeni, progesterone ecc.), la vitamina D e gli ormoni tiroidei hanno recettori nucleari localizzati direttamente su determinate regioni del DNA. In generale, per quanto riguarda il signaling indotto dagli ormoni steroidei, possiamo affermare che le risposte sono lente.

Il cortisolo

Il cortisolo è un glucocorticoide. I Glucocorticoidi sono una classe di ormoni steroidei secreti dalla corticale del surrene che svolgono un importante ruolo nel metabolismo glucidico. La secrezione dei glucocorticoidi è stimolata dall’ormone adrenocorticotropo (ACTH o corticotropina) secreto dall’adenoipofisi, la cui secrezione è a sua volta stimolata dall’ipotalamo mediante l’ormone/fattore di rilascio della corticotropina (CRH o CRF).

Il Cortisolo è prodotto in situazioni di stress (ansia, paura, dolore ecc), in condizioni di ipoglicemia (è una condizione di stress in particolare abbiamo elevati livelli di cortisolo la mattina) e per l’estinzione della risposta infiammatoria (dolore — produzione cortisolo — diminuzione produzione citochine proinfiammatorie e riduzione del dolore). La produzione di Cortisolo a partire dal cortisone (forma di sintesi inattiva) è regolata con un meccanismo a feed-back inattivo: se la concentrazione di cortisolo è sufficiente, viene inibita la conversione del cortisone in cortisolo.

Dovuto alle proprietà anti-infiammatorie si utilizzano glucocorticoidi di sintesi agonisti del cortisolo come farmaci anti-infiammatori ed immuno-soppressori. Vengono somministrati a elevati dosaggi poiché possiedono una scarsa emivita in circolo e sono consigliati per patologie di carattere acuto, un utilizzo prolungato porta infatti a numerosi effetti collaterali. Tra gli effetti collaterali dovuti ad un utilizzo prolungato si annoverano: aumento della glicemia, diabete mellito di tipo II, riduzione della deposizione di calcio con conseguente osteoporosi. È importante rispettare la posologia indicata e non interrompere improvvisamente la terapia poiché l’analogo sintetico del cortisolo va ad inibire con un meccanismo a feed-back la sintesi del cortisolo; qualora la terapia venga interrotta in maniera improvvisa il corpo non è in grado di produrre cortisolo e rischio l’ipoglicemia. È quindi necessario dare il tempo all’asse ipotalamo-ipofisi-surrene di attivarsi diminuendo gradualmente il dosaggio degli analoghi dei GC.

Patologie correlate ad alterazione dei livelli di cortisolo

• Malattia di Addison, insufficienza cortico-surrenalica cronica (↓corticosteroidi; ↓mineralcorticoidi)
• Sindrome di Cushing, sovra-produzione di cortisolo dovuta per lo più a neoplasia delle ghiandole secernenti, per lo più a livello ipofisiario (↑ACTH; ↑cortisolo).

Il Cortisolo ha un’azione iperglicemizzante mediante la regolazione del metabolismo glucidico, lipidico e protidico. Esplica le sue azioni a livello di:

• Tessuto adiposo - promuovo la lipolisi dei trigliceridi; gli acidi grassi non esterificati circolano nel sangue legati all’albumina e vengono captati dal muscolo (se necessita di energia) e dal fegato che, tramite la beta-ox ricava potere riducente sottoforma di NADH e FADH necessari per il processo di gluconeogenesi; il glicerolo derivato dalla degradazione dei trigliceridi viene convertito fosforilato ed ossidato a di-idrossiacetone-fosfato, quindi isomerizzato a gliceraldeide-3P che funge da intermedio della gluconeogenesi.
• Tessuto muscolare - stimola la degradazione delle proteine in modo da aumentare la quantità di aas in circolo ed in particolare di alanina che nel fegato funge da substrato per la gluconeogenesi.