Appunti biologia cellulare

Comunicazione tra cellule

La comunicazione tra cellule è mediata principalmente da molecole di segnalazione extracellulare. La maggior parte delle cellule degli organismi multicellulari emettono e ricevono segnali. Il ricevimento dei segnali dipende da proteine recettoriali che legano la molecola segnale, presenti solitamente sulla superficie cellulare. Questo legame attiva il recettore, che a sua volta attiva una o più vie di segnalazione intracellulare. Queste catene di trasmissione formate da molecole (principalmente proteine di segnalazione intracellulare) elaborano il segnale all’interno della cellula ricevente e lo distribuiscono ai bersagli intracellulari appropriati. Questi bersagli sono generalmente proteine effettrici, che sono alterate quando la via di segnalazione è attivata e realizzano l’appropriato cambiamento del comportamento cellulare.

Le cellule degli animali multicellulari comunicano per mezzo di centinaia di tipi di molecole segnale. Queste comprendono proteine, piccoli peptidi, amminoacidi, nucleotidi, steroidi ecc. La maggior parte di queste molecole segnale è secreta dalla cellula di segnalazione nello spazio extracellulare per esocitosi. Alcune, tuttavia sono rilasciate per diffusione attraverso la membrana plasmatica della cellula che manda il segnale, mentre altre sono esposte sulla superficie esterna della cellula e rimangono attaccate ad essa fornendo un segnale alle altre cellule solo quanto prendono contatto. Indipendentemente dalla natura del segnale, la cellula bersaglio risponde per mezzo di un recettore, che si lega specificamente alla molecola segnale e inizia una risposta nella cellula bersaglio. Nella maggior parte dei casi, questi recettori sono proteine transmembrana presenti sulla superficie della cellula bersaglio. Quando si legano ad una molecola segnale extracellulare (un ligando) si attivano e generano una cascata di segnali intracellulari che alterano il comportamento della cellula. In altri casi i recettori sono all’interno della cellula bersaglio e la molecola segnale deve entrare nella cellula per attivarli: ciò richiede che le molecole segnale siano sufficientemente piccole e idrofobiche per diffondere attraverso la membrana plasmatica.

Comunicazione intercellulare in un organismo multicellulare

Tipi di comunicazione cellulare nell’organismo umano

• Corto raggio:
  • Dipendente da contatto: molte molecole segnale restano attaccate alla superficie della cellula di segnalazione e influenzano soltanto cellule che con essa sono in contatto. Ciò è importante durante lo sviluppo e nelle risposte immunitarie.
  • Gap Junction (caso particolare): sono stretti canali pieni d’acqua che connettono direttamente i citoplasmi di cellule epiteliali adiacenti, così come di alcuni altri tipi cellulari. I canali permettono lo scambio di ioni inorganici e di altre piccole molecole solubili in acqua, ma non di macromolecole come proteine o acidi nucleici. Le giunzioni gap rappresentano la forma più stretta di tutte le forme di comunicazione cellulare. Permettono generalmente il passaggio simmetrico in entrambe le direzioni della comunicazione tra le cellule.
  • Paracrina e autocrina: nella maggior parte dei casi le cellule di segnalazione secernono le molecole segnale nel fluido extracellulare. Le molecole secrete possono essere trasportate lontane per agire su bersagli distanti o possono agire da mediatori locali, che influenzano soltanto cellule nelle immediate vicinanze della cellula di segnalazione, nel caso della segnalazione paracrina. Le cellule possono produrre segnali a cui rispondono esse stesse, in questo caso si parla di segnalazione autocrina, come nel caso delle cellule tumorali che usano tale strategia per la loro sopravvivenza e la propria proliferazione.
• Lungo raggio:
  • Segnalazione sinaptica: organismi multicellulari grandi e complessi hanno bisogno di meccanismi di segnalazione a lungo raggio per coordinare il comportamento delle cellule nelle parti più distanti del corpo. Le più sofisticate cellule di questo tipo sono le cellule nervose, che tipicamente estendono lunghi processi ramificati (assoni) che permettono loro di contattare cellule bersaglio molto lontane, dove il processo termina a livello di siti di trasmissione del segnale specializzati noti come sinapsi chimiche. Quando è attivato da segnali provenienti dall’ambiente o da altre cellule nervose, un neurone manda rapidamente impulsi elettrici lungo il suo assone; quando un simile impulso raggiunge la sinapsi alla fine dell’assone, provoca la secrezione da parte delle terminazioni nervose di un segnale chimico chiamato neurotrasmettitore. La segnalazione sinaptica può essere molto veloce, oltre che precisa. Le cellule nervose possono trasmettere informazioni su lunghe distanze mediante impulsi elettrici che viaggiano a velocità fino a 100 metri al secondo.
  • Segnalazione endocrina: un differente tipo di strategia per la segnalazione su lunghe distanze fa uso di cellule endocrine. Queste cellule secernono le loro molecole segnale, chiamate ormoni, nel torrente circolatorio, che le trasporta per grandi distanze e ovunque, permettendo loro di agire su cellule bersaglio distribuite in tutto il corpo. Poiché la segnalazione endocrina si basa sulla diffusione e sul flusso sanguigno, è relativamente lenta. Gli ormoni sono molto diluiti nel sangue e nei liquidi interstiziali e devono perciò essere capaci di agire a concentrazioni molto basse.

Ciascuna cellula è programmata per rispondere a combinazioni specifiche di molecole segnale extracellulari. Cellule diverse possono rispondere in modo diverso alla stessa molecola segnale extracellulare.

Recettori

Macromolecole. Localizzate: sulla membrana, nel citoplasma o nel nucleo della cellula bersaglio. Interazione specifica con uno/famiglie di ligandi. Capacità di indurre modificazioni all’interno della cellula bersaglio (trasduzione del segnale) a seguito della trasformazione conformazionale scatenata dal legame con il ligando. L’interazione tra le molecole segnale ed i loro recettori impone cambiamenti conformazionali ai recettori che subiscono transizioni allosteriche.

L’interazione ligando-recettore

• Legami ionici.
• Attrazioni di Van der Waals.
• Ponti idrogeno.
• Interazioni idrofobiche.

Come conseguenza: l’interazione ligando-recettore è reversibile. La stabilità del complesso è legata al numero di legami che si riescono a formare (complementarietà fisica del sito di legame sul recettore con il ligando). L’affinità fra ligandi e recettori varia a seconda delle diverse classi di ligandi e recettori. La Kd varia da 10⁻³M a 10⁻¹²M. (es. gli ormoni hanno un’alta affinità mentre i neurotrasmettitori più bassa).

Recettori intracellulari

Recettori nucleari: un certo numero di piccole molecole segnale idrofobiche diffonde direttamente attraverso la membrana plasmatica delle cellule bersaglio e si lega a recettori intracellulari che sono proteine che regolano geni. Queste molecole segnale includono ormoni steroidei, ormoni tiroidei, retinoidi e vitamina D. Queste molecole segnale si legano ai loro rispettivi recettori intracellulari e alterano la capacità di queste proteine di controllare la trascrizione di geni specifici, funzionando quindi sia da recettori intracellulari del segnale che da effettori intracellulari. I recettori sono tutti correlati strutturalmente, essendo parte della grandissima superfamiglia dei recettori nucleari. I recettori nucleari si legano tutti a sequenze specifiche di DNA adiacenti ai geni che il ligando regola.

Gli ormoni steroidi, che comprendono cortisolo, gli ormoni sessuali, la vitamina D e l’ormone della muta ecdisone, sono tutti prodotti a partire dal colesterolo. Il cortisolo è prodotto nella corteccia delle ghiandole surrenali e influenza il metabolismo di molti tipi di cellule. Gli ormoni steroidi sessuali sono prodotti nei testicoli e nell’ovaio e sono responsabili delle caratteristiche sessuali secondarie che distinguono i maschi dalle femmine. La vitamina D è sintetizzata nella pelle in risposta alla luce solare; dopo essere stata convertita nella forma attiva nel fegato e nei reni, regola il metabolismo del Ca²⁺, promuovendo l’assunzione di Ca²⁺ nell’intestino e riducendo la sua escrezione nei reni. Gli ormoni tiroidei che sono prodotti dall’amminoacido tirosina, agiscono aumentando la velocità metabolica in una grande varietà di tipi cellulari, mentre il retinolo, come l’acido retinoico, sono prodotti dalla vitamina A e hanno ruoli importanti come mediatori locali nello sviluppo dei vertebrati.

Recettori di membrana

La maggior parte delle molecole segnale extracellulari si legano a recettori specifici sulla superficie delle cellule bersaglio che influenzano, e non entrano nel citosol o nel nucleo. Questi recettori di superficie agiscono da trasduttori del segnale, convertendo un evento di attacco di un ligando extracellulare in segnali intracellulari che alterano il comportamento della cellula bersaglio.

• Recettori collegati a canali ionici: noti anche come canali ionici regolati da trasmettitore o recettori ionotropici, sono coinvolti nella segnalazione sinaptica rapida fra le cellule nervose e altre cellule bersaglio eccitabili elettricamente quali cellule nervose e muscolari. Questo tipo di segnalazione è mediato da un piccolo numero di neurotrasmettitori che aprono o chiudono temporaneamente un canale ionico formato dalla proteina a cui si attaccano, cambiando brevemente la permeabilità ionica della membrana plasmatica e quindi l’eccitabilità della cellula bersaglio postsinaptica.
• Recettori collegati a proteine G: agiscono indirettamente nella regolazione dell’attività di una proteina bersaglio separata legata alla membrana, che può essere un enzima o un canale ionico. L’interazione fra il recettore e questa proteina bersaglio è mediata da una terza proteina, chiamata proteina trimerica che lega GTP (proteina G). L’attivazione della proteina bersaglio può cambiare la concentrazione di uno o più mediatori intracellulari o può cambiare la permeabilità ioni della membrana plasmatica. I piccoli mediatori intracellulari agiscono a loro volta alterando il comportamento di altre proteine segnale nella cellula. Tutti i recettori collegati a proteine G appartengono a una grande famiglia di proteine transmembrana a passaggi multipli omologhe.
• Recettori collegati a enzimi: agiscono sia propriamente come enzimi che associandosi direttamente agli enzimi che attivano. Essi sono generalmente formati da proteine transmembrana a singolo passaggio che hanno il loro sito di attacco del ligando all’esterno della cellula e il loro sito catalitico o di legame per l’enzima all’interno. I recettori collegati ad enzimi sono eterogenei per struttura in confronto alle altre due classi.

I segnali ricevuti sulla superficie di una cellula da recettori collegati a proteine G o ad enzimi sono trasmessi all’interno della cellula da una combinazione di piccole e grandi molecole di segnalazione intracellulari. Le piccole molecole di segnalazione intracellulare sono chiamate piccoli mediatori intracellulari o secondi messaggeri (i primi sono i segnali extracellulari). Le grandi molecole di segnalazione intracellulare sono proteine di segnalazione intracellulare, che aiutano a trasmettere il segnale all’interno della cellula sia generando piccoli mediatori intracellulari che attivando la segnalazione o la proteina effettrice successiva della via.

Proteine di trasmissione

Molte proteine di segnalazione intracellulare si comportano come interruttori molecolari: quando ricevono un segnale scattano da uno stato inattivo ad uno stato attivo, fino a che un altro processo non le spegne facendo tornare alla conformazione inattiva. La classe grande consistente di proteine che sono attivate o inattivate da fosforilazione. Per queste proteine l’interruttore è spinto in una direzione da una proteina chinasi, che aggiunge uno o più gruppi fosfato alla proteina di segnalazione, e nell’altra direzione da una proteina fosfatasi, che rimuove i gruppi fosfato dalla proteina. La fosforilazione avviene sul gruppo idrossilico di specifici amminoacidi.

• Serina/treonina chinasi: fosforilano proteine su serine e su treonine. Diversi meccanismi di attivazione:
  • Modificazioni allosteriche: secondi messaggeri (es. cAMP, cGMP, Ca²⁺).
  • Modificazioni covalenti: fosforilazioni, defosforilazioni, proteolisi.
• Tirosina chinasi: fosforilano proteine su tirosine. Meccanismi di attivazione: recettori di membrana attivati da ligando, defosforilazioni.
• (MAPK) chinasi serina/treonina tirosina. Meccanismo di attivazione: fosforilazioni.

L’altra classe principale di interruttori molecolari che funzionano acquisendo e perdendo gruppi fosfato è costituito da proteine che legano GTP. Queste scattano da uno stato “attivo” quando è legato a GTP, ad uno stato inattivo, quando è legato a GDP. Una volta attivate, hanno un’attività GTPasica intrinseca e si spengono da sole idrolizzando il loro GTP legato a GDP.

• Grosse proteine trimeriche che legano GTP: trasmettono il segnale da recettori collegati a proteine G.
• Piccole GTPasi monomeriche: aiutano a trasmettere segnali che arrivano da molte classi di recettori di superficie.

Proteine regolatrici specifiche controllano entrambi i tipi di proteine che legano GTP. Le proteine che attivano la GTPasi (GAP) spingono le proteine nello stato inattivo aumentando il tasso di idrolisi del GTP legato; le GAP che funzionano in questo modo sono anche chiamate proteine regolatrici della segnalazione delle proteine G (RGS). Una strategia che la cellula usa per ottenere specificità coinvolge proteine di impalcatura, che organizzano gruppi di proteine di segnalazione interagenti in complessi di segnalazione, spesso prima che il segnale venga ricevuto. La maggior parte delle reti di segnalazione, come vie metaboliche intracellulari incorporano circuiti a feedback, nei quali il segnale in uscita di un processo segue un circuito a feedback per regolare il processo stesso.

• Feedback positivo: il segnale in uscita stimola la sua stessa produzione; un circuito a feedback positivo in una via di segnalazione può trasformare il comportamento della cellula che risponde al segnale.
• Feedback negativo: il segnale in uscita inibisce la sua stessa produzione; un circuito a feedback negativo contrasta l’effetto di uno stimolo e quindi abbrevia e limita il livello della risposta, rendendo il sistema meno sensibile alle perturbazioni.

Trasduzione del segnale

• Elementi:
  • Effettori (strutturali, di trasmissione)
  • Secondi messaggeri
  • Proteine bersaglio
• Specificità: poche molecole segnale altissima varietà di effetti biologici. Le risposte cellulari agli stessi segnali sono tessuto specifiche
  • Recettori diversi
  • Cascate intracellulari diverse
  • Il corretto svolgersi della sequenza è facilitato dall’esistenza di specifici domini impalcatura. Tali domini possono essere inattivi o attivati in seguito a fosforilazione da parte degli enzimi effettori.
  • Cooperazione e ridondanza del segnale
• Modulazione del segnale (amplificazione): secondi messaggeri, attività enzimatica
• Cinetica:
  • Insorgenza dell’effetto (effetto soglia)
  • Disattivazione della via: alcuni enzimi effettori (es. proteine G) si autodisattivano determinando lo spegnimento della trasmissione del segnale (che può essere quindi mantenuta solo dalla permanenza dell’interazione ligando recettore).

Recettori legati a G proteine

I recettori collegati a G proteine formano la famiglia più grande di recettori di superficie. Nonostante la diversità chimica e funzionale dei loro ligandi, tutti i recettori di questo tipo hanno una struttura simile: sono formati da un’unica catena polipeptidica che attraversa la membrana 7 volte, per questo sono detti anche recettori a serpentina. Presentano tre domini:

• N-terminale lato extracellulare
• C-terminale lato citosolico
• Loops intracellulari

Sito di interazione con il ligando: N-terminale e loops extracellulari. Sito di interazione con l’effettore: C-terminale e terzo loop intracellulare. I ligandi che si legano a proteine G sono: neurotrasmettitori, fotoni, ormoni peptidici, eicosanoidi e molecole di regolazione. Le proteine G sono composte da tre subunità proteiche:

• α: nello stato non stimolato lega il GDP e la proteina è inattiva. Quando è stimolata da un recettore attivato, la subunità rilascia il GDP e acquista affinità per il GTP e lo lega cambiando conformazione, il che le permette di interagire con le sue proteine bersaglio. Ciò produce la dissociazione del trimero in due componenti: α e il complesso βγ. La subunità α non è altro che una GTPasi che genera un meccanismo di tipo On/Off. Il sito di legame al GTP è costituito da 5 sequenze denominate sequenze G. Se isolato, la GTPasi è inefficiente e diventa inattiva solo dopo parecchi minuti. Tuttavia ciò non avviene perché alla subunità α si lega una seconda proteina che ne aumenta la velocità di catalisi. Essa può essere o la sua proteina bersaglio o un modulatore specifico noto come regolatore della se...