Biochimica I : trasduzione del segnale, tutti i tipi di recettori, ormoni

Biochimica

Trasduzione del segnale

La biochimica è una materia che studia la struttura chimica e spaziale delle macromolecole biologiche, le interazioni tra le macromolecole, la loro sintesi, degradazione e trasformazione, la conservazione e l’utilizzazione dell’energia cellulare, i meccanismi che regolano le attività delle macromolecole e la trasduzione del segnale che serve a comprendere come viene regolato il metabolismo.

Il metabolismo è l’insieme delle reazioni di sintesi (anaboliche) delle macromolecole biologiche a partire dalle molecole più semplici e l’insieme delle reazioni di degradazione (cataboliche) delle macromolecole per formare le molecole più semplici. Le macromolecole sono le proteine i cui costituenti sono gli amminoacidi, gli acidi nucleici i cui costituenti sono i nucleotidi, i polisaccaridi i cui costituenti sono i monosaccaridi e i lipidi complessi i cui monomeri sono gli acidi grassi.

Le reazioni anaboliche e cataboliche sono regolate per mezzo della trasduzione del segnale ai fini del mantenimento dell’omeostasi nell’organismo. Il meccanismo di trasduzione del segnale è reso possibile grazie al riconoscimento da parte della cellula di una serie di segnali o messaggeri molecolari, che possono essere secreti dalla stessa cellula o possono provenire dall’ambiente esterno. Questi segnali vengono rilasciati nel momento in cui l’ambiente esterno alla cellula subisce delle modificazioni; così il segnale arriva alla cellula che lo elabora per produrre una risposta appropriata, che consente alla cellula di adattarsi alla nuova situazione.

Il segnale che la cellula riceve dall’ambiente esterno prende il nome di primo messaggero. Questo segnale extracellulare viene riconosciuto solo dalle cellule bersaglio e non dalle altre cellule, perché solo le cellule bersaglio hanno sulla membrana plasmatica recettori, che sono proteine specifiche di forma complementare a quella del messaggero molecolare. I recettori sono legati al messaggero molecolare detto ligando per mezzo di forze deboli non covalenti, le stesse che stabilizzano i complessi enzima-substrato e antigene-anticorpo.

Negli organismi multicellulari la specificità è ulteriormente aumentata dal fatto che recettori per un dato segnale sono presenti solo in un certo tipo di cellule. Per esempio, l’ormone che rilascia la tirotropina genera risposte nelle cellule dell’ipofisi anteriore, ma non negli epatociti, che mancano del recettore per questo ormone.

L’adrenalina modifica il metabolismo del glicogeno negli epatociti, ma non negli eritrociti, anche se in questo caso entrambi i tipi di cellule possiedono il recettore per l’ormone, gli epatociti hanno un enzima che partecipa al metabolismo del glicogeno, eritrociti ne sono privi. Un’altra caratteristica del recettore oltre alla specificità è l’amplificazione del segnale attraverso una cascata enzimatica che inizia quando un enzima associato al recettore del segnale viene attivato; questo enzima a sua volta attiva a cascata altri enzimi e il numero di molecole che entra in gioco aumenta geometricamente.

Altra caratteristica del recettore è la desensibilizzazione, che consiste nella disattivazione del recettore, che può avvenire o tramite spegnimento, che a sua volta avviene attraverso la fosforilazione o defosforilazione del recettore oppure attraverso un processo di down regulation, che consiste nel passaggio del recettore di membrana all’interno della cellula attraverso le vescicole; si ha così la rimozione dei recettori dalla membrana. Nel caso in cui invece si voglia aumentare la permissività della cellula nei confronti di un segnale, si ha un processo di up regulation, che consiste nello spostamento dei recettori dal citoplasma verso la membrana.

L’ultima caratteristica del recettore è l’integrazione che consiste nella capacità del sistema di trasduzione del segnale di ricevere segnali multipli e di produrre una sola risposta appropriata alle necessità della cellula o dell’organismo.

I segnalatori

I segnalatori sono ormoni, neurotrasmettitori e mediatori locali.

Ormoni

Gli ormoni sono prodotti dalle ghiandole endocrine, che sono ghiandole prive di un dotto escretore e che rilasciano gli ormoni nel sangue. Esempi di ghiandole endocrine sono: l’ipofisi, le ghiandole surrenali e la tiroide.

Le ghiandole esocrine invece hanno un dotto escretore e riversano il loro contenuto all’esterno del corpo o nelle cavità degli organi. Esempi di ghiandole esocrine sono: le ghiandole salivarie, le ghiandole mammarie, le ghiandole sudoripare e le ghiandole della seta di alcuni insetti e ragni.

Neurotrasmettitori

I neurotrasmettitori sono sostanze prodotte e liberate dalle cellule nervose. Sono immagazzinati in vescicole e subito dopo la segnalazione, cioè dopo l’arrivo dell’impulso nervoso, il neurotrasmettitore viene secreto nello spazio presinaptico e riconosciuto dai recettori, che si trovano su cellule bersaglio a breve distanza.

Mediatori locali

Sono rappresentati da fattori di crescita, citochine, interleuchine, eicosanoidi. Vengono secreti con meccanismo paracrino o autocrino. Il meccanismo paracrino prevede che il mediatore sia trasmesso nello spazio tra cellule vicine; mentre quello autocrino prevede che il mediatore locale venga secreto dalla stessa cellula bersaglio che lo deve utilizzare. Dall’interno infatti il mediatore locale non può essere utilizzato dalla cellula, per cui deve essere secreto e riconosciuto dal recettore presente nella stessa cellula bersaglio.

Recettori

I recettori si distinguono in recettori di membrana e recettori intracellulari, che possono essere citosolici o nucleari. I recettori di membrana si distinguono da quelli intracellulari non solo per la localizzazione, ma anche per la risposta che inducono. I recettori di membrana sono in grado di indurre una risposta citosolica, cioè un enzima che prima funzionava poi si spegne tramite fosforilazione per rispondere bene al messaggio. Questa risposta è modulata su molecole già presenti nel citosol ed è una risposta a breve termine che consiste nella fosforilazione o defosforilazione degli enzimi a seconda se devono essere attivati o disattivati per rispondere bene al messaggio.

I recettori intracellulari inducono invece una risposta a lungo termine perché a seconda del messaggio possono disattivare degli enzimi arrestando la loro sintesi, oppure possono attivarli, ma prima devono essere sintetizzati.

I recettori di membrana sono dotati di un dominio extracellulare che riconosce e lega il ligando, di un dominio trans membrana e di un dominio intracellulare detto dominio effettoriale, che trasmette il segnale all’interno della cellula. Quando i segnali arrivano all’interno della cellula producono secondi messaggeri o attivano una cascata enzimatica.

Superfamiglia di recettori

I recettori possono essere raggruppati in famiglie tenendo conto della differenza per quanto riguarda la loro struttura e per l’attivazione di diversi percorsi di trasduzione del segnale. Ogni famiglia presenta recettori con caratteristiche simili. Esistono quattro famiglie di recettori:

• Recettori a serpentina a sette eliche
• Recettori enzimatici con un solo segmento trans membrana
• Recettori canale
• Recettori di morte

Recettori a sette eliche

Sono detti recettori multipasso caratterizzati dall’avere sette domini che attraversano la membrana. Ogni dominio è costituito da una struttura ad alfa elica in cui le catene laterali degli amminoacidi che ricoprono un versante dell’elica sono idrofobiche, mentre quelle del versante opposto sono idrofiliche. In questo modo le sette alfa eliche si dispongono le une accanto alle altre, con le parti idrofobiche rivolte verso il doppio strato lipidico. Gli amminoacidi idrofobici prendono contatto con il doppio strato lipidico stabilizzando il recettore. Una volta assemblata sulla membrana la proteina si trova ad avere l’estremità NH₂ sul lato extracellulare e quella COOH sul lato citoplasmatico. Le eliche sono connesse tra di loro per mezzo di anse.

Recettore β-adrenergico: un prototipo di recettore a sette eliche

Questo recettore è una proteina integrale di membrana con sette regioni idrofobiche, costituite da 20-28 residui che serpeggiano avanti e indietro per sette volte attraverso la membrana plasmatica. Il recettore è detto adrenergico perché lega l’adrenalina. Il legame dell’adrenalina a un sito posto in profondità all’interno della membrana determina una modificazione conformazionale nel dominio intracellulare del recettore che va ad alterare la sua interazione con un’altra proteina della via di trasduzione del segnale, la proteina G con subunità α stimolatrice, una proteina eterotrimerica localizzata sulla faccia citosolica della membrana e capace di legare GTP. La proteina G è costituita da tre subunità, una subunità α che può essere attivatrice o inibitrice e le subunità β e γ. Nella forma eterotrimerica la subunità α è legata al dimero βγ. In questa conformazione la proteina G è inattiva ed ha affinità per il legame con lo GDP.

Perché la proteina sia attivata è necessario che ci sia lo scambio dello GDP con il GTP, così la proteina G stacca la sua subunità α dal dimero βγ, e la subunità α è così attivata e va ad attivare l’enzima adenilato ciclasi, che si trova sulla membrana. Quando l’adenilato ciclasi deve essere inattivata, si ha l’idrolisi dello GTP in GDP così il dimero βγ si unisce alla subunità α e la proteina G diventa inattiva. Nel caso in cui invece l’adenilato ciclasi viene attivata, catalizza la formazione dell’cAMP a partire dall’ATP. L’ATP è formata da un ribosio, che lega un’adenina e tre gruppi fosfato. L’adenilato ciclasi rompe il legame a livello del primo fosfato, si libera il PPi che è un pirofosfato e in più causa il legame ciclico del gruppo fosfato in posizione 3’ e 5’ ed è per questo che si parla di cAMP. A questo punto l’cAMP detto secondo messaggero cellulare rappresenta il segnale extracellulare che è stato trasformato in segnale intracellulare. Questo segnale intracellulare si libera nel citosol e attiva una proteina chinasi cAMP-dipendente detta pKA. Allo stato inattivo la pKA si trova nella forma di tetramero, costituito da due subunità catalitiche legate a due subunità regolatrici. Ogni subunità regolatrice ha due siti di legame per l’cAMP, ma se l’cAMP si lega ad essi, si ha una modifica conformazionale che porta al distacco delle due subunità regolatrici da quelle catalitiche. Nelle subunità catalitiche così viene mostrato il sito attivo che prima era nascosto.

La subunità catalitica della pKA fosforila varie proteine a livello di residui di serina, tirosina e treonina che sono gli unici amminoacidi con gruppo OH che possono essere fosforilati. Un esempio di proteina bersaglio della pKA è la fosforilasi b chinasi proteina che ha la funzione di degradare il glicogeno a glucosio, quando la concentrazione di glucosio ematica è bassa. Un modo attraverso cui l’adenilato ciclasi può essere messo a tacere è attraverso l’idrolisi dello GTP a GDP che inattiva la proteina G che ha una subunità α che è inibitrice dell’adenilato ciclasi.