Biologia cellulare

COMUNICAZIONE INTERCELLULARE

La comunicazione tra cellule è fondamentale poiché permette sia la coordinazione dei vari processi cellulari

che vanno a garantire la corretta funzionalità di un organo/tessuto/organismo, sia perché la cellula stessa

necessita di informazioni esterne che le diano l'input per differenziarsi, muoversi,

​

duplicarsi ecc. La capacità delle cellule di percepire e rispondere correttamente al loro microambiente è alla

base dello sviluppo, della riparazione dei tessuti, dell'immunità e dell'omeostasi dei tessuti normali. Gli errori

nelle interazioni di segnalazione e nell'elaborazione delle informazioni cellulari sono responsabili di malattie

come il cancro, l'autoimmunità e il diabete.

Il meccanismo di comunicazione è complesso e richiedere strutture recettive, comunicative, regolative e

modulative con i relativi geni dedicati. Lo schema base di funzionamento si basa su due unità operative

principali quali:

1. cellula segnalante con il suo messaggero prodotto

2. cellula recettiva con il suo recettore capace di trasdurre il messaggio attraverso una “cascata di

1

trasduzione del segnale” che porta ad uno o più effetti biologici

La comunicazione avviene secondo quattro passaggi che permettono di avere una risposta precisa, con una

determinata cinetica di attivazione/disattivazione e un’intensità modulabile. Queste fasi sono:

1. Riconoscimento → Avviene grazie a recettori di membrana/intracitoplasmatici/nucleari

2. Trasferimento → il recettore deve trasdurre il messaggio al citosol

3. Trasmissione → le molecole di segnalazione ricevono il messaggio e sono in grado di interpretarlo e

modularne il segnale per ottenere una risposta cellulare/effetto biologico

4. Cessazione → una volta ottenuto un effetto il segnale va spento, si può avere una cessazione della

stimolazione positiva o l’attivazione di un meccanismo di spegnimento

Tipi di comunicazione intercellulare ​

● A corto raggio​ : le cellule segnalanti e recettive sono fisicamente​ vicine

○ Dipendente da contatto​ : non si ha un rilascio “esterno” del messaggero, il prodotto non

lascia la membrana della molecola segnalante perciò il recettore dev’essere necessariamente

a diretto contatto con essa. Questa segnalazione è fondamentale per l’omeostasi dei tessuti e

avviene grazie alle strutture giunzionali (es. giunzioni aderenti).

Le GAP junctions sono una sorta di meccanismo di comunicazione da contatto anche se

2

operano attraverso secondi messaggeri (es. Ca2+) tanto che tessuti uniti da questo tipo di

​

​

giunzioni possono essere definiti sincizi funzionali

.

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○ Paracrina: si ha il rilascio della molecola segnale. Questa molecola ha una emivita breve e

3

per avere un effetto dovrà essere presente in concentrazione alta poichè i suoi recettori sono

poco affini. ​

○ Autocrina: la cellula segnalante e quella recettiva coincidono. es. linfociti T che producono

autonomamente i loro fattori di proliferazione

​ ​

● A lungo raggio: le cellule segnalanti e recettive sono più o meno distanti. La concentrazione delle

molecole di segnalazione è di norma molto bassa (10​ M o inferiore) e i recettori cui si legano hanno

-8​

affinità molto alta per questi ligandi (K​ 10​ L\mol o superiore) per cui sono molto specifici.

-8​

a​

​

○ Endocrina: la cellula secerne la molecola segnale (ormoni) che entra nel sistema circolatorio

raggiungendo la cellula target. Questa comunicazione richiede molecole segnale con una

emivita lunga e recettori ad altissima affinità.

In questo tipo di segnalazione cellule differenti secernono sostanze differenti che danno

differenti risposte anche se captate dallo stesso recettore oppure possono dare uguale

risposta ma essere captate da recettori differenti specifici.

​

​

1 Trasduzione del segnale

, processo mediante il quale una cellula converte un segnale extracellulare in una

risposta specifica che comporta spesso un cambiamento nell'espressione dei suoi geni

​

​ ​

L e gap junction , dette giunzioni comunicanti​ , sono un tipo di giunzione cellulare formate da due unità

​

2

chiamate connessoni (formati a loro volta da proteine specifiche dette connessine). In queste zone lo spazio

si restringe fino ad arrivare a 2-4 nm per permettere gli scambi di metaboliti e l'accoppiamento elettrico.

Queste giunzioni possono andare incontro a regolazione a feedback da parte del calcio per prevenire

eventuali danni alle cellule adiacenti elettricamente accoppiate.

3 Emivita: indica il tempo richiesto per ridurre del 50% il valore della concentrazione iniziale 1

​

○ Sinaptica: i neuroni producono un segnale di tipo elettrico che si diffonde come variazione

locale del potenziale di membrana per poi uscire dalla cellula come messaggio chimico

mediato dai neurotrasmettitori (simili a quelli della comunicazione paracrina). Questo

messaggio ha emivita e tempo di riassorbimento brevissimi perché serve un tipo di

messaggio rapido e potenzialmente breve. Neuroni differenti rilasciano lo stesso

neurotrasmettitore ottenendo una risposta ugualmente specifica perché localizzata.

Struttura del neurone: si ha una membrana presinaptica, dove sono presenti numerosi mitocondri e molte

vescicole contenenti neurotrasmettitori in corrispondenza delle fessure sinaptiche, che si affaccia su quella

post-sinaptica (il nome dipende dalla direzione del segnale. Lo spazio tra le due membrane prende il nome di

​

intersinaptico. Il recettore è detto Ionotropo​ perché stimola un flusso ionico (sono presenti molecole di

membrana che permettono il passaggio di ioni)

All'arrivo del potenziale d'azione, la depolarizzazione della membrana del terminale sinaptico determina la

fusione delle vescicole sinaptiche con la membrana presinaptica. Il mediatore viene rilasciato nello spazio

sinaptico, interagisce con i recettori presenti sulla membrana postsinaptica del secondo neurone e determina

effetti p.es. apertura di canali ionici, risposte metaboliche, etc. Il mediatore viene rimosso dallo spazio sinaptico

e la sinapsi è pronta a un nuovo ciclo.

Il concetto di ridondanza del segnale è fondamentale per la cellula perché la presenza di differenti vie che

portano ad uno stesso effetto rende possibile un’eventuale compensazione di qualche deficit funzionale

consentendo ai sistemi biologici un alto livello di funzionalità necessaria alla sopravvivenza della specie.

RECEZIONE DEL SEGNALE

Nonostante il processo di recezione del segnale presenti un’altissima variabilità sono presenti determinate

condizioni riscontrabili a livello generale in tutte le differenti situazioni.

1. Specificità​ → per ottenere un preciso effetto da una determinata molecola segnale si attiva un

meccanismo composto da diversi passaggi che ampliano di molto lo spettro di possibili risposte

ottenute a partire dalla stessa molecola di partenza (1 ligando, 10 recettori, 100 primi effettori ecc).

Inoltre un segnale può cooperare con altri segnali in diverse combinazioni portando a differenti effetti.

es. l’acetilcolina fa contrarre i muscoli scheletrici e, allo stesso tempo, rilassare quello cardiaco

es. nelle ghiandole salivari si ha un recettore muscolare che, una volta ricevuto il segnale, non

genera contrazione ma secrezione.

​

2. Modulabilità → il pathway di trasduzione permette di amplificare il segnale migliaia di volte grazie a

meccanismi come la fosforilazione di diverse proteine segnalatrici o la produzione di numerosi

secondi messaggeri. Un’ulteriore modulabilità è data da ulteriori meccanismi che intervengono a

livello di ogni singolo step aumentando/riducendo l’effetto finale della cascata

​

3. Cinetica → la velocità e la modalità di una risposta sono spesso variabili ma tendono ad un’ideale

dinamica “o tutto o niente” che rappresenta la perfetta adattabilità istantanea alle necessità. Questo è

reso possibile da meccanismi che sfruttano l’effetto soglia dato da cooperatività & feedback positivo.

La cooperatività sfrutta la “cinetica sigmoidale delle proteine attivate dal legame cooperativo” ovvero

più legami con i ligandi ho più l’enzima/molecola segnale è efficace perché si ha una maggior

attivazione/la formazione di un polimero funzionale. Il feedback positivo invece permette o una

maggior stimolazione della stessa via o la disattivazione della via antagonista con un conseguente

aumento di efficacia.

Cinetica sigmoidale: a basse concentrazioni si ha poco substrato legato all’enzima che risulta essere in una

condizione di bassa affinità. Man mano che si lega si verifica un cambio conformazionale che porta ad un

aumento di affinità facilitando i successivi legami. A livello grafico si ha una curva sigmoidale con una rapida

ascesa dopo un lasso di tempo iniziale ​

4. Desensitizzazione, down & up regulation → adattamento dei meccanismi di recezione in maniera

più o meno sensibile ad una variazione prolungata nel tempo dell’intensità di un segnale (effetto

plastico di adattamento)

● Desensitizzazione:​ reazione a breve termine ad un’eccessiva stimolazione. La via si adatta

con una riduzione di affinità del recettore/attività di trasduzione o con la riduzione di attività

delle proteine segnalatrici successive. Può essere omologa (interessa solo la via

sovrastimolata) o eterologa (interessa più vie che condividono stimolante/recettore)

→ la via rimane responsiva ad alte concentrazioni (si alza la soglia di percezione) 2

● Down-regulation​ : si hanno meccanismi di riduzione più duraturi come il sequestro di recettori,

demolizione di recettori tramite lisozimi, riduzione di trascrizione dei geni codificanti.

→ meccanismi tipici dei recettori adrenergici che vengono coinvolti in meccanismi di

assuefazione/sviluppo di dipendenze

● Up-regulation​ : la riduzione graduale dell’intensità permette alle cellule un accrescimento della

sensibilità per esso.

es. nelle malattie neurodegenerative come il Parkinson i neuroni motori spinali rinforzano il

pathway di trasduzione incrementando il numero di recettori per la dopamina in risposta alla

ridotta produzione della stessa (i neuroni pre-sinaptici muoiono producendone di meno)

COMPONENTI DELLA VIA DI TRASDUZIONE

Trasduzione del segnale:​ il legame ligando-recettore viene trasformato in una cascata di eventi (interazioni

proteina-proteina o processi enzimatici che si susseguono) che portano ad una trasformazione biologica.

La trasmissione del segnale alla cellula si basa sulle modificazione conformazionali che il legame con il

ligando induce nel recettore

RECETTORI: sono macromolecole localizzare perlopiù sulla membrana che possono avere interazioni

specifiche per un singolo ligando o per una famiglia di ligandi. Il legame con il ligando può:

● attivare/disattivare capacità catalitiche del recettore

● attivare/disattivare siti di legame per altre proteine

La recettività e l’intensità del segnale trasdotto sono regolate da fosfo/defosforilazioni o legami con proteine

regolatrici presenti su un sito regolatore proprio del recettore.

​

Le interazioni ligando-recettore devono essere interazioni nel complesso reversibili​ per renderne possibile la

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modulazione e l’eventuale adattamento ad una variazione e singolarmente deboli​ perché, per garantire

l’elevata specificità recettore-ligando, è necessario che l’interazione sia dovuta ad una combinazione

specifica di numerose piccole interazioni.

Esistono due tipologie di recettori:

1. Recettore intracellulare​ → sono spesso in forma inattiva associati a complessi proteici che si

staccano con l’arrivo del ligando (molecola idrofobica a lunga emivita che diffonde nel sangue

associata a proteine trasportatrici. es ormoni steroidei, tiroidei, vitamine D e A)

Il recettore è spesso un fattore di trascrizione che riconosce sequenze specifiche all’interno del

​

genoma dette HRE (​ hormone responsive elements )

4

2. Recettore di membrana​ → subiscono transizioni allosteriche (parte esterna lega, parte interna

cambia conformazione) che attivano/inattivano in base al tipo di ligando.

Riconoscono molecole idrofiliche come neurotrasmettitori,citochine , fattori di crescita.

5

Sono caratterizzati da una struttura comune con:

● un dominio extracellulare di riconoscimento per il ligando

● un dominio transmembrana

● un dominio intracitoplasmatico che attua la trasduzione e la regolazione

Ci sono 4 gruppi principali di recettori di membrana stabiliti in base al primo meccanismo di risposta

dopo la loro attivazione:

1. Recettori associati a G-proteine : attivano indirettamente delle proteine con la

6

mediazione di proteine G

​

2. Recettori canale: si aprono facendo entrare ioni

​

Un HRE​ è una breve sequenza di DNA all'interno del promotore di un gene che è in grado di legare uno

​

4

specifico complesso recettore-ormone e di conseguenza regolare la trascrizione di una determinata proteina.

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Le citochine​ sono molecole proteiche prodotte da vari tipi di cellule e secrete nel mezzo circostante, di

​

5

solito in risposta a uno stimolo, e inducono nuove attività come crescita, differenziazione e morte. La loro

azione di solito è locale

​

Le GTPasi​ sono enzimi che idrolizzano GTP (Guanosintrifosfato). Questi enzimi sono considerati degli

​

6

interruttori molecolari e​ possono: agire da tramite tra recettori ed effettori enzimatici intracellulari e agire da

tramite diretto (senza secondi messaggeri) tra recettori e canali ionici 3

3. Recettori legati ad attività enzimatica:​ sono loro stessi enzimi o strettamente legati

ad enzimi che si attivano con il cambio conformazionale

​

4. Recettori legati ad azione proteolitica: o presentano una coda citoplasmatica che

viene tagliata da proteasi quando arriva il ligando oppure svolgono un’azione diretta

su un processo proteolitico

7

Fosforilazione: viene consumato un ATP. Un suo gruppo fosfato viene aggiunto con un legame

fosfodiesterico alla proteina. Questo legame induce modifiche conformazionali e dovute a interazioni

attrattive/repulsive tra le cariche della proteina e le 2 negative del fosfato. Queste repulsioni provocano

l’esposizione/schermatura dei siti di legame

​

EFFETTORI: In biochimica, sostanza, generalmente di piccolo peso molecolare, in grado di attivare o inibire

in maniera reversibile l'attività di una proteina.

Tra gli effettori sono presenti: ​

1. Proteine impalcatura → proteine massive legate al recettore che facilitano la trasmissione del

segnale legando proteine di segnalazione della cascata di trasduzione.

Sono proteine modulati e i loro domini di riconoscimento/legame​ sono amminoacidici condivisi da

molte proteine (quindi possono legare varie proteine in diverse cellule/vie)

Tra i domini più comuni ci sono SH2, SH3 (domini di omologia src2 e src3), il dominio di omologia

plekstrinico PH, il legame fosfotirosinico PTB

Anche le proteine adattatrici rientrano tra le proteine impalcatura anche se non hanno un diretto

contatto fisico col recettori ​

2. Proteine di integrazione/Biforcazione → i pathway di trasduzione spesso cooperano (es. la

trasmissione di un segnale può richiedere l’attivazione di due vie differenti).

Le proteine di integrazione (o rilevatori di coincidenze) possono essere strutture singole con 2 domini

di attivazione o 2 proteine che devono dimerizzare per essere attive​ .

Le proteine di biforcazione sono in grado di attivare due vie di trasmissione con proteine di

trasmissione differenti ​

3. Proteine di trasmissione → possono essere:

a. enzimi che sintetizzano secondi messaggeri​ : sono piccole molecole ad alta diffusibilità che

attivano proteine a valle con dinamiche sigmoidali. Possono essere di membrana (come il

diacil-glicerolo DAG) o solubili (come IP​ , cAMP o il Ca​ )

2+​

3​

b. proteine che interagiscono fisicamente attivando proteine, come le G-proteine caratterizzate

da un dominio di fosforilazione per il GTP (interruttore temporizzato)

​

c. chinasi/fosfatasi che introducono modifiche post-trascrizionali sulle proteine

(fosforilazione/defosforilazione).

→ questa modifica non è temporalizzata, la proteina rimane nella forma attiva finché non

interviene un enzima a disattivarla

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CHINASI → fosforilano solo 3 amminoacidi: serina (90-95%), treonina (5-8%) e tirosina

(1%). La maggioranza delle chinasi riconosce serina/treonina, altre solo tirosina e

pochissime hanno una doppia specificità (es. MAP-chinasi riconoscono serina/treonina

e tirosina).

Possono essere proteine di membrana o citoplasmatiche e hanno un sito per il loro

substrato (oltre a riconoscere i tre amminoacidi).

Generalmente una chinasi riconosce per una famiglia di proteine e necessitano di

essere attivate:

- le chinasi a serina/treonina sono attivate da secondi messaggeri o da

fosforilazione

- le chinasi a tirosina sono recettori di membrana e vengono attivate da un

legame esterno

- le chinasi a doppia specificità sono attivate SOLO da fosforilazione

​

La proteolisi​ è il processo di degradazione delle proteine da parte dell'organismo.Avviene tramite idrolisi,

​

7

ad opera di enzimi detti proteasi, del legame peptidico (condensazione tra due amminoacidi con perdita di

acqua tra un N-terminale e un C-terminale) 4

Presentano generalmente una struttura condivisa con:

1. dominio catalitico C che lega ATP/GTP e substrato (simile la porzione

catalitica, ipervariabile la porzione di riconoscimento del substrato)

2. una regione regolatrice R che riconosce gli attivatori allosterici/presenta i siti

fosforilabili

3. la regione A, un dominio variabile, che permette l’ancoraggio