Biosegnalazione - Schemi riassuntivi di Biochimica

S

forma di dimero βγ, e la G , con il GTP legato, si sposta lungo il piano della

Sα

membrana del recettore fino ad una molecola vicina di adenilil ciclasi.

L’adenilil ciclasi è una proteina integrale della membrana plasmatica. L’associazione

tra l’adenilil ciclasi e G attiva l’enzima, che sintetizza cAMP a partire dall’ATP.

Sα

La stimolazione da parte della G è limitata nel tempo, la G ha anche un’attività

Sα Sα

intrinseca GTPasica che inattiva sé stessa convertendo il GTP legato in GDP. La G Sα

ora inattiva, si dissocia dall’adenilil ciclasi, rendendo la ciclasi inattiva.

si riassocia con il dimero βγ e la G inattiva è di nuovo disponibile per

La G Sα S

interagire con un recettore legato all’ormone.

L’adrenalina esercita i suoi effetti a valle attraverso l’aumento della concentrazione

di cAMP che deriva dall’attivazione dell’adenilato ciclasi. A sua volta cAMP attiva la

proteina chinasi cAMP-dipendente, chiamata anche proteina chinasi A o PKA, che

catalizza la fosforilazione di proteine cellulari modulandone l’attività. La

degradazione di cAMP da parte di cAMP-PDE cessa l’attivazione di PKA.

Come in molte vie di segnalazione, la trasduzione del segnale da parte dell’adenilil

ciclasi è costituita da molte tappe che amplificano il segnale ormonale originario.

Inizialmente il legame di una molecola di ormone a una molecola di ricettore attiva

cataliticamente molte proteine G che, una dopo l’altra, si associano al recettore

S

attivato. Poi attraverso l’attivazione di una molecola di adenilil ciclasi, ciascuna

stimola la sintesi di molte molecole di cAMP. Il secondo messaggero, il

molecola G Sα

cAMP, ora attiva la PKA, e ogni molecola di PKA fosforila molte molecole della

proteina bersaglio. L’effetto netto della cascata consiste nell’amplificazione di

diversi ordini di grandezza del segnale ormonale e spiega perché anche una bassa

concentrazione di adrenalina (o di un altro ormone) sia sufficiente a innescare la

risposta ormonale.

Per essere utili, i sistemi di trasduzione del segnale devono spegnersi dopo che lo

stimolo è terminato. I meccanismi che spengono il segnale sono intrinseci a tutti i

sistemi di segnalazione.

Lo stesso segnale può attivare vie multiple di segnalazione a seconda di:

- Tipo di ricettore

- Tipo di proteina G a cui è accoppiato il ricettore

- Bersagli enzimatici attivati nella cellula

Esistono diversi tipi di proteine G:

- G attivano l’adenilato ciclasi, quindi la sintesi dell’AMP ciclico (cAMP)



S

- G inibiscono l’adenilato ciclasi



I

- G attivano le fosfolipasi C



q

- G attivano la GTPasi Rho



12/13

- G attiva la cGMP fosfodiesterasi



t

Alcuni batteri patogeni producono tossine che hanno come bersaglio le proteine G,

interferendo così nel processo di segnalazione della cellula ospite:

1. La proteina G stimolatoria (G ) è il bersaglio della tossina colerica, che la

S

immobilizza nello stato attivato, con aumento della quantità intracellulare di

cAMP

2. La proteina G inibitoria (G ) è il bersaglio della tossina della pertosse. La G

I I

inattivata non è in grado di inibire l’adenilato ciclasi, con conseguente

aumento della quantità intracellulare di cAMP

Una seconda classe di GPCR molto numerosa comprende recettori accoppiati

fosfolipasi C

attraverso una proteina G alla (PLC) di membrana. Quando uno degli

ormoni che agisce tramite questo meccanismo lega il suo specifico recettore sulla

membrana plasmatica, il complesso ormone-recettore catalizza lo scambio GTP-GDP

su una proteina G associata, la G , attivandola all’incirca come accade con il

q

recettore dell’adrenalina e la G . La G attivata, attiva a sua volta la PLC specifica che

S q

catalizza la produzione di due secondi messaggeri: il diacilglicerolo (DAG) e

. L’IP diffonde dalla membrana plasmatica al reticolo

l’inositolo 1,4,5-trifosfato, o IP

3 3

endoplasmatico dove si lega a specifici canali del Ca aprendoli. Quando questi

2+

canali si aprono, il Ca può riversarsi nel citosol e la sua concentrazione aumenta.

2+ è l’attivazione della

Uno degli effetti dell’aumento di concentrazione del Ca 2+

proteina chinasi C (PKC). La fosforilazione di proteine cellulari da parte della PKC

produce alcune delle risposte della cellula all’ormone.

In sintesi:

• RECETTORI CON ATTIVITÀ TIROSINA CHINASICA (TKR)

I recettori con attività tirosin chinasica (TKR) trasducono i segnali extracellulari con

un meccanismo molto diverso da quello dei GPCR. I TKR hanno un dominio sulla

faccia extracellulare della membrana plasmatica che lega il ligando, e un sito attivo

enzimatico sulla faccia citoplasmatica, i due domini sono interconnessi da un singolo

segmento transmembrana. Il dominio citoplasmatico è una proteina chinasi che

fosforila i residui di Tyr di specifiche proteine bersaglio (una tirosin chinasi).

Molti recettori per fattori di crescita sono TKR.

L’insulina non penetra nelle cellule, ma dà inizio ad un processo di trasduzione del

segnale, che va dal recettore della membrana plasmatica agli enzimi citosilici

insulino-sensibili, fino al nucleo, dove stimola l’espressione di geni specifici.

Il recettore attivo dell’insulina (INSR) è costituito da due subunità α identiche, che

protrudono dalla faccia esterna della membrana plasmatica, e da due subunità

transmembrana β con le loro estremità carbossiterminali rivolte verso il citosol.

Il segnale dell’INSR inizia quando il legame dell’insulina innesca l’attività tirosin

chinasica e ciascuna subunità β fosforila 3 residui essenziali di Tyr vicino

all’estremità carbossiterminale dell’altra subunità β. Questa autofosforilazione apre

il sito attivo e l’enzima può ora fosforilare i residui Tyr di altre proteine bersaglio.

Quando l’INSR è autofosforilato, una delle sue proteine bersaglio è il substrato-1 del

recettore dell’insulina (IRS – 1). L’IRS-1 quindi diventa il punto di nucleazione per la

formazione di un complesso proteico che porta il messaggio dal recettore

dell’insulina ai bersagli terminali nel citosol e nel nucleo, attraverso una lunga serie

di proteine intermedie (Gbr2 e Sos). Quando è legata alla Gbr2, la proteina Sos

agisce da fattore di scambio dei nucleotidi e catalizza la sostituzione di GDP col GTP

sulla proteina Ras, una proteina G.

Ras è il prototipo di una famiglia di piccole proteine G, che mediano una grande

varietà di trasduzioni del segnale. Ras può esistere nella forma legata al GTP (attiva)

o nella forma legata al GDP (inattiva).

Quando ras lega GTP, Ras attiva una proteina chinasi detta Raf-1, la prima di 3

proteine chinasi (Raf-1, MRK ed ERK) che formano una cascata in cui ogni enzima

fosforila e attiva il successivo.

ERK fa parte della famiglia delle MAPK, proteine chinasi attivate dai mitogeni.

I biochimici ora riconoscono che l via di biosegnalazione dell’insulina è solo un

esempio di uno schema più generale in cui un segnale ormonale porta alla

fosforilazione di enzimi bersaglio tramite una serie di proteine chinasi. Spesso il

bersaglio della fosforilazione è un’altra proteina chinasi, che fosforila poi un’altra

chinasi e così via. Il risultato è una cascata di reazioni, che amplificano il segnale

iniziale di diversi ordini di grandezza. La cascata della MAP chinasi media il segnale

iniziato da vari fattori di crescita, come il fattore di crescita derivato dalle piastrine e

il fattore di crescita dell’epidermide.

• RECETTORI AD ATTIVITÀ GUANILIL CICLASICA (GCR)

I recettori GCR sono implicati nella:

- Regolazione del trasporto ionico e ritenzione idrica (rene, intestino e cuore)

- Rilassamento del muscolo cardiaco

- Sviluppo del cervello

Le guanilil ciclasi sono recettori dotati di attività enzimatica e sono in grado di

convertire il GTP nel secondo messaggero GMP ciclico (cGMP), che attiva una

protein chinasi cGMP dipendente (PKG).

Il primo messaggero, in questo caso, può essere rappresentato da:

- Ormoni cardiaci peptidi natriuretici



- Ormoni intestinali guanilina o uroguanilina



- NO

La cGMP nel rene è attivata dall’ormone peptidico fattore natriuretrico atriale

(ANF), che viene rilasciato dalle cellule dell’atrio cardiaco quando il cuore si distende

per l’aumento del volume sanguigno. Raggiunto il rene, l’ANF attiva il guanilil ciclasi

nelle cellule di tubuli collettori. L’aumento della concentrazione della cGMP provoca

un incremento nell’escrezione dell’Na e di conseguenza dell’acqua. La perdita di

+

acqua riduce il volume ematico e diminuisce così lo stimolo che inizialmente aveva

condotto alla secrezione dell’ANF.

Anche il muscolo vascolare liscio possiede un recettore per l’ANF con attività guanilil

ciclasica, legandosi a questo recettore l’ANF causa il rilasciamento (vasodilatazione)

dei vasi sanguigni, che porta ad un aumento del flusso sanguigno e a una

diminuzione della pressione sanguigna.

Un recettore simile con attività guanilil ciclasica, localizzato nella membrana

plasmatica delle cellule intestinali è attivato dal peptide guanilina che regola la

secrezione del Cl nell’intestino. L’aumento della concentrazione della cGMP causata

- e come conseguenza diminuisce il

dall’endotossina determina la secrezione del Cl -

riassorbimento dell’acqua da parte dell’epitelio intestinale, determinando una

condizione di diarrea.

Un tipo completamente diverso di guanilil ciclasi è una forma citosolica contenente

un gruppo eme, un enzima attivato dall’ossido nitrico (NO). L’ossido nitrico viene

prodotto a partire dall’arginina della NO sintasi Ca - dipendente.

2+

L’NO è sufficientemente non polare da poter attraversare le membrane plasmatiche

senza l’aiuto di un trasportatore: si lega al gruppo eme della guanilil ciclasi e attiva la

produzione di GMP ciclico. Nel cuore la proteina chinasi cGMP – dipendente riduce

la forza contrattile stimolando le pompe ioniche che rimuovono Ca dal citosol.

2+

L’uomo possiede differenti forme di cGMP PDE, con differenti distribuzioni tissutali.

L’isoforma dei vasi sanguigni del pene è inibita dal farmaco sildenafil (viagra), che

quindi mantiene la concentrazione di cGMP elevata, in risposta ad uno stimolo

appropriato.

• CANALI IONICI CONTROLLATI

Negli or