Comunicazione cellulare

Il ruolo della concentrazione e del tempo di azione delle molecole segnale

Un altro punto molto importante è che la risposta dipende molto dalla concentrazione dell'amolecola e il tempo di azione della molecola dipende anche dall'equilibrio della sua sintesi e degradazione. Sono fondamentali i sistemi di degradazione per regolare l'emivita e quindi l'attività di queste molecole segnale. Molte molecole non sono proteiche come ad es. i neurotrasmettitori e la loro durata d'azione viene quindi regolata in vari modi (oltre a degradazione enzimatica anche ricaptazione nella cellula presinaptica). I sistemi di segnalazione possono agire sostanzialmente in due modi distinti. Alcuni vanno a modificare dei pathway intracellulari in modo rapido, senza necessità di neosintesi di proteine. Ci sono poi altre situazioni in cui la risposta è più lenta e si ha una modificazione dell'espressione genica e quindi della sintesi proteica. Questo dualismo di meccanismi d'azione è molto evidente per i.neurotrasmettitori che possono agire su recettori distinti (ionotropici e metabotropici). Ciò è valido anche per molti ormoni che hanno recettori differenti. Per quanto riguarda gli ormoni, di solito quelli peptidici agiscono su recettori di superficie ed agiscono modificando alcune vie di trasduzione. Gli ormoni lipidici invece agiscono su recettori intracellulari causando di solito modificazioni dell'espressione genica. La natura chimica del ligando determina quella del suo recettore, così come la sua localizzazione e la sua azione. I recettori degli ormoni lipidici sono sostanzialmente dei fattori di trascrizione che, quando attivati, vanno a regolare l'espressione di geni target. Altre molecole che sono in grado di entrare nella cellula sono gas, ad esempio il NO che può attraversare la membrana plasmatica ed agire su recettori intracellulari. Mentre i recettori degli ormoni lipidici sono fattori di trascrizione, i recettori del NO sono sostanzialmente chinasi ed attivano quindi.cascate simili a quelle attivate dai recettori di membrana (si è in realtà visto che il NO può anche regolare l'espressione genica). La maggior parte delle molecole di segnalazione è però di natura peptidica o proteica e può legarsi solo a recettori di membrana. Di solito dopo il legame ad un recettore di membrana si ha l'attivazione di una cascata di trasduzione del segnale intracellulare che può poi determinare diversi effetti a valle. Poiché questo tipo di messaggeri attiva cascate di segnalazione intracellulari può portare all'integrazione tra segnali che derivano da recettori differenti. Inoltre ci sono molti step ed ognuno di questi può essere regolato, molto importante per la fisiologia della cellula. Anche i messaggeri proteici possono in alcuni casi andare a regolare l'espressione genica, ma non sempre. La maggior parte di queste cascate di segnale sono cascate di fosforilazione. È un molto rapido e flessibile all'interno della cellula. Sono meccanismi che determinano un dispendio energetico nella cellula. L'integrazione tra più segnali può ad es. avvenire perché due recettori attivano cascate di fosforilazione che agiscono sullo stesso target che può subire più fosforilazioni e ciò determina un effetto differente. Ci possono anche essere altre situazioni, ad esempio alcuni recettori che si attivano per legame in scaffold che devono a loro volta essere attivati. Può anche esserci una convergenza a livello di secondi messaggeri che vengono prodotti nella cellula. Un altro aspetto è quello dei feedback. Questo tipo di regolazione è evidente a lungo raggio nella regolazione ormonale. In realtà, però, questi meccanismi intervengono sostanzialmente in tutti i tipi di comunicazione tra cellule. Di solito si hanno feedback negativi per limitare l'attivazione della cascata e quindi.

Regolare la segnalazione in modo adeguato. In alcuni casi si possono avere anche dei feedback positivi che aumentano la risposta. Queste regolazioni possono avvenire sulla stessa cellula target o anche sulle cellule che producono il segnale, regolando la produzione dello stesso. Nel momento in cui viene attivata la cascata di trasduzione essa può agire su target di natura diversa. Si può ad esempio avere un'azione su proteine metaboliche, su proteine citoscheletriche o anche su proteine che regolano l'espressione genica. Questi meccanismi sono presenti nelle singole cellule, ma nei tessuti si può avere una regolazione comune che ha poi un effetto sull'organismo. Il primo step è sempre il legame del ligando ad un recettore. Ciò prevede sempre un cambiamento di conformazione del recettore (comune a qualsiasi tipo di segnale). Il cambio di conformazione può cambiare attività enzimatica, permettere il legame con un'altra proteina.

oppure può smascherare siti di legame al DNA del recettore. L'effetto sulla proteina recettoriale è quindi molto simile nei vari casi ma l'effetto a livello cellulare può variare molto in base allo specifico recettore. I tipi di recettori possono integrare più funzionalità diverse, ad esempio canali ionici che però possono far entrare il Ca++, che è un secondo messaggero, e può a sua volta attivare alcune chinasi o regolare altri canali di membrana ecc. avendo quindi effetti simili a quelli determinati da altri tipi di recettori. Ci sono vari tipi di recettore (canali, recettori associati a proteine G, recettori legati ad enzimi). Recettori a 7 eliche TM Sono molto studiati in quanto sono legati da molte molecole ad azione modulatoria (regolazione da parte di farmaci). Questi recettori legano proteine G eterotrimeriche che legano il GDP. Dopo il legame del ligando viene legato il GTP attivando la proteina G. Essa attiverà

Poi a sua volta un enzima effettore. L'attivazione del recettore può avere un effetto abbastanza diffuso nella cellula. Si può avere una diffusione del segnale nella cellula in maniera dipendente dall'intensità del segnale iniziale. Vengono prodotti secondi messaggeri molto diffusibili, di solito. Essi partecipano poi all'attivazione di determinati pathway cellulari. Uno molto comune è il cAMP. Esso agisce soprattutto mediante la PKA che ha due subunità regolatorie che dopo il legame del cAMP si staccano dalle subunità catalitiche che sono così attivate. Può agire anche a livello nucleare regolando l'attivazione di specifici FT come CREB. La risposta al cAMP può essere indotta da molti ormoni come il glucagone o l'adrenalina. Un altro pathway attivato dalle proteine G è quello dell'IP3 indotto dalla fosfolipasi b. Viene indotto il rilascio di calcio e l'attivazione della PKC. Diverse molecole

possono indurre questo pathway come l'acetilcolina o la vasopressina. Questo pathway si interseca dunque con quello del Ca che proviene dagli storage intracellulari. Il calcio attiva numerose proteine che determinano risposte cellulari varie. Quello che determina la differenziazione tra i pathway attivati dai recettori a 7 eliche TM è la specifica proteina G associata al recettore. Ad esempio la Gs attiva l'adenilato ciclasi. Alcuni pathway possono regolare l'espressione genica. Se più recettori attivati convergono sullo stesso pathway sarà più probabile che si arrivi ad un livello di attivazione che porterà alla regolazione dell'espressione genica. L'effetto finale dipende sempre dalla sommatoria dei vari segnali e recettori attivati in ogni momento nella cellula. Un altro fenomeno che può verificarsi è la desensitizzazione dei recettori legati a proteine G. È necessario che il recettore sia attivabile in

quindi il pathway di trasduzione del segnale. Queste proteine di segnalazione possono essereenzimi, proteine adattatrici o proteine regolatrici che amplificano o modulano il segnale trasmesso.Il recettore legato all'enzima può essere un recettore tirosin-chinasico o un recettore serina/treonina-chinasico. Nel primo caso, il recettore attiva direttamente l'enzima attraverso la fosforilazione di residuiti di tirosina. Nel secondo caso, il recettore attiva un'altra proteina che a sua volta fosforila l'enzima. Questi recettori possono essere presenti sulla membrana come monomeri o come complessi multipli. Il legame del ligando induce la formazione di un complesso attivo che attiva l'enzima e innesca la cascata di fosforilazioni intracellulari.

Poi il pathway. Ad esempio le proteine SH2 o SH3 possono legarsi ed indurre l'attivazione di diversi pathway. Tra le proteine attivate con questa modalità ci sono alcune GTPasi monomeriche come quelle della famiglia Ras. Le cascate attivate possono cambiare l'attività di alcune proteine o modificare l'espressione genica. Anche la regolazione del pathway della PI3K può avvenire con l'attivazione di questi recettori. Questo è stato studiato a livello di autofagia o anche per quanto riguarda pathway di sopravvivenza cellulare mediante l'attivazione della chinasi Akt, che è in grado di mantenere inattiva Bad e quindi inibire l'apoptosi. Vi sono vari livelli di interazioni possibili tra i diversi pathway anche attivati da classi di recettori differenti. Ciò può avvenire a livello di alcuni enzimi come la fosfolipasi C oppure a valle in quanto ad es. l'attivazione della PKA può interagire con altre vie di

segnalazione differenti. →siLe differenti vie possono anche avere effetti opposti e quindi si ha una via che blocca un’altraha una sommazione dei differenti effetti in maniera simile a quanto avviene per i potenziali neineuroni.

Un esempio di pathway è quello Jak/STAT coinvolto in vari processi come attivazione di macrofagi.L’attivazione del recettore delle citochine porta all’attivazione delle chinasi Jak che fosforilanoSTAT attivandole ed esse vanno a regolare l’espressione genica.

Dato il meccanismo di azione delle citochine si tende ad assimilarle sempre di più agli ormoni cometipo di azione (sono in circolo e possono agire a lunga distanza anche controllando l’espressionegenica).

Un’altra famiglia di recettori è quella dei TGF-β. Sono recettori serina/treonina-chinasici.Anch’essi dimerizzano e attivano una cross-fosforilazione che porta all’attivazione delle proteineSMAD che possono poi agire

Sull'espressione genica. In alcuni casi la cascata intracellulare avviene non mediante fofo