Comunicazione cellulare

Comunicazione cellula-cellula

La comunicazione tra cellule è uno dei sistemi più importanti per il mantenimento dell’omeostasi dei tessuti e degli organismi. I meccanismi di comunicazione sono molto studiati sia nella fisiologia sia nella patologia. Sono importanti sia nello sviluppo sia nell’organismo adulto così come possono causare patologie se alterati. La comunicazione può essere sia a breve distanza sia a distanza elevata in quanto è necessario mettere in comunicazione sia cellule adiacenti sia cellule distanti. Possiamo distinguere comunicazione chimica e comunicazione elettrica.

Tipi di comunicazione

La comunicazione può essere dipendente dal contatto diretto tra cellule (come avviene ad es. nella fagocitosi dei corpi apoptotici). Questa comunicazione è fondamentale in tutti i tessuti e in tutte le fasi di sviluppo. Possiamo poi avere una comunicazione attraverso molecole che vengono rilasciate. Queste molecole possono agire a breve distanza (comunicazione autocrina e paracrina), oppure a lunga distanza ossia segnalazione endocrina (segnali che sono rilasciati in circolo) oppure sinaptica (la distanza è colmata dagli assoni e non dal rilascio di molecole in circolo).

Comunicazione dipendente da contatto

Nella comunicazione dipendente da contatto, il contatto è mediato da molecole di superficie oppure si possono avere gap junction in cui ci sono delle proteine che formano canali che mettono in comunicazione due cellule adiacenti mediante il passaggio di molecole di peso inferiore a 1 kDa. Nelle cellule vegetali questa funzione è svolta dai plasmodesmi.

Comunicazione attraverso rilascio di segnali

Nella maggior parte delle forme di comunicazione si ha però una cellula che rilascia un segnale ed una che lo riceve. Si può avere anche il rilascio di vescicole o gas. Nella comunicazione autocrina la cellula secerne molecole che agiscono su recettori presenti sulla cellula stessa. Nella paracrina le molecole secrete agiscono su cellule adiacenti. Questi due sistemi possono agire in modo contemporaneo ed integrato.

Comunicazione nelle cellule nervose

Anche a livello di cellule nervose si può avere una comunicazione autocrina in quanto alcuni neuropeptidi e neurotrasmettitori possono agire sulla sinapsi a monte per regolare il rilascio stesso di neurotrasmettitore. Questi tipi di comunicazione creano il cosiddetto “effetto comunità” che fa sì che cellule che sono nello stesso microambiente siano regolate in modo comune e che si comportino nello stesso modo. Questo è importante anche nello sviluppo in quanto permette a cellule adiacenti di svilupparsi in modo sincrono e comune. Anche nei tumori questo effetto può avere dei ruoli in quanto alcuni segnali secreti dalle cellule tumorali agiscono su esse stesse stimolandone la proliferazione.

Comunicazione attraverso neurormoni

Alcuni gruppi di neuroni (neuroni neuroendocrini) rilasciano neurormoni che possono entrare in circolo ed avere effetti su altre cellule anche distanti. Questo tipo di meccanismo di azione è comune a quello degli ormoni. Tali molecole devono viaggiare nel circolo sanguigno e ciò presenta dei problemi per le molecole lipidiche (che possono circolare nel sangue solo se complessate a proteine che le rendano maggiormente solubili). Un altro problema è la diluizione delle molecole in quanto essendo in circolo si ha un effetto di diluizione molto grande. Quindi è necessaria anche la presenza di recettori molto sensibili. Devono anche esserci grande specificità e grande sensibilità.

Risposte cellulari ai segnali

Questi segnali possono determinare tipi diversi di risposte e lo stesso segnale può determinare risposte diverse in base al tipo di recettore che “incontra” sulla cellula ricevente. Il segnale può ad esempio indurre la cellula a dividersi, può determinarne la sopravvivenza, indurne il differenziamento, indurne la morte ecc. Ad esempio, le neurotrofine possono indurre risposte diverse nei neuroni in situazioni e condizioni differenti (cellule target diverse o anche forme diverse della molecola segnale). Un esempio classico è l’acetilcolina che è in grado di ridurre la contrazione delle cellule muscolari cardiache ma di aumentare quella delle cellule muscolari scheletriche o anche di indurre la salivazione agendo sulle ghiandole salivari.

Concentrazione e durata dei segnali

Un altro punto molto importante è che la risposta dipende molto dalla concentrazione della molecola 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 esempio i neurotrasmettitori e la loro durata d’azione viene quindi regolata in vari modi (oltre a degradazione enzimatica anche ricaptazione nella cellula presinaptica).

Meccanismi di segnalazione

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.

Recettori ormonali

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.

Altri segnali cellulari

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 FT, 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.

Cascate di segnale

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 sistema molto rapido e flessibile all’interno della cellula. Sono meccanismi che determinano un dispendio energetico nella cellula.

Integrazione e feedback

L’integrazione tra più segnali può ad esempio 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'ampiezza del segnale.