Meccanismi di Comunicazione Cellulare

Trasduzione del segnale e modificazioni cellulari

Si scatenano così eventi biochimici che modificano varie funzioni cellulari (espressione genica, attività metabolica, proliferazione, ecc).

Ligando-recettore

Trasduzione del segnale (modificazione di enzimi e proteine, variazione di concentrazione di ioni)

Risposta cellulare

Fasi del passaggio dell'informazione durante la trasduzione del segnale

I meccanismi di trasduzione si basano su modificazioni dell'attività di alcuni enzimi/proteine

L'attività enzimatica può essere modulata mediante modifica chimica dell'enzima, cambi conformazionali (es. fosforilazione/defosforilazione)

I meccanismi di trasduzione si basano anche su modificazioni delle concentrazioni intracellulari di specifici ioni e/o piccole molecole

Es. variazione di [Ca2+]

Il Ca2+ funziona come secondo messaggero in varie vie di trasduzione del segnale

A sua volta, il Ca2+ lega proteine calmoduline che regolano l'attività di vari enzimi/proteine bersaglio. Es: la calmodulina troponina C

modula contrattilità deifilamenti nella fibramuscolare

Il sistema di trasduzione del segnale dipende dal tipo di recettore dimembrana: 3 principali classi di recettore

1. Canale ionico
2. Associato a proteine G
3. Associato ad enzimi

Recettori associati a proteine G

Legano ligandi sul lato extracell. e interag. con proteine G trimeriche su lato interno. La subunità Ga si attiva legando GTP e a sua volta attiva altri bersagli.

Recettore ha struttura tipica con 7 a-eliche trans-membrana. La subunità a attivata (legante GTP) si dissocia dal trimero e interagisce con le proteine bersaglio. Lo stato attivato cessa con l’idrolisi del GTP, riassociazione nel trimero, spegnimento automatico e attività temporalizzata.

Molte vie di trasduzione attivano enzimi kinasi (PKA e PKC) che a loro volta, fosforilando enzimi target (su residui di Ser e Treo), modulano metabolismi vari.

Es attivazione di PKA (= proteina kinasi A). L’enzima è attivato dal legame del cAMP.

sulle subunità regolative

Il cAMP è un nucleotide ciclico prodotto dall'enzima adenilato ciclasi a partire da ATP. L'attività dell'adenilato ciclasi è stimolata dalla Gαs di via di trasduzione del segnale innescata da recettori associati a proteine G e che attiva PKA: Segnalazione da parte di glucagone su epatociti. Glucagone segnala bassa glicemia. Interazione col recettore attiva Gαs, attiva adenilato ciclasi, cAMP, attivazione di PKA che fosforila enzimi chiave del metabolismo del glucosio, modulandone attività in modo da favorire glicogenolisi e quindi rilascio di Glu nel sangue.

L'omeostasi del Glu dipende da complesse comunicazioni intercellulari. L'attivazione di cAMP e PKA produce risposte cellulari diverse a seconda del tipo di tessuto. Ad esempio, in alcune cellule PKA fosforila il fattore trascrizionale CREB innescando una risposta cellulare a livello di espressione genica. L'aumento di cAMP ha varie conseguenze a livello cellulare.

Cellule

autoinattivano (es G protein) osono abbinati a sist. di spegnimento (cAMP fosfodiesterasi, pompe Ca,… )Esistono anche strategie didesensibilizzazione ad un certostimolo- Es endocitosi del recettore-ligandoseguita da riciclo o degradazione delrecettore (a-b)- Intervento di proteina inibitrice sulrecettore o su anello + a valle della viatrasduzione (c-d)- A volte la stessa via trasduzione attivainibitore (e) NEURONIeimpulso nervosoTutti gli animali sono dotati di un sistema nervosoIl sistema nervoso ha 3 funzioni fondamentali:1) La ricezione dello stimolo dall’ambiente2) L’elaborazione/integrazione dello stimolo con altri segnali3) L’innesco/organizzazione di una risposta (contrattile, secretoria,etc) mediante coinvolgimento di organi effettori.Anche se i meccanismi morfo-funzionali coinvolti in questo processopossono essere molto complessi, il “messaggio” trasmesso è semprecodificato nella stessa lingua universale – l’impulso

nervoso (il potenziale d'azione). I neuroni sono le unità fondamentali del sistema nervoso. Cellule specializzate per trasmettere segnali elettrici. Sono cellule eccitabili: possono variare flusso di ioni e quindi il potenziale elettrico di membrana in risposta ad uno stimolo. Tale capacità è sfruttata per trasmettere rapidamente segnali: i neuroni si interconnettono come i fili di circuito elettrico.

Corpo cellulare (nucleo+organuli)+ prolungamenti o processi

Dendriti (segnale centripeto)

Assone (segn. centrifugo)

Rivestimento mielina (nodi Ranvier)

Bulbi terminali (sinapsi)

Tutte le cellule sono caratterizzate da un eccesso di cariche negative all'interno della membrana - questa distribuzione diseguale di carica genera un potenziale di membrana di riposo, di circa -15 -100mV. In genere, un neurone ha un potenziale di circa -60 mV. Un neurone può modificare il potenziale di riposo in potenziale di azione in risposta ad uno stimolo grazie alla presenza di canali ionici per Na e per K.

voltaggio-dipendenti

Gli studi per capire i meccanismi che regolano le variazioni di potenziale che accompagnano l'impulso nervoso sono state condotti sugli assoni giganti di calamaro.

Gli assoni giganti di calamaro: un sistema sperimentale molto utilizzato per studiare i potenziali d'azione delle membrane biologiche.

La cellula contiene molte macromolecole anioniche (DNA, proteine) che non possono attraversare la membrana; piccoli cationi (K+) invece si spostano all'esterno secondo gradiente elettrochimico generato dalle pompe Na-K? si genera ddp I potenziali di azione originano da rapidi cambiamenti nello stato di apertura/chiusura dei canali voltaggio-dipendenti per Na e K. Sequenza di apertura e chiusura caratteristica.

Il potenziale d'azione consiste in una Pot riposo: chiusi canali Na e rapidissima inversione K della polarità elettrica: Stimolo depolarizzante? per 1 o 2 millisecondi il apertura canali Na? Na entrante interno depolarizzazione (spike) (citoplasmatico)

dellamembrana assonica ? Chiusura canali Na erisulta + rispetto ?apertura canali K? K esceall’esterno. ripolarizzazione ediperpolarizzazione? chiusuracanali K?? pot riposo: chiusi canaliMeccanismo di gating deicanali voltaggio-dipendentiI canali a controllo da potenziale hannostruttura conservata:la/e proteina/e si ripiega a formare tubo cavotransmembrana: una porzione dirivestimento interno cambia conformazionein base a potenziale? sensibilità alpotenzialeL’elica S4 ricca di aa basici ”sente “voltaggio di membrana e regola lo statodi apertura/chiusura del canaleappena dopo picco di depolarizzazione si ha refrattarietà (incapacità di risponderea stimolo con un nuovo potenziale di azione) dovuta ad inattivazione dei canalivoltaggio dipendenti per NaL’inattivazione dipende dameccanismo di chiusura diverso dalsistema di gatingUn dominio citosolico del canale fa da“tappo” Il segnale che arriva sui dendriti sipropaga su corpo

cellulare e poi lungol'assone

NB: Il pot di azione si innesca se si supera il valore soglia di depolarizzazione

Propagazione come onda di depolarizzazione?

Il pot di azione procede solo in avanti perché i canali Na del tratto precedente sono inattivati (refrattarietà assoluta della membrana)

Cellule glia (Schwann)