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Esistono due meccanismi fondamentali di comunicazione

cellulare, in cui la trasmissione del segnale avviene per

interazione tra molecole e recettori.

1) Le cellule nervose comunicano tra loro e con altri tipi dicellule attraverso modificazioni elettrochimiche delle loro

membrane. Larrivo di un potenziale di azione a una sinapsi

provoca il rilascio di neurotrasmettitori che, a loro volta, si

legano arecettori sulla membrana della cellula postsinapticaalla quale trasmesso il segnale.

2) In un secondo meccanismo di comunicazione intercellulare

la trasmissione del segnale regolata damessaggeri chimici i

cui recettori si trovano sulle membrane di cellule che

possono essere anche molto distanti dalla cellula che secerne

la molecola di regolazione

In entrambi i sistemi i RECETTORI svolgono un ruolo cruciale

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Esistono diverse molecole che funzionano come

MESSAGGERI CHIMICI, trasmettendosegnali da cellula a cellula:

1) ORMONI

2) FATTORI DI CRESCITA

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La capacit delle cellule di trasformare una

interazione recettore/ligando in una

modifica funzionale o di espressione genica

detta TRASDUZIONE DEL SEGNALE

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I messaggeri sono:

Amminoacidi

Peptidi

Proteine

Acidi grassi

Lipidi

Nucleosidi o nucleotidi

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I messaggeri di natura idrofila si legano a

uno o pi recettori specifici sulla cellula

bersaglio.

I messaggeri di natura idrofobica agiscono su

recettori nucleari o citosolici la cui funzione

quella di regolare lespressione di genispecifici (Es: ormoni steroidei, retinoidi)

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La capacit del recettore di distinguere il suo ligando

specifico tra migliaia di altre molecole dipende dalla

combinazione didue caratteristiche del sito di legame:

1) La FORMA2) La POSIZIONE strategica delle catene laterali di aa al

suo interno

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AFFINITA DEL RECETTORE

La quantit di recettore occupato dal ligando

proporzionale alla concentrazione del ligandolibero in soluzione.

Il rapporto tra la concentrazione del ligando in

soluzione e il numero di molecole di recettoreoccupate costituisce una descrizione qualitativa

dellaffinit del recettore. Se a basse

concentrazioni di ligando, tutto il recettore occupato possiamo affermare che il recettore ha

unalta affinit per il ligando e viceversa.

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Kd= costante di dissociazione, la concentrazione di

ligando libera necessaria a saturare la met dei siti

di legame del recettore (104- 10 9 mM). Dunque Kdesprime la concentrazione di ligando in grado di

indurre una data risposta cellulare.

(i recettori con affinit alta per i loro ligandi Kdmolto bassa)

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Down-regolazione del recettore

Sebbene ogni recettore abbia una caratteristica affinitper il proprio ligando, i recettori rispondono non tanto a

una determinata concentrazione del ligando ma piuttosto

a variazioni della sua concentrazione.

Quando la presenza del ligando e loccupazione dei

recettori persistono per un certo periodo di tempo, la

cellula va incontro a un processo di adattamento e cio

si desensibilizza e non risponde pi al ligando. A questopunto, per ristimolare la cellula, necessario che la

concentrazione del ligando aumenti.

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La down-regolazione (desensibilizzazione) del

recettore dovuta:

1) Rimozione del recettore dalla superficie cellulare

2) Modifiche del recettore che ne riducono laffinit

per il ligando

3) Modifiche del recettore che ne abbassano la

capacit di indurre modificazioni di alcune

funzioni cellulari

La desensibilizzazione del recettore anche la base

del fenomeno dellatolleranza.

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Linterazione recettore-ligando scatena allinterno della

cellula una serie programmatadi eventi.

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I recettori possono essere classificati in

diverse categorie a seconda della loro

modalit di azione:

CANALI IONICI LIGANDO-DIPENDENTI

RECETTORI INTRACELLULARI

RECETTORI SULLA MEMBRANA

PLASMATICA

Recettori associati a Proteine G

Recettori associati a PK

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Proteine G sono paragonabili ad interruttori molecolari

: stato accesolegato a GTP

stato spento...legato a GDP

1) Proteine G grandi eterodimeriche, costituite

da 3 subunit (G, G, G)2) Proteine G piccole monomeriche, es. la

proteina RAS

Gs= stimolatori della trasduzione del segnale

Gi= inibitori della trasduzione del segnale

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Esistono diverse proteine G che consentono una

differenziazione delle risposte ai segnali

mediati da proteine G. Alcune proteine G, interagendo direttamente

con i canali ionici del K+ o Ca++, mediano

lazione dei neurotrasmettitori

Alcune proteine G attivano le chinasi

Le pi diffuse proteine G inducono il rilascioe la produzione dei II messaggeri ( cAMP-

ioni calcio)

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Il recettore per un dato ligando pu esistere in diverse

isoforme, che hanno differenti affinit per il ligandocome pure per una particolare proteina G. Diverse

isoforme di un recettore possono coesistere nella stessa

membrana o possono trovarsi sulla membrana di

diversi tipi di cellule bersaglio.

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Si conoscono:

9 isoforme del recettore adrenergico

15 isoforme del recettore per la serotonina

20 diverse subunit G, 5 subunit G, 12 subunit

Ginsieme a 9 isoforme delleffettore adenilato ciclasi.

Che una proteina G sia stimolatrice o inibitrice dipende

dalla natura della subunit .

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cAMP

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Proteine G e cAMP

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Lafosfodiesterasi assicura che la

trasduzione del segnale venga

prontamente interrotta quando si abbassa

la concentrazione extracellulare del

ligando.

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PKA, proteina

chinasi A

Catalizza la fosforilazione

di diversi substrati

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La PKAfosforila una serie di proteine cellulari,

che presentano tutte una corta sequenza

amminoacidica riconosciuta dalla chinasi come

sito di fosforilazione.

La chinasi trasferisce un gruppo fosfato da una

molecola di ATP a una serina o una treonina

presente nel sito di fosforilazione della proteina.

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Laumento dei livelli di cAMP pu avere diversi effetti:

Ad alte concentrazioni di cAMP nel muscolo scheletrico o nel

fegato viene attivato il catabolismo del glicogeno; nel muscolo

cardiaco un innalzamento dei livelli di cAMP fa aumentare le

contrazioni cardiache; nel muscolo liscio, al contrario, la

contrazione muscolare viene inibita.

Linnalzamento dei livelli di cAMP nellepiastrine ne impedisce la

mobilizzazione durante la coagulazione del sangue; nelle cellule

epiteliali dellintestino causa la secrezione di sali e acqua nel

lume intestinale.

Inibitori della fosfodiesterasi:

metilxantine

Caffeina e Teofillina

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Il malfunzionamento della trasduzione del

segnale mediata da proteine G causa gravi

patologie nelluomo.

Latossina colerica ha un dominio enzimatico in

grado di modificare chimicamente la proteina

Gs,rendendola incapace di idrolizzare il GTP inGDP. Gs non si spegne, i livelli di cAMP

rimangono alti e le cellule intestinali

continuano a secernere grosse quantit diacqua e sali.

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Molte proteine G utilizzano come

secondi messageri inositolo trifosfato

e diacilglicerolo.

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80Berridge

Proteine G e

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Proteine G e

IP3-DAG

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FUNZIONICELLULARI REGOLATE DA INOSITOLO TRIFOSFATO E

DIACILGLICEROLO

Funzione regolata Tessuto bersaglio Messaggero

Attivazione piastrinica

Contrazione muscolare

Secrezione di insulina

Secrezione di amilasi

Degradazione del glicogeno

Produzione di anticorpi

Piastrine

Muscolatura liscia

Pancreas endocrino

Pancreas esocrino

Fegato

Linfociti B

Trombina

Acetilcolina

Acetilcolina

Acetilcolina

Orm. antidiuretico

antigeni

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Dallattivazione delle proteine chinasi C (PKC)

dipendono molte diverse funzioni cellulari:

la stimolazione della crescita

la regolazione dei canali ionici

le modifiche del citoscheletro

laumento del pH cellulare

la secrezione di proteine

Come si arrivati a capire che nelle cellule avviene

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Come si arrivati a capire che nelle cellule avviene

effettivamente questa sequenza di eventi, e in particolare

che IP3 segnala il rilascio del calcio nel citosol?

Dimostrazione

sperimentale che IP3

determina rilascio di Ca++

Attivazione

IP3

FURA-2(indicatore del

calcio)

Attivazione

Cellula di surrene

non stimolataCellula di surrene

stimolata da

angiotensina

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Dimostrazione sperimentale che

laumento del calcio determina

una risposta fisiologica nellacellula bersaglio

IONOMICINA

Assenza di

Ca++

extracellulare

Ca++

Ca++

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Gli ioni calcio hanno un ruolo essenziale nella

regolazione di un gran numero di funzioni

cellulari. La regolazione basata su variazionidella concentrazione del calcio nel citosol in

risposta a segnali esterni.

Nello stato di riposo, la concentrazione citosolicadel calcio intorno a 1x10-4 mM; nei fluidi

extracellulari e nel sangue circa 1,2 mM.

DIVERSI MECCANISMI DI REGOLAZIONE DEL Ca++

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DIVERSI MECCANISMI DI REGOLAZIONE DEL Ca++

m.cardiaco,m.scheletrico,

neuroni.

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(2)

(3)

(4)

(5)

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In alcuni casi il calcio modifica lattivit delle

proteine legandosi direttamente ad alcune diqueste; pi frequentemente, per, svolge la sua

funzione attraverso la calmodulina.

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Quando un determinato stimolo fa aumentare la

concentrazione citosolica del calcio (da 10-4 a 10-3mM),

questo si lega alla calmodulina.

La maggior parte delle proteine che legano la

calmodulina sono enzimi della classe delle proteinechinasi e proteine fosfatasi. Larisposta indotta in una

cellula bersaglio da un aumento della concentrazione

di calcio dipende dalle proteine in grado di legare la

calmodulina presenti in quella cellula.

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La fecondazione delle cellule uovo animali

costituisce un esempio dellimportanza deimeccanismi di trasduzione del segnale mediata dal

calcio a seguito di un interazione recettore/ligando.

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Rilascio ioni Ca++ (tra 30 secondi alcuniminuti dopo la fecondazione)

Blocco della

polispermia

Attivazione delluovo

(Effetti mimati da uno ionoforo

del calcio)

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Lossido nitrico (NO) una importante molecola

segnale del sistema cardiovascolare.

LNO accoppia la stimolazione di recettori

associati a proteine G sulle cellule endoteliali al

rilassamento della muscolatura liscia dei vasi

sanguigni.

Lossido nitrico una molecola di gas tossica

con emivita breve, prodotta dalla conversionedellaa arginina a NO e citrullina ad opera

dellenzimaNO sintetasi.

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Furchgott,

Ignarro, Murad

Nobel 1998

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Il meccanismo per cui la stimolazione delle

cellule endoteliali da parte dellacetilcolina

induce il rilassamento della muscolatura lisciaspiega anche il meccanismo di azione di una

sostanza chimica, la nitroglicerina. Questa

sostanza viene somministrata a pazienti conangina allo scopo di ridurre la costrizione delle

arterie coronarie.