La comunicazione cellulare - Pearson PDF

La comunicazione cellulare Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 1 RILEVAZIONE SENSORIALE DI UN PERICOLO E INNESCO DELLA RISPOSTA DI FUGA: UN ESEMPIO DI SEGNALAZIONE CELLULARE Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 2 ...

La comunicazione cellulare Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 1 RILEVAZIONE SENSORIALE DI UN PERICOLO E INNESCO DELLA RISPOSTA DI FUGA: UN ESEMPIO DI SEGNALAZIONE CELLULARE Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 2  LA COMUNICAZIONE CELLULARE NEGLI ORGANISMI UNICELLULARI I meccanismi di comunicazione cellulare si sono evoluti negli antichi procarioti e eucarioti unicellulari. Esempi di produzione di molecole di segnalazione: ✓ nei batteri, per la percezione del quorum necessario alla formazione di biofilm che protegge le stesse cellule batteriche che lo hanno prodotto; o per l’informazione reciproca sulla disponibilità di nutrienti (se essi scarseggiano, viene promossa la formazione di spore); ✓ nel lievito Saccharomyces cerevisiae, per identificare i partner sessuali durante la riproduzione. Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 3  LA COMUNICAZIONE CELLULARE NEGLI ORGANISMI PLURICELLULARI La comunicazione cellulare negli organismi pluricellulari è particolarmente importante per coordinare e regolare le diverse attività cellulari e tissutali (funzioni tissutali specifiche, sopravvivenza, differenziazione, proliferazione, metabolismo) La comunicazione cellula-cellula può essere di contatto, attraverso proteine di membrana a distanza, attraverso molecole rilasciate dalle cellule segnalatrici e recettori espressi sulla superficie delle cellule bersaglio; le cellule possono ricevere segnali chimici di tipo diverso: ✓autocrino (la cellula segnalatrice è anche bersaglio) ✓paracrino e sinaptico (tra cellule vicine) ✓endocrino (attraverso il torrente ematico) Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 4 Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 5  LA SEGNALAZIONE CELLULARE durante una «conversazione cellulare», la cellula ricevente compie un processo suddiviso in tre fasi: 1) ricezione del segnale, 2) trasduzione del segnale, 3) risposta cellulare Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 6  I LEGAMI TRA I LIGANDI E I LORO RECETTORI SONO INTERAZIONI SPECIFICHE I recettori che rilevano un segnale chimico portato da un un messaggero (ligando) solubile sono in prevalenza recettori di membrana (porzioni extracellulare, transmembrana e citosolica); altri recettori possono essere citoplasmatici o nucleari Caratteristiche dei recettori nei confronti del proprio ligando sono: specificità sterica (complementarietà tra recettore e ligando a livello del sito di legame) affinità di legame (concentrazione di ligando necessaria per formare il complesso ligando- recettore) I legami che si formano nel sito (o tasca) di legame sono deboli, non covalenti e molteplici Agonisti: molecole che legano il recettore e lo attivano Antagonisti: inibitori del recettore, che legandosi ad esso ne impediscono l’attivazione da parte del ligando naturale 7 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  TRASDUZIONE DEL SEGNALE capacità delle cellule di trasformare l’interazione recettore/ligando in una modifica funzionale o di espressione genica Quando un messaggero (ligando) raggiunge la cellula bersaglio e si lega a recettori specifici, il recettore subisce una modificazione conformazionale che induce l’attivazione di specifiche molecole (secondi messaggeri) che a loro volta sono i diretti controllori di attività cellulari → inizio di una cascata di eventi intracellulari che culmina con l’effetto funzionale Le vie di trasduzione del segnale hanno la caratteristica comune di amplificare la risposta cellulare a uno stimolo esterno Lo spegnimento della via di trasduzione del segnale a livello recettoriale può avvenire per: 1) Desensibilizzazione recettoriale: modifiche chimiche recettore (fosforilazione) che ne riducono l’affinità per il ligando, o ne bloccano la capacità di indurre segnali all’interno della cellula 2) Down-regulation del recettore: riduzione della densità dei recettori sulla superficie cellulare per endocitosi mediata da recettore → ridotta risposta cellulare al ligando Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 8  ALCUNI TIPI BASE DI VIE DI SEGNALAZIONE esistono molti diversi tipi di vie di segnalazione, ma tutte iniziano con il legame del ligando al recettore corrispondente Recettori di membrana: ✓ recettori ionotropici ✓ recettori metabotropici Recettori intracellulari recettori recettori intracellulari ionotropici recettori metabotropici (effetto positivo o (effetto diretto (effetto indiretto sulla cellula, negativo diretto sulla sulla cellula, non mediato dal biochimismo cellulare trascrizione dei geni mediato da un che è trasduttore e effettore) bersaglio →meccanismo sistema effettore) d’azione genomico) 9 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 10  LA TRASMISSIONE SINAPTICA È LA COMUNICAZIONE CELLULARE CHE COINVOLGE CELLULE NERVOSE (NEURONI) TRASMISSIONE SINAPTICA: i neuroni comunicano tra di loro attraverso sinapsi nelle quali l’assone del neurone presinaptico è collegato con il dendrite del neurone postsinaptico; i neuroni comunicano anche con le ghiandole e con i muscoli attraverso le sinapsi sinapsi elettriche (i neuroni pre- e post-sinaptico La trasmissione sinaptica sono uniti dai connessoni) può avvenire attraverso sinapsi chimiche (i neuroni pre- e post-sinaptico sono separati dal vallo sinaptico) Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 11  TRASMISSIONE SINAPTICA: LA SINAPSI ELETTRICA presenta una giunzione comunicante costituita da una serie di canali tra neurone presinaptico e neurone postsinaptico L’impulso nervoso si propaga lungo la membrana del neurone presinaptico generando localmente potenziali d’azione che causano l’entrata di ioni Na+ (depolarizzazione) e la conseguente fuoriuscita di ioni K+ (ripolarizzazione) attraverso i rispettivi canali ionici voltaggio dipendenti (VOC, Voltage Operated Channel), che transitoriamente si aprono e poi si chiudono. Subito dopo, localmente, la pompa Na+/K+ e i canali di leakage per il Na+ e per il K+ riequilibrano la concentrazione di elettroliti ai due lati della membrana. In una sinapsi elettrica, gli ioni passano da una cellula all’altra attraverso i connessoni, la depolarizzazione di una cellula diffonde nella cellula ad essa collegata e l’impulso nervoso si propaga senza subire alcun ritardo. Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 12 ✓ Canali voltaggio dipendenti (VOC) attivati dal potenziale d’azione ✓ Pompa Na+/K+ e canali di leakage per il Na+ e per il K+ che riequilibrano la concentrazione di elettroliti ai due lati della membrana Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 13  TRASMISSIONE SINAPTICA: LA SINAPSI CHIMICA presenta un intervallo (o spazio o fessura) sinaptico 1)il segnale elettrico di depolarizzazione deve essere convertito in segnale chimico 2)secrezione del neurotrasmettitore immagazzinato nel bottone sinaptico del neurone presinaptico 3)legame con il recettore postsinaptico 4)trasformazione del segnale chimico in segnale elettrico 5)sequenza di eventi postsinaptici che stimolano o bloccano la generazione di un impulso nervoso nel neurone postsinaptico I recettori postsinaptici sono proteine transmembrana che, per mezzo di un apposito sito di legame, riconoscono e legano il neurotrasmettitore (ligando); in questo modo i recettori rilevano il segnale chimico portato dal messaggero solubile Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 14  TRASMISSIONE DEL SEGNALE ATTRAVERSO UNA SINAPSI CHIMICA elevati livelli di calcio stimolano la secrezione di neurotrasmettitori dai neuroni presinaptici l’aggancio e la fusione delle vescicole di neurotrasmettitore con la membrana presinaptica è un evento Ca2+- dipendente le vescicole di neurotrasmettitore raggiungono il bottone presinaptico per trasporto assonale lungo i MT Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 15  ALCUNI NEUROTRASMETTITORI CHE POSSONO LEGARE RECETTORI DI SINAPSI CHIMICHE Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 16  RICONOSCIMENTO DI SPECIFICI NEUROTRASMETTITORI DA PARTE DI RECETTORI IONOTROPICI COLLOCATI SUI NEURONI POSTSINAPTICI neurotrasmettitore eccitatorio (ad es., neurotrasmettitore inibitorio (ad es., acido γ- acetilcolina che lega il recettore nicotinico): ammino butirrico (GABA) che lega il recettore induce la depolarizzazione del neurone per il GABA): induce la iperpolarizzazione del postsinaptico → propagazione dell’impulso neurone postsinaptico → spegnimento nervoso dell’impulso nervoso Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 17  IL RECETTORE IONOTROPICO PER L’ACETILCOLINA NELLA SINAPSI MOTONEURONE-MUSCOLO SCHELETRICO L’acetilcolina rilasciata nello spazio sinaptico attiva i canali per il Na+ e per il Ca2+ → aumento del Ca2+ citosolico → contrazione delle miofibrille nella cellula muscolare Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 18  INTEGRAZIONE ED ELABORAZIONE DEI SEGNALI NERVOSI a livello del singolo neurone i segnali in arrivo (eccitatori o inibitori) vengono efficacemente integrati sommando potenziale postsinaptico eccitatorio e potenziale postsinaptico inibitorio How synapses work (3:20) https://www.youtube.com/watch?v=Ibzfwtdtong Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 19  I RECETTORI METABOTROPICI effetto indiretto sulla cellula, mediato da una serie di messaggeri intracellulari Il legame del ligando al recettore è seguito dalla trasmissione all’interno della cellula di un segnale che regola eventi specifici. La trasmissione del segnale richiede secondi messaggeri che permettono una grande amplificazione della risposta. Essi possono essere raggruppati sulla base del sistema di trasduzione del segnale a cui sono accoppiati: ✓ Recettori associati a proteine G (GPCR) che regolano i secondi messaggeri AMP ciclico (cAMP) / proteina chinasi A (PKA) Inositolo-1,4,5-trifosfato (IP3) / diacilglicerolo (DAG) / proteina chinasi C (PKC)/ Ca2+ recettori metabotropici (effetto indiretto sulla cellula, ✓ Recettori ad attività tirosin-chinasica (RTK) mediato dal biochimismo cellulare che è trasduttore e effettore) (fosforilazione in tirosina) Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 20  RECETTORI ASSOCIATI A PROTEINE G agiscono attraverso le proteine G (proteina che lega un nucleotide guanina) Struttura a sette -eliche transmembrana connesse da anse citosoliche ed extracellulari alternate; sono presenti domini per il sito di legame per il ligando il sito di legame per la proteina G il siti di fosforilazione per le chinasi regolatorie Regolazione dei recettori associati a proteine G (GPCR) ad opera di ✓chinasi dei recettori associati a proteine G (GRK) che ne fosforila la coda citosolica fornendo l’attacco alla –arrestina → desensibilizzazione del recettore ✓proteina chinasi A (PKA), attivata dai GPCR, che fosforila residui citosolici e induce un tipico effetto di inibizione retrograda attivato dalla segnalazione stessa 21 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  STRUTTURA, ATTIVAZIONE E INATTIVAZIONE DELLE PROTEINE G accesa: legante GTP; spenta: legante GDP Proteine G grandi eterotrimeriche molte proteine G diverse → grande differenziazione delle Tre differenti subunità: G, G e G vie di segnalazione a valle Proteine G piccole monomeriche: Monomeri tipo Ras Proteine regolatrici della segnalazione delle proteine G (RGS) sono proteine attivanti la funzione GTPasica (GAP) Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 22  Le proteine G funzionano come interruttori molecolari a tempo che si spengono automatica- mente dopo un tempo prefissato senza alcun intervento esterno 23 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  ✓ Recettori associati a proteine G (GPCR) che regolano i secondi messaggeri o AMP ciclico (cAMP) / proteina chinasi A (PKA) o Inositolo-1,4,5-trifosfato (IP3) / diacilglicerolo (DAG) / proteina chinasi C (PKC)/ Ca2+ L’AMP ciclico (cAMP) è un secondo messaggero la cui produzione è regolata da alcune proteine G. Esso viene prodotto a partire dall’ATP citosolico ad opera dell’enzima adenilato ciclasi ancorato alla membrana plasmatica Regolazione: la fosfodiesterasi degrada il cAMP → pronta interruzione della trasduzione del segnale quando si abbassa la concentrazione di ligando. Le infezioni da Vibrio cholerae (colera) e Bordetella pertussis (pertosse) provocano patologie dovute ad alterazioni del fisiologico spegnimento di proteine G eterotrimeriche. Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 24  25 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  cAMP REGOLA L’ATTIVITÀ DELLA PKA Il principale bersaglio del cAMP è la proteina chinasi A (PKA) che, attivata a seguito dell’interazione con il cAMP, fosforila varie proteine bersaglio. 26 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  AMPLIFICAZIONE DELLA RISPOSTA CELLULARE AD UN SEGNALE ESTERNO 1 molecola di ligando produce la modificazione di milioni di molecole responsabili della risposta biologica, cioè dell’esito finale della trasduzione del segnale Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 27 ✓ Recettori associati a proteine G (GPCR) che regolano i secondi messaggeri o AMP ciclico (cAMP) / proteina chinasi A (PKA) o Inositolo-1,4,5-trifosfato (IP3) / diacilglicerolo (DAG) / proteina chinasi C (PKC)/ Ca2+ L’idrolisi operata dalla fosfolipasi C libera IP3 nel citosol e lascia DAG in membrana. Molte proteine G utilizzano come secondi messaggeri IP3 e il DAG → importanza dei fosfolipidi contenenti inositolo. 28 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  29 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  LA VIA IP3 / DAG / PKC / Ca2+ IP3 scatena il rilascio del Ca2+ dal REL L’azione del Ca2+ di solito è mediata da proteine leganti Ca2+, le calmoduline il complesso Ca2+-calmodulina che si forma lega la PKC attivandola → movimento della PKC dal citosol alla membrana dove lega DAG per la propria piena attivazione → fosforilazione di enzimi bersaglio e amplificazione del segnale quando la concentrazione di Ca2+ diminuisce, lo ione Ca2+ si stacca dalla calmodulina e l’enzima si disattiva 30 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  LA CONCENTRAZIONE LOCALE DI Ca2+ REGOLA MOLTI PROCESSI CELLULARI esocitosi (anche di neurotrasmettitori) la fecondazione delle cellule uovo animali Il rilascio del Ca2+ indotto dal Ca2+ permette una rapida propagazione dei segnali, come avviene blocco lento della durante la fecondazione polispermia della cellula uovo (fig.23.15) attivazione di molte proteine effettrici (nel sistema regolatorio Ca2+/calmodulina, il Ca2+ citosolico è legato quando la sua concentrazione raggiunge 1 µM e rilasciato quando essa scende a 0,1 µM (fig.23.14) 31 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  REGOLAZIONE DELLA CONCENTRAZIONE DI Ca2+ INTRACELLULARE AUMENTO conc. Ca2+ citosolico mediato da: ABBASSAMENTO conc. Ca2+ citosolico mediato da: Canali del calcio (membrana plasmatica) Calcio-ATPasi (membrana plasmatica) Recettore-canale dell’IP3 e recettore-canale scambiatori del calcio (membrana plasmatica) sensibile alla rianodina (membrana REL) Calcio-ATPasi (membrana REL) Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 32  ✓Recettori ad attività tirosin-chinasica (RTK) (fosforilazione in tirosina) Hanno sia funzione di recettore sia attività enzimatica chinasi che fosforila residui di tirosina Mediano segnali di proliferazione cellulare (ligandi = fattori di crescita, specifici per diversi tessuti e tipi cellulari) Conseguentemente all’interazione con il ligando, e i RTK dimerizzano, le chinasi associate alla propria coda citosolica si attivano e autofosforilano i residui di tirosina 33 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  ✓Recettori ad attività tirosin-chinasica (RTK) (fosforilazione in tirosina) I RTK fosforilati innescano la trasmissione del segnale all’interno della cellula attraverso una cascata di fosforilazione in cui ogni chinasi a monte, utilizzando ATP, fosforila le chinasi a valle L’effetto finale è l’attivazione della trascrizione di geni di risposta in genere, trasducono un segnale di crescita cellulare, proliferazione o specializzazione della cellula (differenziamento) Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 34  TRASDUZIONE DEL SEGNALE ATTRAVERSO RECETTORI CON ATTIVITÀ TIROSIN-CHINASICA Diverse proteine contenenti domini SH2 (che riconoscono tirosine fosforilate) possono legarsi al RTK attivato → attivazione contemporanea di più vie di trasduzione del segnale da parte dello stesso recettore: ✓ fosfolipasi Cγ/IP3/DAG/PKC ✓ PI 3-chinasi (fosfatidil- inositolo-3-chinasi, vedi recettore dell’insulina) ✓ Ras e MAP chinasi (trasduzione del segnale con fosforilazioni a cascata) CASCATA DI FOSFORILAZIONI SOS è il GEF di Ras (GEF: Guanine-Nucleotide Exchange Factor) Ras viene inattivata da GAP (GTPase activating protein) 35 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  LE PROTEINE CREB E STAT SONO ESEMPI DI FATTORI TRASCRIZIONALI ATTIVATI DALLA FOSFORILAZIONE 36 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  LA SEGNALAZIONE ORMONALE Mentre i fattori di crescita esercitano una regolazione delle funzioni cellulari a breve raggio (paracrina), gli ormoni, regolano il funzionamento di cellule e tessuti che esprimano il recettore specifico (cellule bersaglio), anche se molto distanti dal distretto di secrezione (regolazione endocrina) Gli ormoni regolano una grande varietà di funzioni fisiologiche (il metabolismo, la regolazione dell’acqua corporea, la pressione sanguigna e il ritmo cardiaco, le capacità riproduttive e i caratteri sessuali secondari, la risposta allo stress, la regolazione di altri sistemi endocrini) 37 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia GLI ORMONI SONO MOLECOLE STRUTTURALMENTE MOLTO DIVERSE TRA LORO 38 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  L’ADRENALINA È UN ORMONE IPERGLICEMIZZANTE L’adrenalina è un ormone adrenergico che prepara organi e tessuti dell’organismo a situazioni di pericolo e di stress in cui è richiesta maggior disponibilità di glucosio per muscoli e cervello → aumento della degradazione del glucosio nelle cellule epatiche e muscolari La via di segnalazione è adrenalina/recettore -adrenergico → proteina Gs / cAMP → PKA → fosforilasi chinasi → fosforilasi a (distacco del glucosio-1P dal glicogeno) 39 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia L’INSULINA È UN ORMONE IPOGLICEMIZZANTE Insulin Signaling (4:42) https://www.youtube.com/watc h?v=FkkK5lTmBYQ 40 Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia  Gli ormoni steroidei (ormoni sessuali e corticosteroidi) Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia sono lipofili ✓ possono attraversare la membrana plasmatica ✓ legano il loro recettore intracellulare ✓ regolano positivamente o negativamente la trascrizione dei geni bersaglio (meccanismo d’azione genomico) I RECETTORI PER GLI ORMONI STEROIDEI recettori intracellulari SONO FATTORI DI (effetto positivo o TRASCRIZIONE ATTIVATI negativo diretto sulla trascrizione dei geni DIRETTAMENTE DAL bersaglio →meccanismo LIGANDO d’azione genomico) Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 41  SPECIFICITÀ DELLA RISPOSTA CELLULARE Una molecola segnale è efficace su un certo tipo cellulare solo se esso ne esprime il recettore specifico La combinazione di diverse proteine (recettoriali, di trasduzione del segnale, adattatrici, fattori di trascrizione, etc.) in una certa cellula permette che si sviluppi la risposta cellulare peculiare di quella cellula a quel dato ligando Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 42  PUNTI CHIAVE DELLA LEZIONE ❖ La comunicazione cellulare a distanza Interazione ligando/recettore Tipi base di vie di segnalazione e di recettori (ionotropici, metabotropici e nucleari) ❖ La comunicazione cellulare sinaptica (sinapsi elettrica e sinapsi chimica) Il neurotrasmettitore è liberato dalle vescicole del neurone presinaptico e, sul neurone postsinaptico, lega: ✓Recettori ionotropici (eccitatori o inibitori) ✓Recettori metabotropici o Recettori associati a proteine G (GPCR) che regolano i secondi messaggeri AMP ciclico (cAMP) / proteina chinasi A (PKA) IP3 / DAG / proteina chinasi C (PKC)/ Ca2+ o Recettori ad attività tirosina chinasi ✓ Recettori nucleari ❖ La segnalazione ormonale Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 43