Gli organismi multicellulari hanno GROSSI problemi di comunicazione

Presentazione sul tema: "Gli organismi multicellulari hanno GROSSI problemi di comunicazione"— Transcript della presentazione:

1 RISPOSTA CELLULARE ALL’AMBIENTE Molecole segnale Recettori Trasduzione del segnale

2 Gli organismi multicellulari hanno GROSSI problemi di comunicazione
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3 I Problemi del Signalling
Le cellule sono esposte a una moltitudine di segnali inclusi quelli provenienti da altre cellule (es. segnali derivati da lipidi, piccole molecole organiche o peptidi) così come stimoli ambientali (es. luce, calore o variazioni dell’osmolarità) Selezionare i segnali rilevanti da quelli irrilevanti Captare segnali a basse concentrazioni Tradurre segnali diversi in un comune “linguaggio” intracellulare

4 Recettori ad alta affinità accoppiati ad un sistema di amplificazione
Le soluzioni Selezionare i segnali rilevanti da quelli irrilevanti Recettori con un alto grado di specificità Captare segnali a basse concentrazioni Recettori ad alta affinità accoppiati ad un sistema di amplificazione Tradurre segnali diversi in un comune “linguaggio” intracellulare Attivazione di vie di signalling disegnate attorno a un limitato numero di processi comuni

5 Come rispondono le cellule ai segnali ?
Alterazione del metabolismo: alterazione del metabolismo del glicogeno in risposta all’insulina Eccitamento: propagazione dell’impulso nervoso in risposta a neurotrasmettitori Crescita e Divisione (mitosi) in risposta a fattori di crescita Morte cellulare programmata causata da specifici fattori di “morte” o dalla rimozione di alcuni fattori essenziali Espressione genica alterata: sintesi di Ig in risposta a citochine

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7 Una risposta cellulare specifica può essere determinata:
dalla presenza di mediatori chimici (ormoni o altre molecole); dall’interazione con altre cellule (contatto cellula-cellula) o con strutture extracellulari (lamina basale o matrice extracellulare)

8 Per capire come un segnale cellulare possa essere trasmesso attraverso l’interazione cellula-cellula o cellula-matrice extracellulare, basta ricordare che tali rapporti richiedono sempre la partecipazione di specifiche proteine di membrana, in grado di sostenere l’organizzazione della connessione tra cellule o della matrice extracellulare.

9 La proteina integrina, è in grado di modificare la propria struttura tridimensionale nei punti in cui la matrice extracellulare o le connessioni tra cellule subiscono alterazione, attivando un segnale intracellulare che porta, ad esempio, alla proliferazione cellulare

10 Il controllo attraverso contatto è dovuto alla presenza di proteine sulla membrana plasmatica o nelle strutture extracellulari. Il controllo dell’attività cellulare tramite mediatori chimici può avvenire con meccanismo endocrino, paracrino o sinaptico. Il signaling endocrino è più lento e richiede recettori ad alta affinità (il segnale ha concentrazioni più basse nel sangue)

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16 Se esiste un segnale permeabile attraverso la membrana plasmatica e che è prodotto in (relativa) abbondanza, allora il signalling è particolarmente semplice… Gli ormoni steroidei e i mediatori chimici liposolubili attraversano la membrana plasmatica e si legano a recettori citoplasmatici

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19 Dominio di legame extracellulare
Dominio intracellulare – si accoppia allo step successivo (può avere attività enzimatica) Dominio transmembrana Membrana plasmatica esterno interno Molti segnali non possono attraversare la membrana plasmatica. Le cellule risolvono questo problema utilizzando recettori transmembrana. Questi sono proteine posizionate in membrana con il sito attivo per il ligando sul lato extracellulare e un dominio intracellulare che si accoppia allo step successivo nella catena di trasduzione del segnale.

20 RECETTORI TIROSIN-CHINASICI (RTK)

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22 I recettori tirosin chinasici (RTK) sono presenti sulla membrana nella forma monomerica inattiva. Il legame del recettore con almeno due ligandi permette la formazione del dimero attivo, in grado di aggiungere gruppi fosfato ai residui di Tyr presenti nel segmento citoplasmatico dei RTK (autofosforilazione). Le Tyr fosforilate vengono riconosciute da molecole citoplasmatiche specifiche, che vengono a loro volta attivate.

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24 MOLTI RECETTORI PER FATTORI DI CRESCITA SONO RTK
In questo caso, la fosforilazione dei residui Tyr determina l’attivazione della proteina RAS, proteina estremamente importante nel controllo della proliferazione cellulare.

25 MAP: protein chinasi attivate da mitogeni

26 Ad ogni passaggio l’azione enzimatica della chinasi su substrati multipli causa l’amplificazione del segnale I RTK sono inattivati tramite defosforilazione (fosfatasi) o mediante endocitosi (vescicole).

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28 Trasduzione del segnale: trasferimento dell’informazione attraverso la membrana plasmatica
Lo stesso segnale su cellule diverse induce effetti diversi  diversi recettori Se il recettore è uguale  differenze sul macchinario ad esso accoppiato

29 Molti segnali interagiscono con recettori posti sulla membrana cellulare e innescano una serie di reazioni chimiche (trasduzione del segnale) che portano alla formazione di un mediatore citoplasmatico (secondo messaggero) in grado di attivare la risposta cellulare specifica.

30 Alcuni recettori di membrana non attivano direttamente la risposta cellulare, ma un’altra proteina di membrana, denominata proteina G (proteina che lega il GTP), la quale attiva un effettore, direttamente legato alla formazione del secondo messaggero (es. adenilato ciclasi)

31 Recettori accoppiati alla proteina G (7TM)
7 tratti transmembrana > recettori Presenti in tutti gli eucarioti Funzioni biologiche diverse Molecole segnale: proteine, peptidi, lipidi e altre piccole molecole Struttura simile

32 Crescita e sviluppo anomali Ritardi mentali Anomalie metaboliche
La maggior parte dei segnali è transitoria e pure la risposta dovrebbe essere transitoria. Se si accende un segnale, c’è anche bisogno di una via per spegnerlo. In molti sistemi di signalling, accensione e spegnimento sono operati da G proteine e/o da proteine di fosforilazione. Se c’è un deficit nella proteina G, si hanno risposte attenuate agli ormoni: Crescita e sviluppo anomali Ritardi mentali Anomalie metaboliche

33 Interruttori On-Off – G Proteine
Le proteine G sono piccole proteine eterotrimeriche che legano il GTP.

34    INATTIVA  ATTIVA  Scambio del GDP legato col GTP GTP GDP GDP
La subunità  si dissocia da   GTP ATTIVA Pi Attività GTPasica della subunità  GTP  GDP+Pi La subunità  attiva può interagire con lo step successivo della catena di signalling e attivarlo  GDP La subunità  si riassocia a 

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38 I bersagli dei componenti dissociati delle proteina G sono enzimi o canali ionici che trasmettono in avanti il segnale

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43 a b Adenilato Ciclasi Reazione enzimatica Gs Ligando
AMPc ATP Proteine Fosforilate Cambio di attività di : Enzimi, canali, Fattori di trascrizione Gs a g b Interazione Ligando-Proteina Reazione enzimatica Protein Kinasi A ADP Proteina P Interazione Proteina-Proteina

44 La formazione di cAMP a partire da ATP è catalizzata dall’ adenilato ciclasi, presente nella membrana plasmatica. Questo enzima viene attivato solo dopo il legame del recettore con un mediatore chimico specifico. La demolizione di cAMP (altrettanto rapida quanto la sintesi) avviene ad opera di cAMP fosfodiesterasi (inibita da caffeina, teofillina).

45 La tossina del colera modifica la subunità  della G protein, bloccandone l’attività GTPasica:
Continua produzione di cAMP Efflusso di Cl- e acqua nel lume intestinale Diarrea e disidratazione

46 Il cAMP, formato a partire dall’ATP, è un esempio di secondo messaggero molto utilizzato nelle cellule. Il cAMP attiva diverse chinasi in grado di iniziare processi cellulari differenti

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48    Nucleo Il binding adrenalina-recettore attiva una G proteina
La subunità  della G proteina media l’attivazione dell’ adenilato ciclasi che porta alla produzione di cAMP La subunità catalitica della PKA fosforila fattore di trascrizione attivandolo    ATP GTP 2Pi PKA inattiva La subunità libera della PKA migra nel nucleo Nucleo ATP ADP P P La subunità regolatrice della PKA lega cAMP… …e si dissocia dalla subunità catalitica

49 Alberts et al., L’ESSENZIALE DI BIOLOGIA MOLECOLARE DELLA CELLULA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2005

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51 Ca2+ e DAG attivano PKC (che fosforila su Ser e Thr); sostanze con struttura simile a DAG sono noti promotori tumorali

52 Calcio – il messaggero universale
Il Ca2+ è mantenuto ad una concentrazione estremamente bassa nel citosol (a causa della sua tossicità), tuttavia la concentrazione del Ca2+ è alta fuori dalla cellula e all’interno di alcuni organelli (“compartimento che sequestra il calcio”) L’apertura rapida e transitoria di canali permette al Ca2+ di fluire nel citosol seguendo il suo gradiente di concentrazione e costituisce la base di un sistema di signalling ubiquitario

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54 Risposte cellulari mediate dalla PKC
Tessuto Risposta Piastrine del sangue Rilascio di serotonina Mastociti Rilascio di istamina Midollare del surrene Secrezione di adrenalina Pancreas Secrezione di insulina Cellule dell’ipofisi Secrezione di GH ed LH Tiroide Secrezione di calcitonina Neuroni Rilascio di dopamina Cellule muscolari lisce Aumento della contrattilità Fegato Idrolisi del glicogeno Tessuto adiposo Sintesi del grasso

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57 Calmodulina: recettore intracellulare di Ca2+ ad elevata selettività per questo catione (bassa concentrazione rispetto ad es. a Mg2+) DAG PLC La Calmodulina può attivare pompe del Ca2+ sulla membrana plasmatica abbassando la [Ca2+] citosolico L’IP3 si lega al recettore per l’IP3 sul reticolo endoplasmatico e apre un canale del Ca2+ (che fa parte del recettore) Il Ca2+ rilasciato dal RE si lega alle Calmodulina permettendole di interagire con altre proteine e attivarle kinasi La Calmodulina può attivare pompe del Ca2+ del reticolo endoplasmatico abbassando la [Ca2+] citosolico La Calmodulina attiva una vasta gamma di proteine (chinasi calmodulina-dipendenti)

58 Secondi Messaggeri Tipicamente composti a basso peso molecolare prodotti all’interno della cellula da un enzima stimolato dal legame di un ligando a un recettore Adenilato Ciclasi Fosfolipasi C In entrambi questi sistemi il legame di un singolo ligando a un recettore produrrà un gran numero di molecole di secondo messaggero: AMPLIFICAZIONE Membrana plasmatica PIP2 DAG  GTP Attiva la PKC Attivata dalla subunità  dalla G proteina Attivata da una G protein Induce un aumento del Ca2+ citosolico IP3 ATP AMP ciclico 2Pi PIP2 – fosfatidilinositolo difosfato IP3 – inositolo trifosfato DAG - diacilglicerolo Attiva la PKA

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60 Amplificazione e diversi step di regolazione

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62 Un solo tipo di segnale extracellulare può attivare vie multiple di segnalazione a seconda di: 1) tipo di recettore 2) tipo di proteine G (Gs o Gi) a cui è accoppiato il recettore 3) bersagli enzimatici attivati nella cellula cuore ADRENALINA intestino Attivazione proteina G Attivazione proteina G  Adenilato ciclasi  Adenilato ciclasi  cAMP  cAMP Aumento frequenza e contrazione cardiaca Rilassamento

63 Il segnale A attiva una chinasi…
Segnali multipli Immaginate che una cellula riceva due segnali. Il segnale A inibisce la proliferazione, mentre il segnale B stimola la proliferazione… A B …che fosforila e inattiva il recettore per il segnale B - risultato: nessuna proliferazione chinasi Il segnale A attiva una chinasi… Se il “crosstalk” lavora solo in una direzione (da A a B) allora il segnale A sarà dominante; se lavora in entrambe le direzioni, ciò che accade dipende da diversi fattori quali: Durata della percezione del segnale Densità relativa dei recettori Ampiezza relativa del segnale

64 Reti di signaling e comunicazione incrociata (cross-talk)
molecole della matrice fattori di crescita kinasi 1 kinasi 2 kinasi 3 Ipotetica rete di signalling: sei recettori e tre chinasi citosoliche. Ciascun recettore attiva (frecce verdi) o inibisce (linea nera) la kinasi 1, la 2 o entrambe con un meccanismo non specificato. Poichè i segnali convergono sulla kinasi 3 (la kinasi di output), questa rete si attiverà solo quando saranno presenti combinazioni specifiche di stimoli extracellulari.

65 La risposta cellulare ai cambiamenti dell’ambiente esterno richiedono spesso l’attivazione coordinata di processi cellulari multipli. In questo caso, l’epinefrina e l’EGF attivano processi intracellulari diversi ma coordinati, aventi come risposta finale l’attivazione metabolica e la proliferazione cellulare.

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