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20/12/2013

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Membrana Plasmatica

Comunicazione Cellulare(Seminario)

Biotecnologie

http://www.temple.edu/stl/

COMUNICAZIONE CELLULARE (1)

Il corpo umano è composto da circa 75 trilioni di cellule.

Come fanno queste cellule a comunicare fra di loro?

Due tipi di segnali fisiologici:Elettrici = alterazioni del potenziale di membrana delle cellule

Chimici = molecole secrete nel fluido extracellulare (maggior parte dei casi)

Cellule bersaglio : le cellule che ricevono e rispondono ai segnali

COMUNICAZIONE CELLULARE (2)

Tre metodi di comunicazioni cellulari:

Trasferimento diretto di segnali elettrici o chimici dal citoplasma di una cellula a quello di un’altra attraverso giunzioni comunicanti (“gap junctions”)

Comunicazione mediante diffusione passiva di sostanze chimiche (a corto raggio)

Comunicazione a lunga distanza mediante segnali elettrici (cellule nervose) o segnali chimici (attraverso il sangue)

Giunzioni comunicanti: “gap junctions” (1)

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Giunzioni comunicanti: “gap junctions” (2)

Le giunzioni comunicanti costituiscono un passaggio aperto attraverso il quale gli ioni e le piccolemolecole possono direttamente passare da una cellula all'altra.

All’altezza di queste giunzioni le membrane plasmatiche delle due cellule adiacenti sono separate da uno spazio molto regolare di 2‐3 nm. (“gap”: indica questa separazione regolare).

Gli ioni e le piccole molecole come gli aminoacidi e ATP possono passare direttamente da una cellula all’altra.

Le molecole di dimensioni superiori sono escluse.

Le giunzioni comunicanti rappresentano l’UNICOmodo tramite il quale i segnali possono passare direttamente da una cellula all’altra.

Recettori per le molecole di segnalamento

Hanno due funzioni:

Si legano ai ligandi (molecole di segnalamento)

Trasducono il messaggio della molecola di segnalamento in un a risposta cellulare

Trasduzione di segnale

La trasduzione di un segnaleassicura che un messaggiopossa essere convertito da unalinguaggio in un linguaggiodiverso durante il suo viaggio e ciò nonostante mantenga il suocontenuto originario.

http://www.scq.ubc.ca/conversing‐at‐the‐cellular‐level‐an‐introduction‐to‐signal‐transduction/

Come comunicano le cellule?

Una cellula – la cellula segnalatrice –produce una particolare molecola chimica che viene individuata da un’altra cellula – la cellula recettrice –mediante una proteina recettrice che riconosce la molecola e risponde ad essa specificamente.La proteina che funge da recettore rappresenta il primo passo del processo mediante il quale il segnale chimico presente fuori dalla cellula verrà convertito (“trasdotto”) in diversi tipi di segnale all’interno della cellula.In seguito questi segnali indirizzeranno il comportamento della cellula.

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http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21517/figure/A5719/?report=objectonly


Kreuzer

Una proteina recettrice si legga ad un specifico segnale chimico e subisce una modificazione conformazionale. Tale cambiamento scatena ulteriori reazioni all’interno della cellula, trasmettendo il segnale dall’esterno all’interno della cellula.

COMUNICAZIONE CELLULARE (a)

Le cellule dipendono dal loro ambiente per le materie prime necessarie per il mantenimento della vita. La loro membrana plasmatica contiene una gran varietà di diversi canali e trasportatori che permettono di importare selettivamente le sostanze inorganiche ed organiche necessarie a mantenersi, svolgere il loro compiti specializzati e di rilasciare prodotti di rifiuto.

E’ anche essenziale per la loro sopravvivenza che le cellule comunichino con le cellule circostanti, controllino le condizioni del loro ambiente e rispondano in modo appropriato ad una moltitudine di stimoli che vengono a contatto con la loro superficie.

Le cellule attuano queste interazioni per mezzo di un fenomeno noto come comunicazione cellulare, nella quale l’informazione é trasferita attraverso la membrana plasmatica verso l’interno della cellula e spesso fino al nucleo.

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COMUNICAZIONE CELLULARE (b)

Nella maggior parte delle cellule la comunicazione cellulare comprende:

Il riconoscimento dello stimolo sulla superficie esterna della membrana plasmatica, per mezzo di uno specifico recettore compreso nella membrana.

Il trasferimento del segnale attraverso la membrana plasmatica verso la superficie citoplasmatica.

La trasmissione del segnale a specifiche molecole effettrici sulla superficie interna della membrana o all’interno del citoplasma che fa scattare la risposta cellulare, che può essere rappresentata da un cambiamento nell’espressione genica, un’alterazione dell’attività di enzimi metabolici, una riconfigurazione del citoscheletro, un cambiamento di permeabilità agli ioni, l’attivazione della sintesi del DNA, o perfino la morte della cellula.

La cessazione della risposta come effetto della distruzione o inattivazione della molecola segnale che si accompagna ad una diminuzione del livello dello stimolo extracellulare.

COMUNICAZIONE CELLULARE (c)

Tuttavia, NON tutta l’informazione é trasmessa dallo spazio extracellulare all’interno della cellula per mezzo di recettori cellulari sulla membrana plasmatica. Esempi:

Gli ormoni steroidei agiscono sulle cellule bersaglio diffondendo attraverso la membrana plasmatica e interagendo con una proteina recettrice interna alla cellula, trasformandola in un fattore trascrizionale attivo.

L’ossido di azoto, NO, un gas che passa attraverso la membrana plasmatica e agisce sul sito attivo di alcuni enzimi influenzandone l’attività.

Sostanze che si legano ai recettori sulla superficie cellulare scatenandola loro risposta direttamente, senza dover innescare un segnale all’interno della cellula. Il neurotrasmettitore acetilcolina agisce attraverso un simile meccanismo quando è legato al suo recettore sulla cellula muscolare scheletrica, aprendo un canale ionico situato all’interno del recettore stesso.

Secondo messaggero

Sostanza rilasciata all’interno della cellula come risposta al legame di un primo messaggero (un ormone o un altro ligando) ad un recettore posto sulla superficie esterna della cellula. Es.

AMP ciclico (cAMP)

inositolo 1,4,5‐trifosfato (IP3)

diacilglicerolo (DAG)

Ca2+

Segnali extracellulari

Piccole molecole, come aminoacidi e loro derivati:Glutamato, glicina, acetilcolina, adrenalina, dopamina e ormoni tiroidei [neurotasmettitori, ormoni]

Gas, come O2, NO, CO.Steroidi (derivati dal colesterolo).

Regolano il dimosrfismo sessuale, la gravidanza, il metabolismo dei carboidrati e la fuoriuscita degli ioni sodio e potassio.

Eicosanoidi, molecole apolari di 20 atomi di carbono, derivate dall’acido arachidonico.

Regolano dolore, infiammazione, pressione sanguigna, coagulazione.

Molti polipeptidi e proteine:Transmembrana, espresse sulla superficie cellulare che interagiscono con cellule bersaglio.Della matrice extracellulare o ad essa associateSecrete nello spazio extracellulare, regolano la divisione cellulare, il differenziamento, la risposta immunitaria, la morte o la sopravvivenza cellulare.

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Una via semplice di segnalamento intracellulare attivata da una molecola di segnalamento extracellulare.

La molecola segnale si lega ad una proteina recettore (che di solito è inserita membrana plasmatica), attivando in questo modo una via di segnalamento intracellulare che é mediata da una serie di proteine di segnalamento. Infine, una o più di queste proteine di segnalamento interagisce con una proteina bersaglio, alterandola, e perciò collabora a cambiare il comportamento della cellula.


Risposte diverse indotte dal neutrotrasmettitore acetilcolina

Tipi cellulari differenti sono specializzati per rispondere all’acetilcolina in modi diversi.(A e B) Per questi due tipi cellulari l’acetilcolina si lega a recettori simili, ma i segnaliintracellulari prodotti sono interpretati diversamente da cellule specializzate persvolgere funzioni differenti. (C) Questa cellula muscolare produce un tipo di recettorediverso per l’acetilcolina, che genera segnali intracellulari diversi da quelli generati dalrecettore illustrato in (A) e (B), e provoca un effetto differente. (D) Struttura chimicadell’acetilcolina.


Dipendenza della cellule animali da molteplici segnali extracellulari.

Ogni tipo cellulare ha adisposizione un insieme direcettori che le permettono dirispondere ad un insiemecorrispondente di molecole disegnalamento prodotte da altrecellule.

Queste molecole di segnalamentolavorano in collaborazione perregolare il comportamento dellacellula

Come qui illustrato, una singolacellula richiede diversi segtnali persopravvivere (frecce blu) e segnaliaddizionali per dividersi (frecciarossa) o differenziarsi (frecceverdi).

Se deprivata degli appositi segnalidi sopravvivenza, una cellulasubirà una forma di suicidiocellulare nota come mortecellulare programmata, oapoptosi.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26813/figure/A2755/?report=obj

ectonly

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RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G Molecole di segnalamento lipofiliche

Diffondono attraverso il doppio strato lipidico delle membrane cellulari e si legano a recettori sia nel citoplasma che nel nucleo.

Solitamente l’attivazione di un recettore accende un gene e porta il nucleo a produrre un nuovo mRNA

Il nuovo mRNA a sua volta funge da stampo per la sintesi di nuove proteine

Processi relativamente lenti (richiedono diverse ore o di più)


Struttura degli ormoni steroidei, ormone tiroideo, vitamina D 3, e acido retinoicoGli steroidi includono gli ormoni sessuali (testosterone, estrogeni, e progesterone), glucocorticoidi, e mineralocorticoidi. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9924/figure/A2204/?report

=objectonly

Azione degli ormoni steroidei

Gli ormoni steroidei diffondonoattraverso la membrane plasmatica e si legano a recettorinucleari, che stimolanodirettamente la trascrizione deigeni bersaglio. Gli ormonisteroidei si legano al DNA sotto forma di dimeri.

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Molecole di segnalamento lipofobiche

Non potendo entrare nelle cellule si legano a recettori sulla membrana cellulare delle cellule bersaglio

Il tempo di risposta è rapido (millisecondi a secondi).

Tipi di recettori

Recettori accoppiati a proteine G

Recettori ad attività tirosina chinasica

Recettori canale

Recettori per gli ormoni steroidei

Altri recettori (es. recettori delle cellule B e T)

Recettori di membrana

Canali ionici a controllo di ligando: l’arrivo del segnale apre o chiude il canale (l’aumento o diminuzione della permeabilità ad ioni quali il Na+, K+ o Cl‐ provoca una alterazione del potenziale di membrana)

Integrine legate al citoscheletro

Recettori con attività enzimatica

Recettori accoppiati a proteine‐G con sette domini che attraversano la membrana

http://www.utm.utoronto.ca/~w3bio315/lecture6.htm

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RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G TRIMERICHE


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Guanosina trifosfato (GTP)

Le proteine che legano il GTPfunzionano come degli interruttori cellulari

L’attività di una proteina che lega il GTP (detta anche GTPasi) di solito richiedela presenza di unamolecola di GTP legata strettamente (interruttore“acceso”). L’idrolisi di questa molecola di GTP produce GDP e fosfato inorganico (Pi) e induce la proteina ad assumere una conformazione differente, di solito inattiva (interrutore “spento”). Come qui illustrato, il reset dell’interruttore richiede che il GDP legato fortemente si dissoci, un passo lento che viene estremamente accelerato da segnali specifici; una volta che il GDP si dissocia, la molecola di GTP si unisce di nuovo rapidamente.

Recettori accoppiati a proteine G

Traducono il legame di una molecola segnale extracellulare nell’attivazione di proteine che legano il GTP [proteine G]

http://www.sigmaaldrich.com/life-science/cell-biology/learning-center/pathway-slides-and/diversity-of-g-protein-coupled-receptor-signal-tdp.html


Recettori accoppiati a protein G

Sono caratterizzati di sette α‐eliche transmembrana.

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Evaluation only.Created with Aspose.PowerPoint.Copyright 2004 Aspose Pty Ltd.

Module 2: Figure G protein binary switching

Cell Signalling Biology - Michael J. Berridge - www.cellsignallingbiology.org - 2012

Module 2: Figure heterotrimeric G protein signalling

Cell Signalling Biology - Michael J. Berridge - www.cellsignallingbiology.org - 2012

Proteina G trimerica (1) Proteina G trimerica (2)

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Lo spegnimento di una subunità α di unaproteina G mediante idrolisi del suo GTP legato

Dopo che la subunità α di una proteina G ha attivato la sua proteina bersaglio, essasi autospegne tramite idrolisi del suo GTP legato a GDP. Questo processo inattiva la subunità α, che si dissocia dalla proteinabersaglio e si riassocia con il complesso βγ per riformare una proteina G inattica.

Il legame con la proteina bersaglio di solitostimola l’attività GTPasica della subunità α: questa stimolazione rapidizzaenormemente il processo di inattivazione.


http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21718/figure/A5791/

L’attivazione o l’inattivazione indotta da un ormonedell’adenil ciclasi è mediate da subunità Gα attivatorie Gsα

(azure) o inibitorie Giα (marrone), respettivamente

Bersaglio: Adenilato Ciclasi2° Messaggero: cAMP

Recettori associati a proteine G

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ADENIL CICLASI


La sintesi e degradazione dell’AMP ciclico

L’AMP ciclico viene sintetizzato in una reazione catalizzata dall’enzima adenil ciclasi, mediante una reazione di ciclizzazione che rimuove due gruppi fosfato sotto forma di pirofosfato. Un altro enzima, la pirofosfatasicontrolla questa sintesi idrolizzando ulteriormente il pirofosfato rilasciato a fosfato (non illustrato). L’AMP ciclico è instabile nelle cellule, dato che viene idrolizzato da una fosfodiesterasi specifica per formare 5′‐AMP.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9866/figure/A2220/

Attivazione ormonale dell’adenil ciclasi

Il legame di un ormone promuove l’interazione del recettore con unaproteina G, La subunità α della proteina G attivata a questo punto sidissocia dal recettore e stimola l’adenil ciclasi, che catalizza la conversion di ATP in AMP ciclico.

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http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/N

BK21718/figure/A5791/

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NB

K21718/figure/A5791/

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http://www.nature.com/scitable/topicpage/cell-signaling-14047077

Un esempio di una cascata di trasduzione del segnale che coinvolge l’AMP ciclico.

Il legame dell’adrenalina (epinefrina) ad un recettore adrenergico inizia una cascata di reazioni all’interno della cellula. La cascata di trasduzione di segnale inizia quando l’adenil ciclasi, un enzima legato alla membrana, viene attivata da molecole di proteine G associate al recettore adrenergico. L’adenil ciclasi crea molteplici molecole di AMP ciclico, che si disperdono e attivano proteine chinasi (ad esempio la PKA). Le proteina chinasi possono entrare nel nucleo e influenzare la trascrizione.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21705/table/A5862/?report=objectonly

Metabolic Responses to Hormone‐Induced Rise in cAMP in Various Tissues

Bersaglio: Fosfolipasi C2° MESSAGGERI: IP3, DAG e Ca

2+

Recettori associati a proteine G

RUOLO DEI LIPIDI NEL SEGNALAMENTO

Il diacilglicerolo (DAG) rimane sulla membrana ed attiva la PKC. Viceversa, l’inositolo 1,4,5‐trisfosfato (IP3) é solubile e attiva dei recettori IP3 nell’reticolo endoplasmatico liscio, ER. Questi canali rilasciano Ca2+

verso il citoplasma. Il Ca2+ attiva oppure inibisce molte proteine.


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Classi di fosfolipasi

Le fosfolipasi A1 e A2 rompono i legami ester.

Le fosfolipasi C e D rompono i legami fosfoester.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3d/Phospholipase.jpg



Mobilizzazione del Ca2+ da parte dell’IP3

Il Ca2+ viene pompato dal citosol nellume del reticolo endoplasmicoliscio, che quindi funge da depositodi Ca2+ intracellulare. L’IP3 si lega a recettori che sono canali per Ca2+ a controllo di ligando nella membrane del reticolo endoplasmatico, cosìpermettendo l’efflusso di Ca2+ verso il citosol.

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RECETTORI AD ATTIVITÀ TIROSINA CHINASICA


Chinasi (“Kinases”) (1)

Le chinasi sono enzimi che usano l’ATP per fosforilaremolecule all’interno della cellula.

I nomi dati alle chinasi indicano il substrato che viene fosforilato dall’enzima. Ad es:

Esochinasi – un enzima che usa l’ATP per fosforilari gli esosi (zuccheri con 6 atomi di carbono, ad es. Il glucosio)

Proteina chinasi – enzimi che usano l’ATP per fosforilare proteine all’interno della cellula (N.B. La esochinasi è una proteina, ma non è una proteina chinasi)

Fosforilasi chinasi: un enzima che usa l’ATP per fosforilare la proteina fosforilasi all’interno della cellula.


http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26822/


Il legame di uno specifico ligando provoca di solito la dimerizzazione del recettore, seguita dall’attivazione del dominio protein‐chinasico associato alla regione citoplasmatica .

In seguito all’attivazione queste protein‐chinasi fosforilano specifici residui di tirosina sui loro substrati citoplasmatici modulando la loro attività, localizzazione o capacità di interazione con altre proteine della cellula.

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http://withfriendship.com/user/sathvi/receptor-tyrosine-kinase.php

Ad ogni chinasi la sua fosfatasi


Regolazione della fosforilazione di una proteina mediante la proteina chinasi A e la proteina fosfatasi 1

La fosforilazione di una proteina bersaglio svolta dalla proteinachinasi 1 viene rovesciata dall’azione della proteina fosfatasi 1.


Fosforilazione delle proteine

Migliaia di proteine della cellule eucariotiche sono modificate dall’aggiunta di gruppi fosfato.

(A) La reazione generale, qui illustrata, si basa sul trasferimento di un gruppo fosfato dall’ATP ad una catena laterale di un aminoacido mediata da una proteina chinasi. La rimozione del gruppo fosfato è catalizzata da un secondo tipo di enzima, una proteina fosfatasi. In questo esempio, il fosfato è aggiunto alla catena laterale di una serina; in altri casi, il fosfato viene invece aggiunto al gruppo –OH di una treonina o di una tirosina sulla proteina.

(B) La fosforilazione di una proteina mediata da una proteina chinasi può sia aumentare che diminuire l’attività della proteina, a seconda del sito di fosforilazione e della struttura della proteina.

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Chinasi (“Kinases”) (2)

Le chinasi fosforilano altre proteine all’interno della cellula e, mediante le alterazioni conformazionali e di carica elettricarisultanti, le proteine fosforilate subiscono un’attivazione oppure un’inattivazione dell’espressione della loro attività biologica.

Se una proteina è fosforilata da una chinasi, il gruppo fosfato deve alla fine venire rimosso da una fosfatasimediante idrolisi.

Se ciò non accadesse, la proteina fosforilata sarebbe in uno stato costante di attivazione o di inattivazione.

Le chinasi e le fosfatasi regolano tutti gli aspetti della funzione cellulare.

Si ritiene che 1‐2% dell’intero genoma codifichi per chinasi e fosfatasi.

Nell’Uomo ci sono almeno 518 proteina chinasi differenti

http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/signaltrans/olsignalkinases.html

Recettori ad attività tirosina chinasica (2)

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9866/

Recettori ad attività tirosina chinasica (2)




Ancoraggio di proteine di segnalamento intracellulari ad un recettore ad attività tirosina chinasica attivato.

Il recettore attivato e le proteine di segnalamento che ad esso si colleganoformano un complesso di segnalamento che può trasmettere i segnali lungodiverse vie di segnalamento.

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EPIDERMAL GROWTH FACTOR, EGF

http://www.trinity.edu/lespey/biol3449/lectures/lect11/Fig.12.19.jpg

Recettore per l’EGF

http://colinhopkins.com/EGFR.jpg

http://www.interactive‐biology.com/wp‐content/uploads/2012/05/Human‐Insulin‐Protein‐Structure‐917x1024.jpg

Recettore per l’insulina

http://www.daftblogger.com/wp‐content/uploads/2011/09/Insulin‐receptor.jpg

Cinque vie di segnalazione attivate da recettori associate a proteine G, a recettori di tipo tirosina chinasi o a entrambi.


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