FIZIOLOGIE GENERALĂCURS 2

SUMAR3. Funcţia membranei celulare în transferul de informaţie

Mesageri primari (liganzi extracelulari) Receptori membranari (definiţie, caracteristici, clasificare) Interacţiunea ligand-receptor:

- Formarea complexului ligand-receptor activat- Activarea sistemelor de semnalizare intracelulară

Sistemul proteinelor G

FUNCŢIA MEMBRANEI CELULARE ÎN TRANSFERUL DE INFORMAŢIE

MESAGERI PRIMARI (LIGANZI EXTRACELULARI)

Celulele din organism generează şi primesc informaţii care le modifică starea funcţională. În cazul celulelor alăturate, informaţiile se transmit prin sisteme specifice, de cuplaj intercelular. În cazul celulelor care nu stabilesc contacte directe, informaţia circulă prin intermediul unor semnale chimice produse de celule “sursă”, care ajung în mediul extracelular şi îşi exercită acţiunea asupra celulelor “ţintă”.

Mesagerii primari (mesageri de ordinul I, liganzi extracelulari) constituie un ansamblu de substanţe biologic active care sunt recunoscute şi interacţionează cu receptorii specifici din membrana sau din interiorul celulei ţintă.

În raport cu originea lor, mesagerii primari pot fi: endogeni - produşi de structuri aparţinând organismului; exogeni - agenţii farmacologici.

În funcţie de natura chimică există: mesageri primari liposolubili - străbat bistratul lipidic membranar, pătrund în

celulă unde se leagă de: - receptori citoplasmatici (ex. hormoni steroizi) - receptori nucleari (ex. hormonii tiroidieni);

mesageri primari hidrosolubili - nu pot străbate membrana, fixându-se pe receptorii membranari (ex. hormonii polipeptidici).

RECEPTORII MEMBRANARI

Definiţie: Receptorii membranari = structuri complexe macromoleculare care captează, amplifică şi modulează informaţia primită de la mesagerii primari.

1

Caracteristici structurale comune tuturor receptorilor membranari: un situs extern de recunoaştere şi de ancorare a ligandului; o regiune hidrofobă care fixează receptorul în stratul lipidic al membranei; un situs de activitate care interacţionează cu alte proteine de semnalizare, fie

membranare, fie din interiorul celulei.

- Părţile componente sunt sintetizate în ribozomi, sunt asamblate la nivelul membranei şi degradate la nivelul lizozomilor. - Receptorii sunt, în general, proteine glicozilate, care prezintă o structură subunitară şi se caracterizează printr-o mobilitate deosebită în planul membranei. În prezenţa ligandului specific, receptorii pot “conglomera” în zone cu “sensibilitate maximă”, iar în absenţa acestuia se pot răspândi difuz pe suprafaţa celulei. - Numărul de receptori de pe suprafaţa unei celule-ţintă 104-105 receptori. Acest numărul depinde de: raportul sinteză/degradare

starea funcţională a celulei concentraţia de lungă durată a ligandului.

- Numărul receptorilor se poate modifica prin două mecanisme: internalizare (down-regulation) - scăderea numărului de receptori când celula este

expusă la concentraţii crescute de ligand; mecanismul asigură scăderea sensibilităţii celulei faţă de ligand;

externalizare (up-regulation) - creşterea numărului de receptori când celula este expusă la concentraţii scăzute de ligand; mecanismul asigură creşterea sensibilităţii celulei la acţiunea ligandului.

Clasificare receptori membranariÎn raport cu modalitatea de semnalizare intracelulară se descriu receptori: a. proteină-canal ionic - ligandul ataşat de receptor deschide un canal ionic, determinând un flux ionic depolarizant sau hiperpolarizant. Exemplu - acetilcolina deschide canalele de Na+ ale receptorului nicotinic şi determină un influx de Na+ cu efect depolarizant; - GABA deschide un canal de Cl- şi determină un influx de Cl- hiperpolarizant;

b. cuplaţi cu o enzimă - ligandul ataşat de receptor va induce activarea unei enzime situată pe faţa internă a membranei şi sintetiza unui mesager secundar intracelular. Exemplu - acetilcolina se fixează de receptorul muscarinic şi determină activarea guanilatciclazei cu formare de GMPc;

c. cuplaţi cu proteină G - ligandul determină activarea proteine G care apoi se cuplează fie cu altă enzimă (adenilatciclaza, guanilatciclaza, fosfolipaza A, fosfolipaza C), fie cu un canal ionic (canale de Ca2+ , K+);

2

d. catalitici - ligandul se fixează de un receptor cu activitate enzimatică intrinsecă şi modulează activitatea unor proteine semnalizatoare intracelulare: receptorii tirozin-kinazici - fosforilează resturile specifice de tirozină ale

proteinelor semnalizatoare intracelulare; receptorii tirozin-fosfatazici - îndepărtează grupările fosfat de pe resturile

tirozinice ale proteinelor semnalizatoare intracelulare; receptorii serin/treonin-kinazici - fosforilează resturile serinice sau treoninice

specifice ale unor proteine intracelulare.

INTERACŢIUNEA LIGAND - RECEPTOR

Moleculele semnal care intră în contact cu receptorul sunt generic numite liganzi. Aceste specii moleculare sunt de regulă micromolecule, dar în cazul polipeptidelor pot ajunge la dimensiuni comparabile cu receptorul propriu-zis. În condiţii fiziologice, liganzii sunt endogeni (produşi de organism) sau exogeni (agenţi farmacologici).

Interacţiunea ligand - receptor se desfăşoară în două etape succesive. 1)Formarea ligand-receptor activat 2)Complexul ligand-receptor activat determină activarea mecanismului de semnalizare intracelulară şi amplificarea informaţiei transmise de mesagerii primari.

1)Formarea ligand-receptor activat - Situsul de legare al receptorului prezintă o mare specificitate în recunoaşterea ligandului şi o mare afinitate în fixarea acestuia, ceea ce oferă receptorului posibilitatea de a recunoaşte concentraţii foarte mici de ligand, de ordinul nano- şi picogramelor. - Formarea complexului ligand-receptor activat presupune atât selecţia ligandului, cât şi interacţiuni fizico-chimice care se desfăşoară foarte rapid (10-9 sec). - Forţele implicate în legarea ligandului de receptor sunt slabe (Ex. de tip hidrofob, punţi de hidrogen, forţe Van der Waals şi punţi saline) care permit disocierea cu uşurinţă a complexului ligand pe măsură ce acesta se formează.

- Astfel, deşi cinetica interacţiunii este complexă, ea poate fi reprezentată ca o reacţie bimoleculară, reversibilă, în cadrul căreia constanta de disociere (K1/K2) a complexului ligand-receptor este de 10-8 - 10-12 mol/l. - Moleculele semnal se comportă ca “efectori alosterici”. Fixându-se pe receptor, ligandul determină o modificare a configuraţiei terţiare a acestuia ceea ce are ca

3

K1[H] + [R] [H R *] K2

urmare activarea sa. La rândul său, ligandul suferă modificări complexe la scară moleculară. Prin acest proces se formează complexul ligand-receptor activat, care porneşte etapa a doua a mecanismului biologic de transmitere a semnalului.

Modul de interacţiune ligand-receptor poate fi clasificat în: agonism - legarea ligandului de receptor este urmat de răspunsul fiziologic

specific în proporţie de 80-100%; agonism parţial - legarea ligandului de receptor este urmată de răspuns fiziologic

de tip agonist numai în proporţie de 10-40%. antagonism - legarea ligandului de receptor nu mai permite ca răspunsul

fiziologic să aibă loc (agonism 0%). - competitiv - antagonistul se fixează cu mare afinitate pe situsul agonistului,

împiedicând formarea complexului agonist-receptor;- alosteric - antagonistul se fixează pe un alt situs decât cel al agonistului, dar

modifică conformaţia spaţială receptorului, urmată de perturbarea proceselor moleculare care asigură formarea complexului agonist-receptor activat.

2) Activarea sistemelor de semnalizare intracelulară- Informaţia biologică conţinută în complexul ligand-receptor activat este transmisă intracelular prin semnale mediate de sistemul de mesageri - secundari, care pot determina reacţii imediate (milisecunde)(ex. creşterea Ca2+

citosolic induce contracţia musculară). - terţiari, care pot determina reacţii lente (secunde, minute).

Informaţia transmisă prin mesagerii primari suferă la nivel intracelular două amplificări succesive. - Prima amplificare (10 x) are loc la nivelul receptorului - semnalul purtat de mesagerul primar este exprimat printr-un număr considerabil de mesageri secundari (AMPc, GMPc, Ca2+, IP3 şi DAG). - A doua amplificare (100 x) se realizează prin activarea sistemului de proteinkinaze intracelulare (PK) care fosforilează proteine efectoare într-o cantitate ce asigură masa critică pentru declanşarea unui răspuns celular multiplu şi eficient.

Cele mai importante sisteme de semnalizare intracelulară sunt: a. Sistemul adenilatciclază - AMPc este cel mai cunoscut sistem de semnalizare intracelulară, dependent de proteinele G. AMPc, format din ATP sub acţiunea adenilatciclazei, acţionează asupra proteinkinazelor-AMPc dependente numite proteinkinaze A (PKA). Acestea activează mai departe proteine intracelulare responsabile de o gamă largă de răspunsuri celulare. Nivelul AMPc este reglat de intervenţia AMPc-fosfodiesterazei care degradează AMPc.

4

b. Sistemul guanilatciclază - GMPc este mai puţin cunoscut, fiind asociat îndeosebi cu acţiunea acetilcolinei asupra receptorilor muscarinici. GMPc, format din GTP sub acţiunea guanilatciclazei, acţionează asupra unor canale de K+ membranare sau asupra proteinkinazelor GMPc-dependente numite proteinkinaze G (PKG). Sistemul este inactivat de o GMPc-fosfodiesterază. c. Sistemul Ca2+ - calmodulină este cel mai complex sistem de semnalizare intracelulară care presupune o creştere iniţială a Ca2+ citosolic prin diverse mecanisme.

În general, creşterea Ca2+ citosolic are loc prin două mecanisme: influx de Ca2+ prin canale ionice membranare (voltaj-dependente, operate

mecanic, operate de liganzi extracelulari sau liganzi intracelulari); eliberarea din reticulul sarcoplasmatic prin canale de Ca2+ (voltaj-dependente sau

operate de IP3). Scăderea Ca2+ citosolic are loc, de asemenea, prin două mecanisme: eflux de Ca2+ prin pompa de Ca2+ şi schimbătorul Na+/Ca2+ de la nivelul

membranei celulare; restocare în depozite prin pompa de Ca2+ din membrana reticulului

sarcoplasmatic.

Creşterea Ca2+ liber citosolic este urmată de activarea calmodulinei şi cuplarea acesteia cu 4 ioni de Ca2+ în cadrul complexului de semnalizare intracelulară, numit Ca2+-calmodulină. Acesta influenţează activitatea enzimelor intracelulare implicate în diverse sisteme de semnalizare (ex. adenilatciclaza, guanilatciclaza etc), dar şi activitatea proteinkinazelor Ca2+- calmodulin dependente (ex. MLCK = mzosin light chain kinase/ kinaza lanţului uşor al miozinei).

5

d. Sistemul derivaţilor de fosfatidilinozitol membranar - este alcătuit din inozitoltrifosfat (IP3) şi diacilglicerol (DAG), rezultaţi în urma acţiunii fosfolipazei C asupra inozitoldifosfatului (PIP2) membranar. Fosfolipaza C este componentă a liniei de semnalizare mediate de proteinele Gq, asociate mai ales cu receptorii 2 - adrenergici şi receptorii muscarinici. În cadrul acestui sistem de semnalizare, cei doi mesageri secundari îndeplinesc următoarele funcţii: IP3 se fixează pe receptori specifici din structura membranei reticulului

sarcoplasmatic, cuplaţi cu canale de Ca2+ pe care le deschide. DAG activează sistemul proteinkinazelor C (PKC) care determină fosforilarea

unor proteine celulare cu rol în modularea contracţiei muşchiului neted.

SISTEMUL PROTEINELOR G

DefiniţieProteinele G sunt proteine-transductoare (proteine de legătură) intramembranare care cuplează receptorii membranari cu efectorul reprezentat fie de o enzimă, fie de un canal ionic. StructuraProteinele G sunt heterotrimeri formaţi din 3 subunităţi: subunitatea - este o GTP-ază care asigură funcţia şi specificitatea proteinei

(Tab.nr.I); este inactivă când fixează o moleculă de GDP şi se activează când fixează o moleculă de GTP;

subunităţile şi - formează un complex care poate media unele acţiuni ale proteinelor G (ex. activarea unor canale de K+ )

Tabel nr.I. Tipuri de proteine G Ligand Receptori Efector Mesager secundar

Gs Adrenalina

Acetilcolina

- adrenergici

muscarinici

adenilatciclaza (stimulare)canale Ca2+

AMPc

Ca2- calmodulinaGi Adrenalina

Acetilcolina

2 - adrenergici

muscarinici

adenilatciclaza(inhibare)Canale K+

AMPc

K+

Gq AdrenalinaAcetilcolina

1-adrenergicimuscarinici

fosfolipaza C IP3, DAGCa2+- calmodulina

Gt fotoni GMPc fosfodiesteraza

GMPc (vedere)

Golf receptori olfactivi adenilatciclaza (stimulare)

AMPc (olfacţie)

6

Mecanism1. Formarea complexului ligand-receptor activat2. Complexul ligand-receptor activat interacţionează cu subunitatea

modificarea conformaţiei subunităţii 3. Afinitatea subunităţii : - va creşte pentru GTP

- va scade pentru GDP şi complexul . 4. Subunitatea activată cedează GDP, fixează GTP şi se disociază de complexul . 5. Disocierea de complexul are ca urmare activarea GTP-azei care permite subunităţii active să se deplaseze şi să activeze efectorul (enzimă sau canal ionic). 6. Când hidroliza GTP-ului este completă, subunitatea trece în forma inactivă (GDP) şi revine în poziţia sa iniţială.

7