Nessuna cellula vive isolata.

Una complessa rete di comunicazione tra cellule regola crescita, maturazione, differenziamento, metabolismo, omeostasi di cellule che compongono tessuti ed organi. Le cellule bersaglio sono a volte cellule che producono altri ormoni. I recettori ormonali svolgono un ruolo essenziale nel mediare l'azione degli ormoni. L'azione degli ormoni é determinata da differenti meccanismi intracellulari. Gran parte del controllo della secrezione di ormoni dipende da meccanismi a feedback. Esiste una stretta relazione tra l'attività del sistema nervoso centrale e la secrezione di ormoni  

La fluorescenza citoplasmatica mostra il passaggio di un'onda di concentrazione elevata di calcio (Ca) attraverso un campo di astrociti. Quando colture confluenti di astrociti ippocampali sono stimolate dal neurotrasmettitore glutammato, ne risulta tra l'altro un aumento delCa libero citoplasmatico, aumento che ha andamento oscillatorio; infatti può prendere la forma di onde di incremento di Ca che si propagano tra le cellule a 20 m/s. Icambiamenti della concentrazione di Ca, misurati con l'indicatore di fluorescenza fluo-3, sono campionati a intervalli di 4 s. Le aree che superano un determinato valore-soglia di incremento in un dato tempo assumono un dato colore convenzionalf!, che si sovrappone all'immagine data dalla fluorescenza citoplasmatica di base. Ogni campionamento di 4 s corrisponde a un colore diverso, codificato in una sequenza temporale. Si può osservare un'onda che origina dall'area viola a sinistra del centro, si allarga verso il centro del campo in un'area azzurra e poi si irradia verso l'alto attraverso archi verdi, giallo, arancio e rosso. (Per gentileconcessione di Steohen Smith.)

I segnali cellula-cellula: ormoni e recettori

 

Forme di segnalazione

 

Caratteristiche comuni:

1) Secrezione nel torrente circolatorio2) Genesi di potenziali elettrici e depolarizzazione3) Peptidi prodotti da cellule endocrine possono agire da neurotrasmettitori4) Neurotrasmettitori possono agire da ormoni;5) Un singolo tipo cellulare può produrre sia neurotrasmettitori (es. amine biogene) che ormoni (peptidici)6) Un singolo gene può determinare la produzione di 1 peptide neurotrasmettitore e di 1 peptide ormonale. 

Segnalazione endocrina e sinaptica a confronto

Caratteristiche differenti

Recettori specifici mediano la risposta a segnali extracellulari

Figura 19.2 Alcuni ormoni si legano a recettori di superficie, altri a recettori all'interno della cellula. (a) Recettori di superficie. Gli ormoni peptidici e proteici, le prostaglandine, gli amminoacidi, l'epinefrina e i composti simili a essi si legano ai recettori posti sulla superficie delle cellule, determinando un aumento o una diminuzione della concentrazione citosolica di AMPc, di Ca2+ , di 1,2-diacilglicerolo, o di qualche altro secondo messaggero. (b) Recettori citosolici o nucleari. Gli steroidi, la tiroxina e l'acido retinoico, di natura molto idrofobica, sono trasportati da proteine ematiche. Dissociati dal trasportatore, gli ormoni penetrano nella cellula, si legano a recettori specifici nel citosol o nel nucleo e agiscono sul DNA nucleare, alterando la trascrizione di geni specifici.

La > parte degli ormoni lipofilici interagisce con recettori citosolici o nucleari e altera l’espressione genica.

Gli ormoni idrosolubili interagiscono con recettori sulla superficie cellulare

Progesterone

Estradiolo

Testosterone

Cortisolo

Ovaio, corpo luteo; placenta

Ovaio, placenta

Testicolo

Corteccia surrenale

Differenziamento dell'utero in preparazione all'impianto del embrione; mantenimento delle prime fasi della gravidanza, sviluppo del sistema alveolare delle ghiandole mammarie

Maturazione e normale funzionamento degli organi sessuali accessori maschili; sviluppo delle caratteristiche sessuali maschili

Differenziamento dell'utero e di altri organi sessuali femminili; mantenimento dei caratteri sessuali secondari della femmina e delle normali funzioni cicliche degli organi sessuali accessori; sviluppo del sistema duttale delle ghiandole mammarie

Effetto sul metabolismo dei carboidrati, dei lipidi e delle proteine; riduzione dell'infiammazione e delle risposte immunitarie; aumento delle risposte fisiologiche globali allo stress

Ormoni steroidei.Precursore comune rappresentato dal colesterolo; ormoni secreti dalle ghiandole della riproduzione; corticosurre-nalici; metaboliti attivi della vitamina D.

Aldosterone Mantenimento del bilancio idrico e ionico; riassorbimento degli ioni da parte delle cellule epiteliali del rene

Aumentata produzione di calore; mantenimento del metabolismo del glucosio e di altri «carburanti»; ampi effetti sull'espressione genica e sull'induzione di sintesi enzimatiche

ormone tiroideo, catecolamine (adrenalina, noradrenalina); precursore comune tirosina.

Amine

Tetraiodiotironina (T4)

Triidiotironina (T3)

Tiroide

Contrazione delle arteriole; diminuzione della circolazione periferica.

Contrazione del muscolo liscio

Epinefrina

Norepinefrina

Istamina

Prostaglandine; derivati ac. arachidonico

Midolla surrenale

Mastociti

> Parte del corpo

Aumento delle pulsazioni e della pressione sanguigna; contrazione della maggior parte dei muscoli lisci; glicogenolisi nel fegato e nel muscolo; idrolisi dei lipidi del tessuto adiposo

Dilatazione dei piccoli vasi sanguigni

Proteine e peptidi

Glucagone Peptide, 29 aacidi Cellule alfa del pancreas

Stimola la sintesi del glucosio e la degradazione del glicogeno nel fegato, l’idrolisi dei lipidi nel tessuto adiposo

Insulina Polipeptide,

catena A: 21 aacidi

catena B: 30 aacidi

Cellule beta del pancreas

Stimola l'assunzione di glucosio nelle cellule adipose e muscolari e il meta-bolismo dei carboidrati; stimola la sintesi di lipidi da parte del tessuto adiposo e stimola in generale la sintesi proteica e la proliferazione cellulare

Gastrina Polipeptide, 17 aacidi Intestino Secrezione di HCI e di pepsina da parte dello stomaco

Secretina Polipeptide, 27 aacidi Intestino tenue

Secrezione di enzimi digestivi pancrea Secrezione di enzimi digestivi pancreatici; svuotamento della cistifellea

Colecistochinina Polipeptide, 23 aacidi Intestino tenue

Secrezione di enzimi digestivi pancreatici; svuotamento della cistifellea

Ormone adreno corticotropo (ACTH)

Polipeptide, 39 aacid Adenoipofisi Idrolisi su lipidi da parte del tessuto adiposo; stimola la corteccia surrenale a produrre cortisolo e aldosterone

Ormone fol1icolo stimolante (FSH)

Proteina,

Catena alfa: 92 aacidi

Catena beta : 118 aacidi

Adenoipofisi Stimola la crescita degli oociti e dei follicoli ovarici e la sintesi di estrogeni da parte dei follicoli

Ormone luteinizzante (LH)

Proteina

Catena alfa: 92 aacidi

Catena beta: 115 aacidi

Adenoipofisi Maturazione dell’oocita; stimola secrezione di estrogeni e di progesterone da parte dei follicoli ovarici

Ormone tireostimolante (TSH)

Proteina

Catena alfa: 92 aacidi

Catena beta: 112 aacidi

Adenoipofisi Rilascio di tiroxina da parte delle cellule tiroidee

Ormone paratiroideo Proteina, 84 aacidi Paratiroide Aumento del Ca2+ e diminuzione dei fosfati nel sangue; mobilizzazione dei fosfati di calcio dalle ossa; aumento del riassorbimento di calcio e diminuzione di riassorbimento di fosfato dal filtrato renale

Proteine e peptidiVasopressina Proteina, 9 aacidi Neuroipofisi Aumento dell’assorbimento di acqua dall’urina da parte dei

tubuli renali; costrizione dei capillari sanguigni e aumento della pressione sanguigna

Ormone di rilascio del TSH

Polipeptide, 3 aacidi

Ipotalamo Induce secrezione dell’ormone tiroido-stimolante da parte dell’adenoipofisi

Ormone del rilascio dell’LH (LHRH)

Polipeptide, 10 aacidi

Ipotalamo, neuroni Induce secrezione dell’ormone luteinizzante da parte dell’adenoipofisi

Fattore di crescita dell’epidermide (EGF)

Polipeptide, 53 aacidi

Ghiandole salivari e altre ghiandole

Crescita delle cellule dell’epidermide e di altre cellule

Somatotropina (GH) (ormone della crescita)

Polipeptide, 191 aacidi

Adenoipofisi Stimola l’assunzione di aacidi da parte di molte cellule; stimola il fegato a produrre IGF-1 che, a sua volta, induce la crescita delle ossa e dei muscoli

Eritropoietina Polipeptidi, 166 aacidi

Rene Differenziamento delle cellule staminali eritrocitarie

Fattore stimolante le colonie granulocitiche e macrofagiche (GM-CSF)

Polipeptidi di PM 14000 e 35000

Linfociti T, cellule endoteliali e fibroblasti

Differenziamento di cellule staminali granulocitiche e macrofagiche

Interleuchina-2 Polipeptide di PM 15500

Linfociti T e macrofagi Divisione dei linfociti T, nel sistema immunitario

Fattore di crescita delle cellule nervose

Fattore di crescita insulino-simile 1 (IGF-1)

2 catene identiche di 118 aacidi

Polipeptide, 70 aacidi

Tutti i tessuti innervati da neuroni simpatici

Fegato ed altre cellule

Crescita e differenziamento dei neuroni sensori e simpatici

Fattore di crescita autocrino/paracrino indotto da GH; stimola crescita e divisione cellulare e assunzione di glucosio e aacidi; fa aumentare sintesi di glicogeno nel fegato

Fattori di crescita e differenziamento

Regolazione livelli ormonali

Sintesi, liberazione e degradazione degli ormoni sono soggetti a regolazione

I livelli ormonali sono regolati da complessi circuiti di feedback

II modello: ormoni proteici e catecolammine

Meccanismo di azione degli ormoni

 I modello: ormoni steroidei, tiroidei, acido retinoico

La > parte degli ormoni lipofili interagisce con recettori citosolici o nucleari e altera l’espressione genica con effetti duraturi (ore o giorni)

Gli ormoni idrosolubili interagiscono con recettori della superficie cellulare con effetti immediati. I fattori di crescita peptidici inducono variazioni espressione genica

Figura 11.33 Modello di attivazione dei geni a opera di un ormone solubile nei lipidi della membrana cellulare; esso entra nella cellula per diffusione. Il recettore ormonale si trova complessato con un inibitore, che si distacca dopo l'interazione ormone-recettore. All'ormone si lega a1 dimero del recettore, che è di natura proteica; il complesso penetra nel nucleo e si associa agli elementi di risposta a livello del DNA, attivando in questo modo la trascrizione del relativo gene.

1) Meccanismo di azione ormoni steroidei e tiroidei: Superfamiglia dei recettori intracellulari

Figura 11.30 Legame del recettore per il glucocorticoide alle sequenze del promotore del virus per il tumore mammario di topo (MMTV). (a) Disegno della regione del genoma dell'MMTV che contiene i siti di legame per il recettore del glucocorticoide e il sito di inizio (+ 1) per la sintesi di RNA dipendente dall'ormone. (b) Fotografia al microscopio elettronico dei complessi formati dal recettore per i glucocorticoidi e l’ormone e legati al DNA schematizzato in (a). Il recettore, una proteina, forma probabilmente dei tetrameri. (c) Footprint dopo trattamento con DNasi della regione del promotore del genoma deII'MMTV, in presenza e in assenza del recettore per i glucocorticoidi, che protegge quattro regioni (barrette rosse) dalla digestione con DNasi. Nelle corsie da 2 a 5 sono presenti concentrazioni crescenti di recettore per i glucocorticoidi, che non sono presenti nella corsia 1. I numeri indicano le posizioni dei nucleotidi a monte dal sito di inizio. (Da F. Payvar, et al., 1983, CelI, 35,D. 391.; fotografie per gentile concessione di K. Yamamoto.J

Figura 11.13 Ipotesi di struttura ad ansa con dita di zinco per i domini ripetuti del TFIIIA, risultante dal legame di coordinazione delle cisteine (C) e delle istidine (H) invarianti con uno ione di zinco (Zn). La figura mostra solo le prime due delle nove anse possibili. I numeri a fianco dei codici a singola lettera per gli amminoacidi indicano le distanze in numero di residui amminoacidici (Figura 11.12). I pallini neri indicano le catene laterali che con maggior probabilità sono impegnate in legami con il DNA. In ogni ansa si trovano sempre una leucina (L) invariante e una tirosina (y) o una fenilalanina (F). (Adattata da l. Miller, A.D. McLachlan, 1985, EMBO J.)

2) Meccanismo di azione ormoni steroidei e tiroidei: Elementi di risposta

I recettori degli ormoni steroidei posseggono regioni a dita di zinco con cui si legano al DNA

Figura 14-16 Controllo della trascrizione. A. Un tipico gene eucariota è costituito da due regioni, la regione codifìcante, che viene trascritta dalla RNA polimerasi Il nell'RNA messaggero e quindi tradotta in proteine specifiche, e una regione regolatrice, che comprende alcuni elementi intensifìcatori e un elemento promotore, che regola ['inizio della trascrizione del gene strutturale. B. Le proteine che regolano la trascrizione si legano sia alla regione del promotore che a quella dell'intensificatore. 1) Jn gruppo di proteine si lega alla TATA-box, al promotore e alla regione distale dell'intensificatore. 2. Le proteine che si legano alla regione dell'intensificatore determinano un ripiegamento ad ansa del DNA, che permette alle proteine regolatrici legate alla regione distale dell'intensificatore di entrare in contatto con la polimerasi

,

Regolazione della trascrizione genica

Un numero limitato di proteine regolatrici è in grado di esercitare un numero molto elevato di interazioni regolatrici sul processo di trascrizione

Meccanismo d’azione degli ormoni idrosolubili: recettori di superficie

Non tutti i recettori di superficie utilizzano il secondo messaggero intracellulare

Secondi messaggeri

Figura 19.3 Tipi di recettori di superficie. (a) Canali ionici attivati dal calcio. Il ligando induce nel recettore, associandosi a esso, una variazione conformazionale, che apre nella proteina stessa un canale ionico specifico. Ne consegue un flusso di ioni, che altera la differenza di potenziale elettrico tra i due lati della membrana. (b) Proteina chinasi attivata dal ligando. La formazione del legame recettore-ligando induce un'attività proteina-chinasica; il recettore fosforila una proteina substrato e, così facendo, ne altera l' attività. (c) Proteina fosfatasi di residui tirosinici attivata dal ligando. II ligando induce nel recettore l'attivazione di un'attività fosfatasica, che rimuove un residuo fosforico legato a una tiroxina di una proteina substrato. L'attività di tale proteina ne è di conseguenza alterata. (d) Guanilato ciclasi attivata dal ligando. Questo, legandosi, attiva la sintesi nel citosol del secondo messaggero GMP 3',5‘ ciclico a partire da GTP. (e) Attivazione indotta dal ligando di una proteina G e generazione di un secondo messaggero. Il legame del ligando attiva una proteina G che si lega, attivandolo, a un enzima, che genera un secondo messaggero intracellulare specifico.

Recettori di superficie accoppiati a proteine G

 

Figura 14-2 Schema generale delle vie di secondo messaggero. Finora sono state identificate soltanto alcune delle vie attraverso le quali può aver luogo la trasduzione dei segnali.Le tre vie rappresentate nella figura comportano una serie di passaggi analoghi (a sinistra). Gli ormoni entrano in contatto con molecole recettrici della membrana plasmatica ed attivano una famiglia di proteine trasduttrici strettamente imparentate fra loro e capaci di attivare enzimi che fungono da effettori primari. Questi enzimi danno origine alla formazione di un secondo messaggero, che può attivare un effettore secondario o agire direttamente su proteine bersaglio (regolatrici). La prima delle vie rappresentate dà origine al secondo messaggero AMPc che viene prodotto dall'adenil-ciclasi attivata da una proteina-G (il nome dipende dal fatto che queste proteine sono attive soltanto in presenza di guanosin trifosfato (GTP). La proteina-G rappresentata viene detta G, in quanto stimola la ciclasi. Alcuni recettori attivano un'altra proteina, Gi, che inibisce la ciclasi. La seconda via è attivata da un recettore muscarinico per l' ACh ed impiega un'altra proteina-G (G) per attivare la fosfolipasi C (PLC). L'enzima dà origine a una coppia di secondi messaggeri, il DAG e l'IP3. L'IP3 a sua volta, mobilizza Ca2+ dai depositi intracellulari. Il DAG attiva la protein-chinasi C (PKC). Il terzo principale sistema rappresentato attiva una cascata di reazioni enzimatiche che modificano l'acido arachidonico attraverso la fosfolipasi A2 (PLA2). Tre importanti enzimi che si formano in questa cascata di reazioni sono: la 5- e la 12-lipossigenasi e la ciclossigenasi.

Figura 14-3 La struttura dei recettori accoppiati a proteire G è caratterizzata dalla presenza di sette segmenti di catena polipeptidica che attraversano la membrana a tutto spessore. La struttura del recettore 1-adrenergico è analoga a quella del recettore 2-adrenergico, del recettore muscarinico per l' ACh e della rodopsina. Una caratteristica strutturale importante di questi recettori è rappresentata dal sito di legame per il neurotrasmettitore che è localizzato sulla superficie extracellulare della cellula, appena ricoperto dalla matrice lipidica della membrana (nell'esempio, il sito è rappresentato dal residuo 113 di un aspartato). La parte del recetto re colorata in marrone è quella con cui prende rapporto la proteina-G. I due residui di serina, raffigurati in nero indicano i siti dove avviene la fosforilazione. (Modificata, da Frielle e collaboratori, 1989.)

Le diverse vie di secondo messaggero hanno molte caratteristiche comuni

Recettore a sette eliche

 

Sistema dell’AMPciclico

;AMPc

Sintesi e degradazione dell’AMPc

Tessuto Ormone che aumenta cAMP

Risposta metabolica

Adiposo Adrenalina; ACTH; glucagone

> idrolisi trigliceridi;< assunzione di amminoacidi

Fegato Adrenalina; noradrenalina; glucagone

> glicogenolisi;

< sintesi di glicogeno;

> assunzione di amminoacidi;

> gluconeogenesi

Follicolo ovarico FSH; LH > sintesi di estrogeni e progesterone

Corteccia surrenale ACTH > sintesi di aldosterone e cortisolo

Cellule muscolari cardiache

Adrenalina > ritmo di contrazione

Tiroide TSH Secrezione della tiroxina

Cellule ossee Ormone paratiroideo > riassorbimento del calcio dall'osso

Muscolo scheletrico Adrenalina Conversione del glicogeno a glucosio

Intestino Adrenalina Secrezione di fluidi

Rene Vasopressina Riassorbimento dell'acqua

Piastrine del sangue Prostaglandina I < aggregazione e secrezione

.Figura 19.14 L'attivazione dell'adenilato ciclasi operata dal legame di un ormone al suo recettore. Il tratto di membrana cellulare disegnato contiene due proteine transmembrana, un recettore proteico per un ormone (R ) , l'adenilato ciclasi (C) e, sul versante citosolico, la proteina di trasduzione Gs . Allo stato di riposo, GS., subunità di Gs, è associata a GDP. Quando un ormone si lega a esso, R subisce una variazione conformazionale (fase 1). R, allo stato attivato, si lega a Gs (fase 2). Questo attiva GS che rilascia GDP e lega GTP; il che causa la dissociazione della subunità GS,. dalle subunità G, (fase 3). La subunità GS,.libera si lega a C, attivandola, in modo che essa inizi a catalizzare la formazione di cAMP a partire da ATP (fase 4); questo passaggio può comportare una variazione conformazionale di G. Ache il GTP viene idrolizzato a GDP, reazione che con ogni probabilità è catalizzata dalla stessa GS . GS perde la capacità di attivare C (fase 5) e C e GS e G, si riassociano. In seguito, l'ormone si dissocia dal recettore e l'ormone torna allo stato di riposo.

Figura 19.15 la proteina G si associa in maniera ciclica a GTP e a CDP; tale associazione è accoppiata all'attivazione e all'inattivazione dell'adenilato ciclasi. Si ritiene che la subunità GS stessa catalizzi l'idrolisi del GTPa GDP.

Figura 19.16 Diverse proteine G mediano l'attivazione e l'inibizione dell'adenilato ciclasi. Numerosi complessi ormone-recettore si legano a una proteina stimolante GS determinando la sostituzione del GDP precedentemente legato con GTP e la dissociazione della subunità GS GTP, che va a legarsi con I'adenilato ciclasi e ad attivarla. Altri complessi ormone-recettore si legano a una proteina G diversa, con funzione inibente, Gi , costituita anch'essa da una subunità che lega il GDP o il GTP e dalla subunità G, . In qualche modo, la proteina inibente Gi viene modificata, dopo di che lega l’adenilato ciclasi e la inibisce. Nei due tipi di proteine G, stimolanti e inibenti, le subunità G, sono uguali, mentre le subunità G e i recettori differiscono.

Attivazione dell’adenilato ciclasi

Esistono proteine G attivatrici ed inibitrici

La proteina G passa reversibilmente da una forma attiva a una quiescente e viceversa.

Proteine G

Proteina G Attivata dai recettori per

Effettori Vie di segnalazione

GSCatecolammine istarnina, glucagone,

ACTH, LH, FSH, TSH etc.

Adenilato ciclasi

Canali del Ca++

AMPc

> Ingresso diCa++

GolfMolecole odoranti

Adenilato ciclasi

> AMPc (olfatto )

Gtl

(bastoncelli)

Fotoni, Fosfodiesterasi del GMPc

< GMPc (visione)

Gt2 (coni) Fotoni Fosfodiesterasi del GMPc

< GMPc (visione dei colori)

Gil

Gi2

Gi3

Noradrenalina, prostaglandine, oppiati angiotensina, numerosi peptidi

Adenilato ciclasi

Fosfolipasi C

Fosfolipasi A2

Canali del K+

< AMPc

IP3, diacilglicerolo, Ca++

Liberazione di arachedonato

GqAcetilcolina, adrenalina

Fosfolipasi C Polarizzazione della membranaIP3, diacilglicerolo, Ca++

Modificata da Bourne HR, Sanders DA, McConnick F: Nature 348:125, 1990

Eterotrimeriche Monomeriche

Sottoclassi Effetti cellulari

Proteine Ras simil

Controllo della crescita e della differenziazione

Proteine Rho simili (incluse le Rac)

Controllo della polimerizzazione dei filamenti di actina e del loro assemblaggioin strutture specifiche come le adesioni focali

Proteine Rab simili

Controllo del movimento delle vescicole (mediante specificazione delle membranebersaglio)

Proteine ARFsimili

Regolazione dell'assemblaggio e del disassemblaggio delle proteine di rivestimento delle vescicole (e, pertanto, del movimento delle vescicole)

Figura 5-7 Il ciclo di attività di una proteina G monomerica di tipo Ras. Altre proteine G monomeriche hanno cicli simili. L' attivazione della Ras è 5timolata da una GNRP (proteina che libera nucleotidi guaninici), che promuove il legame di GTP e la liberazione di GDP e, pertanto, l'attivazione della proteina G monomerica. L 'inattivazione della Ras è, invece, promossa da una GAP (proteina attivatrice della GTPasi), che stimola l'idrolisi del GTP legato.

Protein chinasi A dipendente da AMPc.Figura 5.8 Attivazione della proteina chinasi dipendente dall' AM Pc. Le due subunità regolatrici (subunità R) del complesso R2C2 sono legate da due ponti disolfuro. Il legame di due molecole di AMPc a ogni subunità R provoca la flessione di ogni subunità R nella regione cerniera e la liberazione delle due subunità catalitiche (C). (Elaborato da Taylor S: J Biol Chem 264:8443, 1989.)

Figura 5-9 La famiglia delle proteine chinasi. Tutte le proteine chinasi conosciute possiedono un nucleo catalitico comune (regione colorata) che contiene sia i domini dell' ATP e del legame del peptide sia il sito attivo nel quale si verifica il trasferimento del fosforo. I residui conservati sono stati allineati sulla lisina 72 (pallini in colore), 1'aspartato 184 (quadrati in colore) e le regioni ricche di glicina (rettangoli in colore) della subunità catalitica della proteina chinasi dipendente dall’AM Pc. Le regioni tratteggiate in colore sono importanti per la regolazione. I siti di legame covalente con l' acido miristico, un acido grasso che contribuisce alI' ancoraggio della proteina chinasi alla membrana plasmatica, sono indicati da m. (Modificata da Taylor S et al: Annu Rev Cell Biol 8:429. 1992. )

Molte protein chinasi contengono una regione regolatrice definita domino del pseudosubstrato, la cui sequenza amino-acidica assomiglia a quella del sito di fosforilazione dei substrati proteici.

Regolazione del metabolismo del glicogeno da parte dell’AMPc

Figura 19.23 l'inibizione della fosfoproteina fosfatasi da parte del cAMP. la fosfoproteina fosfatasi è enzimaticamente attiva a meno che una proteina inibitrice non sia legata a essa. l'inibitore deve essere fosforilato dalla proteina chinasi cAMP-dipendente per potersi legate alla fosfoproteina fosfatasi e inibirla. In tal modo, la.fosfatasi è inattiva inpresenza di un atto livello di cAMPe attiva solo quando il livello di cAMP è basso. (Da P. Cohen, 1982, Nature, 296, p. 613.)

Figura 19.22 Il cAMP controlla la degradazione e la sintesi di glicogeno nel fegato e nelle cellule muscolari. (a) L'aumento del livello di cAMP determina un incremento nel livello di glucosio, attivando ladegradazione del glicogeno e inibendo la sintesi di glicogeno. La forma attiva della proteina chinasi cAMP-dipendente fosfori là la glicogeno sintetasi, riducendo la sua attività. La chinasi fosfori la anche la glicogeno fosforilasi chinasi, attivando la sua capacità di fosforilare e di attivare la glicogeno fosforilasi, I'enzima che degrada il glicogeno a glucosio 1-fosfato. La proteina chinasi cAMP-dipendente fosforila anche un inibitore della fosfoproteina fosfatasi, attivandolo. Di conseguenza, i gruppi fosforici aggiunti agli altri enzimi non vengono rimossi. (b) La diminuzione del livello di cAMP fa diminuire la concentrazione di glucosio 1-fosfato, inibendo la degradazione del glicogeno e attivando la sua sintesi. Questo risultato viene ottenuto tramite I'attiv~ionedella fosfoproteina fosfatasi; il gruppo fosforico viene rimosso dall'inibitore che, di conseguenza, viene inattivato. La fosfatasi attiva rimuove quindi i residui fosforici dalla glicogeno fosforilasi chinasi e dalla glicogeno fosforilasi, inibendo la degradazione del glicogeno. La rimozione del gruppo fosforico dalla glicogeno sintetasi, invece, attiva I'enzima e determina, di conseguenza, la sintesi di glicogeno.

Maggiore quantità di glucosio disponibile

Minore quantità di glucosio disponibile

Amplificazione del segnale

Una delle funzioni della cascata di chinasi è l’amplificazione

10-10 M

10-6 M

10-4 M

10-2 M

L’idrolisi dei fosfatidil-inositolo è legato a diverse vie di segnalazione:1) Aumenta la concentrazione di calcio intracellulare (tramite l’IP3);2) Attiva la sintesi degli eicosenoidi (tramite l’acido arachidonico)3) Attiva la protein chinasi C (tramite il diacil-glicerolo e il calcio)

IP3 si lega attivandoli ai recettori-canale sul RE, provocando l’uscita di calcio; una volta rilasciato il calcio può mediare fuoriuscita di altro calcio

Meccanismo d’azione dell’IP3

Sistema del fosfatidilinositolo, Ca2+ e 1,2 diacilglicerolo

Il calcio come messaggero intracellulare

 

Sistema di controllo del calcio citosolico Vie di entrata del Ca2+ in risposta a segnali

Tessuto Ormone che induce aumento di IP3 e di Ca2+ Risposta cellulare

Cellule acinose del pancreas Acetilcolina Secrezione enzimi digestivi

Ghiandola salivare (parotide) Acetilcolina Secrezione di amilasi

Cellule del pancreas Aceticolina Secrezione di insulina

Muscolatura liscia dei vasi e dello stomaco Acetilcolina Contrazione

Fegato Vasopressina Conversione glicogeno in glucosio

Piastrine del sangue Trombina Aggregazione, cambiamenti di forma, secrezione di ormoni

Mastociti Antigene Secrezione di istamina

Fibroblasti Fattori di crescita peptidici, bombesina e PDGF Sintesi di DNA, divisione cellulare

Uova di riccio di mare Spermatozoi Formazione membrana di fecondazione

Alcuni esempi

Figura 19.28 Variazioni nella concentrazione locale di ioni Ca2+ in un uovo di riccio di mare dopo la fecondazione. Il Ca2+ cellulare è stato monitorato per mezzo della fluorescenza del fura-2, attraverso un microscopio (Figura 19.27); a fini grafici, le concentrazioni di Ca2+ sono espresse secondo una scala graduata di colori (a destra) in micromoli di Ca2+. La concentrazione di Ca2+ aumenta inizialmente nel punto in cui lo spermatozoo è entrato (la parte in basso a sinistra della cellula) e si innalza, diffondendosi come un'onda. In un tempo successivo, la concentrazione di Ca2+ diventa elevata e uniforme in tutta la cellula, poi decade uniformemente allo stato di riposo. (Da R.Y. Tsien e M. Poenie, 1986, TIBS, 11, pp. 450-455; per gentile concessione di j. Alderton, M.Poenie, R.A. Steinhardt e R.Y. TsienJ

Figura 19.27 La concentrazione citosolica di Ca2+ può esser monitorata in continuo sfruttando la fluorescenza dei complessi Ca2+-fura-2. Aggiunto al mezzo di coltura, l'estere lipofilo del fura-2 (a sinistra) diffonde attraverso la membrana plasmatica e viene idrolizzato a fura-2 dalle esterasi del citosol. Il fura-2, di carattere non lipofilo (a destra) non può attraversare le membrane cellulari e resta nel citosol. In assenza di Ca2+ , il fura-2 non è fluorescente e la fluorescenza dei complessi Ca2+-fura-2 è proporzionale alla concentrazione di ioni Ca2+ del citosol.

Le variazioni di calcio intracellulare si possono visualizzare

Nelle cellule di grandi dimensioni si possono distinguere differenze nella concentrazione di calcio in regioni specifiche del citosol

La calmodulina è strettamente correlata correlata alla troponina delle cellule muscolari scheletriche;

1) fra i bersagli regolati dal complesso Ca2+-calmodulina vi sono enzimi e proteine di trasporto come la Ca2+-ATPasi;

2) la > parte degli effetti é mediata da protein-chinasi dipendenti dal complesso calcio-calmodulina;

Complesso calcio-calmodulina

Figura 9.17 La calmodulina, proteina citosolica di 149 aacidi con quattro siti di legame per il calcio, forna il complesso Ca2+ /calmodulina, un importante regolatore intracellulare. (A) Sequenza amrninoacidica del sito di legame per il calcio situato all'estremità C-terrninale della calmodulina.Ogni sito di legame contiene residui di aspartato, glutammato ed asparagina (mostrati in colore) le cui catene laterali stabiliscono legami ionici con uno ione Ca2+, formando un'ansa nello scheletro della proteina. Gli altri siti di legame contengono anche residui di treonina e di serina, e gli atomi di ossigeno presenti nelle catene laterali di questi amminoacidi si associano allo ione calcio. (B) Modello di una molecola di calmodulina a cui sono legati quattro ioni calcio (sfere grigie). (C) Rappresentazione schematica della variazione conformazionale indotta dal legame del calcio alla calmodulina. Quando tutti e quattro i siti di legame per il calcio sono occupati, la calmodulina subisce un cambiamento della struttura terziaria. Il risultante complesso Ca2+/calmodulina può legarsi a numerose proteine bersaglio, regolandone l'attività. [Parte B cortesemente concessa da Y.S. Babu e W.J. Cook; parti A e C adattate da Lodish et al., 1995.]

Regolazione operata dal complesso Ca2+-calmodulina

Ca2+-ATPAsi

Fosfodiesterasi

Fosforilasi chinasi (FosCh)

Chinasi calmodulina dipendente III (CaMKIII)Del fattore eucariotico di allungamento II

Adenilato-ciclasi

La CaM II fosforilaSinapsina I nel tessuto nervoso

Guanilato ciclasi

Fosforilazione proteine nucleari eDella membrana

Fosforilazione proteine del citoscheletro( Disassemblaggio dei Microtubuli)

Chinasi che fosforila catena leggera della miosina (MLCK)

CaM chinasi multifunzionaliIa, Ib, II e IV

CaM chinasi specifiche

Fosfolipasi

Attivazione della chinasi CaM II

L'attivazione della chinasi CaM II può servire da traccia di memoria di un precedente impulso di Ca2+ a causa della proprietà di autofosforilazione

La chinasi CaM II é un esempio di chinasi CaM multifunzionale.

Attiva la tirosina idrossilasi e di conseguenza la sintesi di catecolammine

Fosforila la sinapsina I attivando l’esocitosi dei neurotrasmettitori

Un esempio classico é la fosforilasi chinasi del muscolo scheletrico che può essere attivata sia dal complesso calcio-calmodulina che dalla protein chinasi A

A) Il calcio attiva la contrazione muscolare, libera le risorse enegetiche necessarie (glucosio da glicogeno) sia:

1) attivando la fosforilasi chinasi 2)inibendo la glicogeno sintasi (mediante fosforilazione da parte della chinasi CaM);

B) L’AMPc, indotto da adrenalina, attiva la PKA che fosforila la fosforilasi chinasi Ciò prepara la cellula muscolare ad una accresciuta domanda di energia, sensibilizzando la fosforilasi chinasi a basse concentrazioni di calcio.

La via dell'AMP ciclico e del Ca2+ interagiscono

PKA Ca2+

Ruolo del diacilglicerolo

Dà origine ad acido arachidonico, che agisce a sua volta come messaggero essendo usato nella sintesi degli eicosanoidi;

Attiva la protein chinasi C

la protein chinasi C (PKC) dipende dal calcio; quando attivata da diacilglicerolo fosforila residui di serina e treonina; la concentrazione piu alte di protein chinasi C si trova nel cervello, dove fosforila canali ionici alterando l'eccitabilità della membrana plasmatica; può attivare trascrizione genica secondo due vie

Recettori guanilico ciclasi

Utilizzati dai peptidi natriuretici atriali, i quali determinano stimolazione del rene ad eliminare acqua e sali e rilassamento dei vasi sanguigni. I recettori guanilico ciclasi mediano il loro effetto, producendo direttamente GMPc che si lega ad una protein chinasi G, attivandola, che fosforila proteine specifiche a livello dei residui di serina e treonina.

Segnalazione tramite recettori di superficie collegati ad enzimi.

1) Recettori guanilico ciclasi (produzione di GMPc);2) recettori tirosina-chinasici;3) recettori associati a tirosina-chinasi;4) recettori tirosina fosfatasi;5) recettori serina/treonina chinasi;

I recettori per l'insulina sono già in forma tetramerica e di conseguenza il legame dell'ormone al suo sito provoca interazione allosterica fra le due metà del recettore che induce l'autofosfilazione del recettore, che si attiva e i suoi domini catalitici fosforilano una proteina chiamata IRS-1 (substrato 1 del recettore dell'insulina)

Recettori tirosina-chinasici

EGF = Epidermal growth factorIGF-1 = insulin-like growth factorNGF = nerve growth factorPDGF = piastrine derived growth factorM-CSF = factor stimulating Colonie - macrophagesFGF = fibroblast i growth factorVEGF = vasculare endothelium growth factor

Il legame di un ormone induce dimerizzazione e autofosforilazione dei recettori che in tal modo si attivano

1) proteina che attiva la GTPasi (GAP);

2) fosfolipasi C-gamma (PLC-gamma);

3) fosfatidilinositolo 3‘ chinasi (PI3-chinasi)

I residui di tirosina fosforilata sono riconosciuti da proteine con domini SH2

Le proteine Ras forniscono il collegamento nelle cascate di reazioni intracellulari attivate dai recettori tirosina-chinasi.

Le proteine Ras sono GTPasi monomeriche e possono essere regolata da GTPasi (GAP) che tende a inibirle o da proteine rilascianti GDP le GNRP he tendono ad attivare Ras.

Le MAP-chinasi attivate possono migrare nel nucleo e fosforilare ElK-1 attivandolo alla trascrizione del gene fos ; MAP può fosforilare la proteina Jun che si combina con la proteina fos a formare la proteina regolatrice AP-1 che può attivare numerosi altri geni; anche la chinasi C può fosforilare Jun o attivare MAP chinasi chinasi chinasi

Ras attiva una cascata di fosforilazioni in serina/treonina che attiva la MAP-chinasi

 Recettori associati a tirosina chinasi

 Comprendono recettori per l'ormone della crescita e prolattina; funzionano tramite tirosina chinasi associate che fosforilano varie proteine bersaglio quando il recettore lega il suo ligando Le chinasi coinvolte con questi recettori sono: SRC e JANUS.

Figura 5-14 I recettori per l'ormone della crescita (GH), la prolattina e alcuni altri ligandi non possiedono attività tirosina chinasica intrinseca. Il recettore per l'ormone della crescita si dimerizza in seguito al legame di GH, lega una o più tirosina chinasi di tipo JAK che fosforila se stessa e il recettore. Le tirosina chinasi di tipo STAT si legano al complesso e vengono quindi fosforilate. La forma fosforilata di STAT si dissocia sotto forma di dirneri, che vengono successivamente trasportati al nucleo, dove determinano la fosforilazione di fondamentali fattori di trascrizione. JAK, chinasi specifiche per la tirosina di tipo Janus; STAT, trasduttori del segnale e attivatori della trascrizione.

Protein chinasi

• Alcune risposte cellulari sono graduate in maniera semplicemente proporzionale alla concentrazione del ligando (risposta primaria ad ormoni steroidei);• In altri casi la risposta cellulare é piu complessa, man mano che aumenta il numero di molecole effettrici che deve legarsi simultaneamente per attivare un molecola bersaglio.

Risposta ai segnali extracellulari

Adattamento della cellula bersaglio Quando la cellula bersaglio é sottoposta ad uno stimolo per un periodo prolungato, la sua capacità di risposta diminuisce (processo di adattamento e sensibilizzazione). Adattamento lentoGli ormoni proteici una volta legati ai loro recettori vengono internalizzati con i loro recettori mediante un meccanismo di endocitosi e poi sottoposti a degradazione lisosomiale, mentre i recettori riciclano; a volte anche i recettori sono degradati e questo comporta una diminuzione nel tempo se essi sono sottoposti a continua esposizione del ligando (down regulation)  Adattamento rapido comporta fosforilazione del recettore  Trasporto degli ormoni e loro eliminazione

  (mg/min) rimossi ml depurati VCM = ----------------- = ----------- = clearance metabolica mg/ml di plasma minuti 

Recettori muscarinici dell'acetilcolina mediante attivazione di proteine Gi (inibitrici) che possono:1) inibire l'adenilato ciclasi;2) promuovere direttamente l'apertura dei canali del K+ sulla membrana delle cellule muscolari cardiache, rendendo piu difficile la depolarizzazione della cellula e contribuendo all'effetto inibitorio dell'acetilcolina sul cuore; Alcuni recettori fanno diminuire l'AMPc inibendo l'adenilato ciclasi tramite una proteina G trimerica inibitrice

Alcune proteine G regolano direttamente canali ionici