Trasduzione del segnale

TRASDUZIONE DEL SEGNALE

La trasduzione del segnale è il modo in cui alcune molecole vengono lette da altre per determinare una risposta in una cellula. Si parla di trasduzione perché si converte un segnale in un altro, nelle cellule l'arrivo di un segnale induce una risposta che può essere diversa a seconda del tipo di segnale e cellulare.

I segnali possono arrivare da lontano o da vicino.

Gli ormoni sono molecole segnale presenti in basse concentrazioni e in grado di dare origine a una risposta. Una concentrazione minima è nell'ordine del nanoM e picoM, in alcuni casi si arriva anche nel fentonM (10^-15). Ci sono metodiche come il RIA che permettono di rilevare concentrazioni nanoM e picoM.

Gli ormoni sono in grado di agire su organi bersaglio lontani dal sito in cui vengono prodotti. Questo perché gli ormoni vengono rilasciati nel sangue attraverso il quale raggiungente il sito bersaglio.  È importante che gli ormoni siano stabili, avere un'emivita che permette il raggiungimento del sito bersaglio e deve poter navigare in un mezzo acquoso come il sangue.

Oltre a questo meccanismo ci sono altri tipi di segnaletica:

s. paracrina, la molecola prodotta non è molto stabile. La molecola segnale agisce nelle vicinanze della cellula secernente

s. autocrina, la molecola prodotta agisce sulla stessa cellula secernente. Processo regolato.

In un organo superiore c'è una gerarchia di segnali. Nel nostro corpo si parte dalla testa per arrivare al ventre. Il punto importante è che bisogna rispondere a segnali ambientali, il cervello rielabora i segnali e in base a questi genera una risposta.

Asse ipotalamo-ipofisi

L'ipotalamo manda dei segnali ad una piccola ghiandola, l'ipofisi.

L'ipofisi è costituita da due porzioni: adenoipofisi e neuroipofisi. L'adenoipofisi riceve segnali dal sangue e secerne ormoni. La neuroipofisi è innervata dagli assoni dell'ipotalamo, trasporta i segnali in modo diretto.

Dall'ipofisi si passa ad organi più periferici: la tiroide, le ghiandole surrenali, organi sessuali e la midollare. Questi organi periferici ricevono segnali ed inviano risposte.

L'ipotalamo è un integratore che riceve segnali e manda delle risposte. L'ipotalamo rilascia fattori di rilascio (RF) ch rappresentano il primo livello di risposta. L'ipofisi stimolata da RF secerne tropine, piccole molecole segnale di natura proteica che vanno ad agire su organi bersaglio specifici. Esempio: corticotropina corteccia surrenale, tireotropina tiroide, FSH/LH ovaie, testicoli

I bersagli secondari emettono ormoni specifici.

Ovaio e testicolo producono P4, E2, testosterone che vanno agli organi riproduttivi.

La corteccia surrenale produce corticosteroidi che vanno su diversi bersagli (reni, sistema immunitario.).

La tiroide rilascia ormoni T3 e T4 (AA+iodio) che vanno al fegato e muscoli. Regolano il metabolismo basale, quando è alto i mitocondri sono disaccoppiati e dissipano calore.

Metabolismo basale: consumo di ossigeno a riposo. Gli H+ entrano da altri pori oltre che dall'ATPasi, quindi si usano molti nutrienti e si produce poco ATP.

Dall'ipotalamo al bersaglio finale ci vuole tempo perché bisogna produrre ormoni che entrano nel sangue, questo permette il mantenimento delle condizioni normali. Se c'è bisogno di una diversa tempistica la situazione cambia, si usano altri meccanismi.

Esempio: adrenalina segnale di pericolo nel SNC. La corteccia invia il segnale immediatamente a fegato, cuore, muscolo.

Gli ormoni e i segnali molecolari possono essere divisi in:

Ormoni amminoacidici

Ormoni peptidici e proteici

Ormoni steroidei

Eicosanoidi

Gli ormoni amminoacidici sono costituiti da un solo AA. Comprendono adrenalina, tetraiodiotiromina che deriva da Phe e Tyr che si uniscono. Gli ormoni amminoacidi  ormoni idrosolubili e possono agire sui recettori presenti sulla superficie cellulare. Ma, gli ormoni tiroidei hanno due anelli aromatici vicini che conferisocno idrofobicità, quindi a differenza dell'adrenalina sono liposolubili e agiscono nella cellula a livello del nucleo. Inoltre, gli ormoni liposolubili agiscono lentamente e per lungo tempo mentre gli ormoni idrosolubili agiscono velocemente e per breve tempo.

Gli ormoni peptidici e proteici sono RF, FSH, LH, Insulina e Glucagone. L'insulina ha due catene. Gli ormoni proteici sono molto abbondanti e sono tutti idrosolubili, quindi sia RF che le tropine agiscono a livello di recettori di membrana.

Gli ormoni steroidei derivano dal colesterolo, sono idrofobici. Sono androgeni, estrogeni, progestinici, vitamina D, glucocorticoidi e mineral-glucocorticoidi.

Gli eicosanoidi non sono ormoni veri ma molecole ormone-simili. Sono molecole instabili, non agiscono a distanza. Derivano dall'a.arachidonico (eicosanoico, 20 C e 4 doppi legami). Sono ormoni a corto raggio, agiscono in modo paracrino. Di questo gruppo fanno parte: PGD, lipossine, prostacicline e leucotrieni. Le COXs formano i prostanoidi, derivati ciclici dell'a.arachidonico. Le LOXs introducono O2, non ciclizza l'a.arachidonico ma determina la formazione di derivati lineari.

I fosfolipidi PAF, è un plasmalogeno, un etere attivo. La presenza di questa molecola è molto rara nel nostro organismo.

Le citochine e i GF sono segnali proteici che indicano cosa fare e quando alle cellule. Le citochine regolano diverse funzioni, come la risposta immunitaria.

Ad esempio NGF fa crescere le cellule nervose.

il sistema nervoso è perenne! Una volta che è entrato in G_o non si riprende la proliferazione cellulare. Modificare questo processo potrebbe essere utile per curare patologie neurodegenerative.

MECCANISMO D'AZIONE DEGLI ORMONI STEROIDEI

Gli ormoni liposolubili attraversano il doppio strato fosfolipidico, quindi non agiscono sui recettori di membrana ma su recettori citoplasmatici.

Gli eicosanoidi hanno una testa polare ma non sono abbastanza solubili per attraversare la membrana, quindi devono essere usate proteine G e/o appositi trasportatori. Il passaggio è reso meno facile dalla presenza di un gruppo carbossile, si può avere una diffusione molto lenta.

Gli ormoni liposolubili entrano nella cellula e trovano trasportatori/recettori a cui si legano. Nel circolo sanguigno sono trasportati da carrier come la BSA. Nel citosol l'ormone lega il recettore che subisce una modificazione conformazionale e trasloca nel nucleo; nel nucleo il complesso recettore-ormone si lega al DNA a livello di specifici siti di legame (HRE). Il legame del complesso a livello del sito HRE modifica la trascrizione genica, cambia l'affinità dell'RNA polimerasi per il promotore. Quindi viene stimolata la sintesi di mRNA.

Questo processo è lento e la risposta che si viene ad avere è prolungata.

Gli ormoni steroidei e tiroidei agiscono in questo modo,

I recettori nucleari hanno un dominio di legame per il DNA e un dominio di legame per l'ormone. Il recettore lega l'ormone, arriva al DNA e si lega al DNA. I domini che legano il DNA non sono molti: motivo elica-giro-elica, proteine a dita di Zn (Hys-Cys-Cys stabilizzate da Zn), cerniere di leucina.

Nel caso del DNA B le proteine interagiscono con il solco maggiore.

Se sulla proteina c'è un elemento che lega il DNA, su di esso ci sono sequenze consenso e nel caso degli HRE sono sequenze note (ERE, estrogeni; GRE, glucocorticoidi, DRE, vitamina D).

Oltre a modificare l'espressione di una proteina si possono indurre modificazioni post-traduzionali. Quelle covalenti sono a lunga durata e più rilevanti.

Modificazioni covalenti reversibili: ADP-ribosilazione, acetilazione, mutilazione, fosforilazione. Modificazioni covalenti irreversibili: proteolisi limitata.

La degradazione delle proteine e dell'mRNA è molto importante.

Attività regolata dalle modificazione covalenti e non covalenti.

Numero molecole modificato da sintesi e degradazione.

La più importante modificazione covalente è la fosforilazione che si ha ad opera dell'enzima Chinasi che trasferiscono un gruppo P da ATP alla proteina.

Ci sono diversi tipi di Chinasi:

tirosin chinasi (P sulla tirosina)

serina-treonina chinasi (P su serina o treonina)

Le fosfatasi catalizzano il processo inverso, cioè defosforilano una proteina.

Per i segnali mediati da recettori di membrana si possono avere:

- Oligomeri (es. GABA, neurotrasmettitore)

- Proteine con 7 domini transmembrana, recettori a serpentina legati a proteine G (usati dagli eicosanoidi)

- Un dominio idrofobico, recettori tyr-chinasici

Tutti gli ormoni idrosolubili e gli eicosanoidi legano recettori a serpentina associati a proteine G (GPCR).

I recettori GPCR presentano il terminale N fuori e quello C dentro.

L'ormone lega il recettore che attiva una proteina G. le proteine G sono trimeriche (α, β, γ) e necessitano del GTP per funzionare. A seconda della proteina G che è legata al recettore avremo una risposta. Se il recettore è legato alla subunità α_s, viene attivata l'adenilato ciclasi o i canali del calcio. Se il recettore è legato alla subunità αi viene inibita l'adenilato ciclasi. Se il recettore è legato alla subunità αq viene attivata la fosfolipasi C.

Quindi, il ligando lega il recettore che attiva la proteina G (GDP GTP), la subunità α si dissocia dalle altre due βγ e determina l'attivazione o l'inibizione di un enzima (adenilato ciclasi, fosfolipasi C).

Il GTP non serve per dare energia ma per permettere una modificazione conformazionale nella proteina G.

Recettore adrenergici, legano l'adrenalina e attivano o inibiscono l'adenilato ciclasi.

La fosfolipasi C taglia i fosfolipidi liberando DAG e IP3, che sono secondi messaggeri che determinano un incremento di calcio intracellulare.  DAG e IP3 attivano la PKC che è calcio dipendente (il calcio si lega alla calmodulina)

Le fosfolipasi A2 sono le più importanti perché liberano l'acido arachidonico che è legato a livello del C2 del fosfolipide.

Ci sono anche fosfolipasi A1 e D.

L'adenilato ciclasi determina un incremento di cAMP che lega PKA sulla subunità regolatrice. La subunità catalitica della PKA trasloca nel nucleo dove fosforila proteine  CREB che legano CRE (elemento sul DNA). Quindi, anche l'cAMP regola l'espressione genica e modula le PKA rimuovendo un inibitore.

cGMP è un importante vasodilatatore che agisce grazie all'ossido nitrico, un ormone gassoso. L'ossido nitrico viene prodotto a partire dall'arginina grazie all'enzima NOS che attiva la guanilato ciclasi.

Prostanoidi e eicosanoidi usano recettori associati a proteine G.

Recettori per GF, recettori Tyr chinasici. Sono dimeri. Il legame con il ligando determina l'associazione del dimero e quindi viene esposto il sito delle tyr chinasi, ciò determina autofosforilazione. A questo punto è possibile il legame di proteine con un dominio SH (Src Homology) e continua il processo di trasduzione.

Una via molto importante è la via di Ras. Questa via ha come perno la proteina Ras, che è una proteina GTP dipendente con ancora lipidica (farnesile), non trimerica.

Recettori di membrana:

a serpentina associati a proteine G

tirosin chinasici

i recettori Tyr-chinasici sono proteine dimeriche di membrana che presentano due subunità che si associano dopo il legame del ligando.

Il legame del ligando determina modificazioni conformazionali che determinano:

attività del sito con attività Tyr chinasica

autofosforilazione

legame di proteine con dominio SH che riconoscono il recettore fosforilato

segnali intracellulari di risposta

VIA DI RAS

La proteina RAS è una proteina di membrana GTP dipendente con ancora lipidica (la su apresenza è fondamentale per il funzionamento di Ras).

L'attivazione di Ras determina una cascata di fosforilazioni, in questo caso si ha serina-treonina fosforilasi. Attvata Ras si ha una gerarchia per cui ogni chinasi fosforila la chinasi successiva fino alla fosforilazione di fattori di trascrizione che  a livello del nucleo attivano la trascrizione genica catalizzata da RNA polimerasi.

Questo meccanismo a cascata amplifica fortemente il segnale iniziale, questo spiega perché sono sufficienti concentrazioni picoM di molecola segnale.

Insulina

Il recettore Tyr-chinasico è un dimero associato in modo covalente da legami disolfuro, presenta diversi siti di autofosforilazione.

L'insulina si lega al recettore e regola diversi processi, quindi ha un'azione pleiotropica.

VIA JAK-STAT

Via più rapida di quella di RAS.

JAK è una chinasi attivata dal recettore in seguito al legame del ligando.

STAT è un trasduttore di segnali ed attivatore di trascrizione, quindi attiva l'RNA polimerasi a livello del DNA.

NF-kB

NF-kB:

è costituito da due proteine (p50 e p65) ed è generalmente inibita da IkB che le sequestra

regola i processi infiammatori.

Recettore + ligando (interleuchina, citochina, TNF.)

chinasi fosforila IkB

IkB rilascia NFkB

NFkB trasloca nel nucleo dove lega sequenze specifiche

sintesi di citochine

sintesi di enzimi dell'arachidonato come COXs e LOXs

quindi sintesi prodotti infiammatori