I segnali cellula-cellula: ormoni e recettori
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
differenti meccanismi intracellulari.
da
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.)
Forme di segnalazione
Segnalazione endocrina e sinaptica a confronto
Caratteristiche comuni:
1) Secrezione nel torrente circolatorio
2) Genesi di potenziali elettrici e
depolarizzazione
3) Peptidi prodotti da cellule endocrine
possono agire da neurotrasmettitori
4) 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.
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
Ormoni steroidei.
Precursore comune rappresentato dal colesterolo; ormoni secreti dalle ghiandole della riproduzione; corticosurrenalici; metaboliti attivi della vitamina D.
Progesterone
Ovaio, corpo luteo;
placenta
Estradiolo
Ovaio, placenta
Testosterone
Testicolo
Cortisolo
Differenziamento dell'utero in preparazione all'impianto del
embrione; mantenimento delle prime fasi della gravidanza,
sviluppo del sistema alveolare delle ghiandole mammarie
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
Maturazione e normale funzionamento degli organi sessuali
accessori maschili; sviluppo delle caratteristiche sessuali maschili
Effetto sul metabolismo dei carboidrati, dei lipidi e delle proteine;
riduzione dell'infiammazione e delle risposte immunitarie; aumento
delle risposte fisiologiche globali allo stress
Corteccia surrenale
Aldosterone
Mantenimento del bilancio idrico e ionico; riassorbimento degli
ioni da parte delle cellule epiteliali del rene
Amine
ormone tiroideo, catecolamine (adrenalina, noradrenalina); precursore comune tirosina.
Tetraiodiotironina (T4)
Aumentata produzione di calore;
mantenimento del metabolismo del glucosio
e di altri «carburanti»; ampi effetti
sull'espressione genica e sull'induzione di
sintesi enzimatiche
Tiroide
Triidiotironina (T3)
Epinefrina
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
Midolla surrenale
Norepinefrina
Mastociti
Istamina
Contrazione delle arteriole; diminuzione della
circolazione periferica.
Dilatazione dei piccoli vasi sanguigni
Prostaglandine; derivati
ac. arachidonico
> Parte del corpo
Contrazione del muscolo liscio
Proteine e peptidi
Glucagone
Peptide,
Insulina
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
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 peptidi
Vasopressina
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
Fattori di crescita e differenziamento
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
2 catene identiche
di 118 aacidi
Tutti i tessuti innervati
da neuroni simpatici
Crescita e differenziamento dei neuroni sensori e simpatici
Fattore di crescita
insulino-simile 1 (IGF-1)
Polipeptide, 70
aacidi
Fegato ed altre cellule
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
Regolazione livelli ormonali
Sintesi, liberazione e degradazione degli ormoni
sono soggetti a regolazione
I livelli ormonali sono regolati da complessi
circuiti di feedback
Meccanismo di azione degli ormoni
I modello: ormoni steroidei, tiroidei,
acido retinoico
II modello: ormoni proteici e catecolammine
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 ormonerecettore. 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.
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
1) Meccanismo di azione ormoni steroidei e tiroidei: Superfamiglia
dei recettori intracellulari
2) Meccanismo di azione ormoni steroidei e tiroidei: Elementi di risposta
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
I recettori degli ormoni
steroidei posseggono regioni
a dita di zinco con cui si
legano al DNA
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.)
Regolazione della trascrizione genica
,
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
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
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 proteinachinasica; 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.
Secondi messaggeri
Non tutti i recettori di superficie
utilizzano il secondo messaggero
intracellulare
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.)
Recettore a sette eliche
Le diverse vie di secondo messaggero
hanno molte caratteristiche comuni
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
Attivazione dell’adenilato ciclasi
.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 GTP
a GDP.
La proteina G passa reversibilmente da una
forma attiva a una quiescente e viceversa.
Esistono proteine G attivatrici ed inibitrici
Figura 19.16 Diverse proteine G
mediano l'attivazione e
l'inibizione dell'adenilato ciclasi.
Numerosi complessi ormonerecettore 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 ormonerecettore 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.
Proteine G
Monomeriche
Eterotrimeriche
Sottoclassi
Effetti cellulari
AMPc
Proteine Ras
simil
Controllo della crescita e della
differenziazione
Canali del
Ca++
> Ingresso diCa++
Proteine Rho
simili (incluse
le Rac)
Controllo della polimerizzazione dei
filamenti di actina e del loro assemblaggio
in strutture specifiche come le adesioni focali
Golf
Molecole
odoranti
Adenilato
ciclasi
> AMPc (olfatto )
Proteine Rab
simili
Controllo del movimento delle vescicole
(mediante specificazione delle membrane
bersaglio)
Gtl
Fotoni,
Fosfodiesteras
i del GMPc
< GMPc (visione)
Proteine
ARFsimili
Gt2 (coni)
Fotoni
Fosfodiesteras
i del GMPc
< GMPc (visione dei
colori)
Regolazione dell'assemblaggio e del
disassemblaggio delle proteine di
rivestimento delle vescicole (e, pertanto, del
movimento delle vescicole)
Gil
Gi2
Gi3
Noradrenalina,
prostaglandine,
oppiati
angiotensina,
numerosi
peptidi
Adenilato
ciclasi
Fosfolipasi C
< AMPc
Fosfolipasi A2
Liberazione di
arachedonato
Proteina G
Attivata dai
recettori per
Effettori
Vie di
segnalazione
GS
Catecolammine
istarnina,
glucagone,
ACTH, LH,
FSH, TSH etc.
Adenilato
ciclasi
(bastoncelli)
IP3, diacilglicerolo,
Ca++
Canali del K+
Gq
Acetilcolina,
adrenalina
Fosfolipasi C
Polarizzazione della
membrana
IP3, diacilglicerolo,
Ca++
Modificata da Bourne HR, Sanders DA, McConnick F: Nature 348:125, 1990
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 19.22 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 cAMPdipendente 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 1fosfato, 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
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.)
Minore quantità di glucosio disponibile
Amplificazione del segnale
10-10 M
10-6 M
10-4 M
10-2 M
Una delle
funzioni della
cascata di
chinasi è
l’amplificazione
Sistema del fosfatidilinositolo, Ca2+ e 1,2 diacilglicerolo
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)
Meccanismo d’azione dell’IP3
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
Il calcio come messaggero intracellulare
Sistema di controllo del calcio citosolico
Vie di entrata del Ca2+ in risposta a segnali
Alcuni esempi
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
Le variazioni di calcio intracellulare si possono visualizzare
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 Ca 2+ 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 Ca 2+ 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.
Nelle cellule di grandi dimensioni si possono
distinguere differenze nella concentrazione di
calcio in regioni specifiche del citosol
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.]
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;
Regolazione operata dal complesso Ca2+-calmodulina
Chinasi calmodulina dipendente III (CaMKIII)
Del fattore eucariotico di allungamento II
Chinasi che fosforila catena leggera
della miosina (MLCK)
Fosforilasi chinasi (FosCh)
CaM chinasi specifiche
Adenilato-ciclasi
Ca2+-ATPAsi
Guanilato ciclasi
Fosfolipasi
Fosfodiesterasi
CaM chinasi multifunzionali
Ia, Ib, II e IV
La CaM II fosforila
Sinapsina I nel tessuto nervoso
Fosforilazione proteine nucleari e
Della membrana
Fosforilazione proteine del citoscheletro
( Disassemblaggio dei Microtubuli)
Attivazione della chinasi CaM II
La chinasi CaM II
é un esempio di
chinasi CaM
multifunzionale.
Fosforila la sinapsina I attivando
l’esocitosi dei neurotrasmettitori
Attiva la tirosina idrossilasi e di
conseguenza la sintesi di catecolammine
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 via dell'AMP ciclico e del Ca2+ interagiscono
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.
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
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;
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.
Recettori tirosina-chinasici
Il legame di un
ormone induce
dimerizzazione e
autofosforilazione
dei recettori che in
tal modo si
attivano
EGF = Epidermal growth factor
IGF-1 = insulin-like growth factor
NGF = nerve growth factor
PDGF = piastrine derived growth factor
M-CSF = factor stimulating Colonie - macrophages
FGF = fibroblast i growth factor
VEGF = vasculare endothelium growth factor
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)
I residui di tirosina fosforilata sono riconosciuti da proteine con domini SH2
1)
proteina che attiva la
GTPasi (GAP);
2) fosfolipasi C-gamma
(PLC-gamma);
3) fosfatidilinositolo 3‘
chinasi (PI3-chinasi)
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.
Ras attiva una cascata di fosforilazioni in serina/treonina che attiva la MAP-chinasi
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
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
Risposta ai segnali extracellulari
• 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.
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 lento
Gli 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
Alcune proteine G regolano direttamente canali ionici
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