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Nessuna cellula vive isolata.

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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.

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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 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 dicalcio (Ca) attraverso un campo di astrociti. Quandocolture confluenti di astrocitiippocampali sono stimolate dal neurotrasmettitore glutammato, ne risulta tra l\'altro unaumento delCa liberocitoplasmatico, aumento che ha andamento oscillatorio; infatti puòprendere la forma di onde di incremento di Ca che si propagano tra lecellule a 20m/s. Icambiamenti della concentrazione di Ca, misurati conl\'indicatore di fluorescenza fluo-3, sono campionati a intervalli di 4 s. Learee che superano un determinato valore-soglia di incremento in un datotempo assumono un dato colore convenzionalf!, che si sovrapponeall\'immagine data dallafluorescenzacitoplasmatica 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 sinistradel centro, siallarga verso ilcentro del campo in un\'area azzurra e poi siirradia verso l\'alto attraverso archi verdi, giallo, arancio e rosso. (Per gentileconcessione di Steohen Smith.)

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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

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Recettori specifici mediano la risposta a segnali extracellulari

Figura 19.2 Alcuni ormoni si legano a recettori di superficie, altri arecettori all\'internodella cellula. (a) Recettori di superficie. Gli ormonipeptidici e proteici, leprostaglandine, gli amminoacidi, l\'epinefrina e i composti simili a essi si legano airecettori posti sulla superficie dellecellule, determinando un aumento o una diminuzione della concentrazionecitosolica di AMPc, di Ca2+, di 1,2-diacilglicerolo, o di qualchealtrosecondo messaggero.

(b) Recettori citosolici o nucleari. Gli steroidi, latiroxina el\'acido retinoico, di natura molto idrofobica, sono trasportatida proteine ematiche.Dissociati dal trasportatore, gli ormoni penetranonella cellula, si legano a recettorispecifici nel citosol o nel nucleo eagiscono 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

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Ormoni steroidei.

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

Progesterone

Differenziamento dell\'uteroin preparazione all\'impianto delembrione; mantenimento delle prime fasi dellagravidanza, sviluppo del sistema alveolare delle ghiandole mammarie

Ovaio, corpo luteo;

placenta

Differenziamento dell\'uteroe di altri organi sessualifemminili; mantenimentodei caratteri sessuali secondari della femmina e dellenormali funzioni ciclichedegli organi sessuali accessori; sviluppo del sistemaduttale delle ghiandole mammarie

Estradiolo

Ovaio, placenta

Testosterone

Maturazione e normalefunzionamento degli organisessuali accessori maschili;sviluppo delle caratteristiche sessuali maschili

Testicolo

Cortisolo

Effetto sul metabolismo deicarboidrati, deilipidi e delleproteine; riduzionedell\'infiammazione e delle risposteimmunitarie; aumentodelle rispostefisiologicheglobali allo stress

Corteccia surrenale

Aldosterone

Mantenimento del bilancioidrico e ionico; riassorbimento degli ioni da partedelle cellule epiteliali del rene

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Amine

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

Tetraiodiotironina (T4)

Aumentata produzione dicalore; mantenimento delmetabolismo del glucosio edi altri «carburanti»; ampieffetti sull\'espressione genica e sull\'induzione di sintesienzimatiche

Tiroide

Triidiotironina (T3)

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

Epinefrina

Midolla surrenale

Norepinefrina

Contrazione delle arteriole; diminuzione della circolazioneperiferica.

Mastociti

Istamina

Dilatazione dei piccoli vasi sanguigni

Prostaglandine; derivati ac. arachidonico

Contrazione del muscolo liscio

> Parte del corpo

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Proteine e peptidi

Fattori di crescita e differenziamento

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Regolazione livelli ormonali

Sintesi, liberazione e degradazione degli ormoni sono soggetti a regolazione

I livelli ormonali sono regolati da complessi circuiti di feedback

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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 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.

Gli ormoni idrosolubili interagiscono con recettori della superficie cellulare con effetti immediati.

I fattori di crescita peptidici inducono variazioni espressione genica

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

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1) Meccanismo di azione ormoni steroidei e tiroidei: Superfamiglia

dei recettori intracellulari

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

Figura 11.30 Legame del recettore per il glucocorticoide alle sequenzedel promotoredel virus per il tumore mammario di topo (MMTV). (a)Disegno della regione delgenoma dell\'MMTV che contiene i siti dilegame per il recettore del glucocorticoide eil sito di inizio (+ 1) per la sintesi di RNA dipendente dall\'ormone. (b) Fotografia al microscopioelettronico dei complessi formati dal recettore per i glucocorticoidi e l’ormone e legati al DNA schematizzato in (a). Il recettore, una proteina, formaprobabilmente dei tetrameri. (c) Footprint dopo trattamento conDNasi della regionedel promotore del genoma deII\'MMTV, in presenza ein assenza del recettore per i glucocorticoidi, che protegge quattroregioni (barrette rosse) dalla digestione con DNasi. Nelle corsie da 2 a 5sono presenti concentrazioni crescenti di recettore per i glucocorticoidi,che non sono presenti nella corsia 1. I numeri indicano le posizioni deinucleotidi 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 dominiripetutidel TFIIIA, risultante dal legame di coordinazione delle cisteine(C)e delleistidine (H) invarianti con uno ione di zinco (Zn). La figura mostrasolo leprime due delle nove anse possibili. I numeri a fianco dei codici asingola lettera per gli amminoacidi indicano le distanze innumero diresidui amminoacidici (Figura 11.12). I pallini neri indicano le catenelateraliche con maggior probabilità sono impegnate in legami con ilDNA. In ogni ansa sitrovano sempre una leucina (L) invariante e unatirosina (y) o una fenilalanina (F).(Adattata da l. Miller, A.D. McLachlan, 1985, EMBO J.)

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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

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Meccanismo d’azione degli ormoni idrosolubili: recettori di superficie

Figura 19.3 Tipi di recettori di superficie. (a) Canali ionici attivati dalcalcio. Il ligando induce nel recettore, associandosi a esso, una variazione conformazionale, che apre nella proteina stessa un canale ionicospecifico. Ne consegue un flusso di ioni, che altera la differenza dipotenziale elettrico tra i due lati della membrana. (b) Proteina chinasiattivata dalligando. La formazione del legame recettore-ligando induceun\'attività proteina-chinasica; il recettore fosforila una proteina substrato e, così facendo, ne altera l\' attività. (c) Proteina fosfatasi di residuitirosinici attivata dalligando. IIligando induce nel recettore l\'attivazionedi un\'attività fosfatasica, che rimuove un residuo fosforico legato a unatiroxina di una proteina substrato. L\'attività di tale proteina ne è diconseguenza alterata. (d) Guanilato ciclasi attivata dalligando. Questo,legandosi,attiva la sintesi nel citosol del secondo messaggero GMP 3\',5‘ciclico a partire da GTP. (e) Attivazione indotta dal ligando di unaproteina G egenerazione di un secondo messaggero. Il legame delligando attiva una proteina G che si lega, attivandolo, a un enzima, chegenera un secondo messaggero intracellulare specifico.

Secondi messaggeri

Non tutti i recettori di superficie utilizzano il secondo messaggero intracellulare

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Recettori di superficie accoppiati a proteine G

Figura 14-2 Schema generale delle vie di secondo messaggero. Finora sono state identificate soltanto alcune delle vieattraverso le quali puòaver luogo la trasduzione dei segnali.Le tre vie rappresentate nella figura comportano una seriedi passaggi analoghi (a sinistra). Gli ormoni entrano in contatto con molecole recettrici della membrana plasmatica ed attivano una famiglia di proteine trasduttricistrettamente imparentate fra loro e capaci di attivare enzimiche fungono da effettori primari. Questi enzimi danno origine alla formazione di un secondo messaggero, che può attivare un effettore secondario o agire direttamente su proteinebersaglio (regolatrici). La prima delle vierappresentatedà origine al secondo messaggero AMPc che viene prodottodall\'adenil-ciclasi attivata da una proteina-G (il nome dipende dal fatto che queste proteine sono attive soltantoin presenza di guanosin trifosfato (GTP). La proteina-G rappresentata viene detta G, in quantostimola la ciclasi. Alcunirecettori attivano un\'altra proteina, Gi, che inibisce la ciclasi.La seconda via è attivata da un recettore muscarinico perl\' 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 sistemarappresentato attiva unacascata di reazioni enzimatiche che modificano l\'acido arachidonico attraverso la fosfolipasi A2 (PLA2). Treimportantienzimi 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 catenapolipeptidica cheattraversano la membrana a tutto spessore. La struttura del recettore 1-adrenergico è analoga a quella del recettore 2-adrenergico, del recettore muscarinicoper l\' ACh e della rodopsina. Una caratteristica strutturaleimportante 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 recettore colorata in marrone è quella con cui prende rapportola proteina-G. I due residui di serina, raffigurati in nero indicano i siti dove avviene la fosforilazione. (Modificata,da Frielle ecollaboratori, 1989.)

Recettore a sette eliche

Le diverse vie di secondo messaggero hanno molte caratteristiche comuni

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Sistema dell’AMPciclico

AMPc

;

Sintesi e degradazione dell’AMPc

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Attivazione dell’adenilato ciclasi

.Figura 19.14 L\'attivazione dell\'adenilato ciclasi operata dal legame di unormone al suo recettore. Il tratto di membrana cellulare disegnato contiene dueproteine transmembrana, un recettore proteico per un ormone (R ) , l\'adenilato ciclasi (C) e, sul versante citosolico, la proteina di trasduzione Gs . Allo stato diriposo, GS., subunità di Gs, è associata a GDP. Quando unormone si lega aesso, R subisce una variazione conformazionale (fase 1). R,allo stato attivato, si lega a Gs (fase 2). Questo attiva GS che rilascia GDP elega 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 inizia catalizzare laformazione di cAMP a partire da ATP (fase 4); questopassaggio può comportare una variazione conformazionale di G. Ache il GTP vieneidrolizzato a GDP, reazione che con ogni probabilità ècatalizzata dalla stessa GS  . GS perde la capacità di attivare C (fase 5) e C eGS  e G,siriassociano. In seguito, l\'ormone si dissocia dal recettore e l\'ormone torna allo stato di riposo.

Figura 19.15 laproteina G si associa in manieraciclica a GTP e a CDP;tale associazione èaccoppiata all\'attivazione e all\'inattivazione dell\'adenilato ciclasi. Siritiene 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.

Figura 19.16 Diverse proteine G mediano l\'attivazione e l\'inibizione dell\'adenilato ciclasi. Numerosicomplessi ormone-recettore si legano a una proteina stimolante GSdeterminando 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 leganoa una proteina Gdiversa, con funzioneinibente, Gi, costituita anch\'essa da unasubunità  che lega il GDP o il GTP e dalla subunità G,. In qualche modo, la proteinainibente Gi viene modificata, dopo di chelega l’adenilato ciclasi e la inibisce. Nei duetipi di proteine G, stimolanti e inibenti, lesubunità G, sono uguali, mentre le subunità G e i recettori differiscono.

Esistono proteine G attivatrici ed inibitrici

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Proteine G

Monomeriche

Eterotrimeriche

Figura 5-7 Il ciclo di attività di una proteina G monomerica ditipo Ras. Altre proteine Gmonomeriche hanno cicli simili. L\' attivazione della Ras è 5timolata da una GNRP (proteinache 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 GTPlegato.

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

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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 diAMPc a ogni subunità R provoca la flessione di ogni subunità R nella regione cerniera e la liberazionedelle 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 unnucleo 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 residuiconservati 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 regionitratteggiate in colore sono importanti per laregolazione. I siti di legame covalente con l\' acido miristico,un acido grasso che contribuisce alI\' ancoraggio della proteina chinasi alla membrana plasmatica, sonoindicati 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.

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Regolazione del metabolismo del glicogeno da parte dell’AMPc

Figura 19.22 Il cAMP controlla la degradazione e la sintesi di glicogenonel fegato e nelle cellule muscolari. (a) L\'aumento del livello di cAMPdetermina un incremento nel livello di glucosio, attivando ladegradazione del glicogeno e inibendo la sintesi di glicogeno. La forma attiva dellaproteina chinasi cAMP-dipendente fosfori là la glicogeno sintetasi, riducendo la sua attività. La chinasi fosfori la anche la glicogeno fosforilasichinasi, attivando la sua capacità di fosforilare e di attivare la glicogenofosforilasi, I\'enzima che degrada ilglicogeno a glucosio 1-fosfato. Laproteina chinasi cAMP-dipendente fosforilaanche un inibitore dellafosfoproteina fosfatasi, attivandolo. Di conseguenza, i gruppi fosforici aggiunti agli altri enzimi non vengono rimossi. (b) La diminuzione dellivello di cAMP fa diminuire la concentrazione di glucosio 1-fosfato, inibendo la degradazione del glicogeno e attivando la sua sintesi. Questorisultato viene ottenuto tramite I\'attiv~ionedella fosfoproteina fosfatasi;il gruppo fosforico viene rimosso dall\'inibitore che, di conseguenza, vieneinattivato. La fosfatasi attiva rimuove quindi i residui fosforici dallaglicogeno fosforilasi chinasi e dalla glicogeno fosforilasi, inibendo ladegradazione del glicogeno. La rimozione del gruppo fosforico dallaglicogeno 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 delcAMP. la fosfoproteina fosfatasi è enzimaticamente attiva a meno cheunaproteina inibitrice non sia legata a essa. l\'inibitore deve esserefosforilato dalla proteina chinasi cAMP-dipendente per potersi legate allafosfoproteina fosfatasi e inibirla. In tal modo, la.fosfatasi è inattiva inpresenza di un atto livello di cAMPe attiva solo quando il livello di cAMPè basso. (Da P. Cohen, 1982, Nature, 296, p. 613.)

Minore quantità di glucosio disponibile

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Amplificazione del segnale

10-10 M

10-6 M

Una delle funzioni della cascata di chinasi è l’amplificazione

10-4 M

10-2 M

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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

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Il calcio come messaggero intracellulare

Sistema di controllo del calcio citosolico

Vie di entrata del Ca2+ in risposta a segnali

Alcuni esempi

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Le variazioni di calcio intracellulare si possono visualizzare

Figura 19.28 Variazioni nella concentrazione locale di ioni Ca2+ in unuovo di riccio di mare dopo la fecondazione. Il Ca2+ cellulare è statomonitorato per mezzo della fluorescenza del fura-2, attraverso unmicroscopio (Figura 19.27); a fini grafici, le concentrazioni di Ca2+ sonoespresse secondo una scala graduata di colori (a destra) in micromoli diCa2+. Laconcentrazione di Ca2+ aumenta inizialmente nel punto in cuilo spermatozoo è entrato (la parte in basso a sinistra della cellula) e siinnalza, diffondendosi come un\'onda. In un tempo successivo, la concentrazione di Ca2+ diventa elevata e uniforme in tutta la cellula, poidecade 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 citosolicadi Ca2+ può esser monitorata in continuosfruttando la fluorescenza dei complessiCa2+-fura-2.Aggiunto al mezzo di coltura, l\'estere lipofilo del fura-2 (a sinistra) diffonde attraverso la membrana plasmatica eviene idrolizzato a fura-2 dalle esterasi delcitosol. Il fura-2, di carattere non lipofilo (adestra) non può attraversare le membranecellulari e resta nel citosol. In assenza diCa2+ , il fura-2 non è fluorescente e la fluorescenza dei complessi Ca2+-fura-2 è proporzionale alla concentrazione di ioni Ca2+ delcitosol.

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

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Complesso calcio-calmodulina

Figura 9.17 La calmodulina, proteina citosolica di 149 aacidi con quattro siti di legame per il calcio, fornail 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 nelloscheletro 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 alloione calcio. (B) Modello di una molecola di calmodulina a cui sono legati quattro ioni calcio(sfere grigie). (C) Rappresentazione schematica della variazione conformazionale indotta dallegame delcalcio alla calmodulina. Quando tutti e quattro i siti di legame per il calcio sono occupati, la calmodulina subisce un cambiamento dellastruttura terziaria. Il risultante complesso Ca2+/calmodulina può legarsi a numerose proteine bersaglio, regolandone l\'attività. [Parte Bcortesemente 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;
  • 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;
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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)

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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

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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:
  • 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+

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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

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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.

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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)

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

  • proteina che attiva la GTPasi (GAP);
  • 2) fosfolipasi C-gamma (PLC-gamma);
  • 3) fosfatidilinositolo 3‘ chinasi (PI3-chinasi)
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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.

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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

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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.

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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.

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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

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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

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