Biologia (10/10): Comunicazione cellulare

Alcune cellule, come quelle di lievito, comunicano tra di loro tramite uno scambio di fattori sessuali, prima di accoppiarsi unendosi tra di loro.
Il processo attraverso il quale un segnale presente sulla superficie cellulare viene convertito in una risposta cellulare precisa, consiste in una serie di tappe detta via di trasduzione del segnale.

Le cellule possono comunicare sia a distanza ravvicinata che a grandi distanze.
Per le comunicazioni con cellule vicine si usa il regolatore locale, una sostanza molecolare che influenza le cellule vicine.
Per le grandi distanze la sostanza chimica utilizzata è l'ormone, che solitamente viaggia nei vasi del sistema circolatorio.
Le cellule possono anche comunicare per contatto diretto.

Le fasi della segnalazione cellulare sono 3:

Ricezione: è il rilevamento da parte della cellula bersaglio di un segnale chimico proveniente dall'esterno, segnale che viene rilevato quando si lega ad una proteina della cellula, posta di solito sulla sua superficie.
Trasduzione: quando il legame della molecola segnale induce un cambiamento nella proteina recettoriale iniziando la trasduzione, che avviene solitamente in più step e che converte il segnale affinchè la cellula possa rispondere.
Risposta: quando il segnale trasdotto scatena una risposta cellulare, che va dalla attività catalitica di un enzima, al riagganciamento del citoscheletro, all'attivazione di geni specifici nel nucleo.

La ricezione del segnale

La molecola segnale si comporta come un ligando, una piccola molecola che si lega solo a specifiche molecole più grandi.
La maggior parte delle molecole segnale è idrofila e di dimensioni troppo grandi per attraversare liberamente la membrana cellulare, mentre la maggior parte dei recettori sono proteine di membrana citoplasmatica della cellula.
Quando un ligando si lega ad un recettore, l'informazione viene trasmessa dall'ambiente extracellulare all'interno della cellula, attraverso un cambiamento di forma o l'associazione del recettore stesso.
Esistono 3 tipi principali di recettori:

Recettori associati a proteine G: è un recettore di membrana che svolge la propria funzione con l'ausilio di una proteina G, e solitamente tutte le proteine recettoriali associate alla G hanno una struttura molto simile.
Quando la molecola segnale si lega alla porzione extracellulare di un recettore associato a G, il recettore si attiva cambiando conformazione e legandosi ad un'altra G inattiva, causando la sostituzione di GDP con GTP. Questo legame GTP attiva la G che quindi si lega ad un'altra proteina (di solito un enzima), modificandone temporaneamente l'attività.
Pare che circa il 60% dei farmaci agisca influenzando le vie di segnalazione delle proteine G.
Recettori tirosina-cinasi: è spesso il recettore tipico dei fattori di crescista.
Una porzione di recettore situata sul lato citoplasmatico della membrana funziona come enzima (tirosina-cinasi) che catalizza il trasferimento di gruppi di fosfato dall'ATP all'amminoacido tirosina.
Questi recettori sono allo stato monomerico, diventando poi polipetici quando legano con la molecola segnale.
L'effetto della molecola segnale di un recettore tirosina-cinasi consiste nell'associazione dei polipeptidi e nella fosforilazione del recettore.
Ed una volta che il recettore è attivo, questo viene riconosciuto da specifiche proteine relè, che vi si associano.
Se questi recettori hanno anomalie possono associarsi anche in assenza di ligando e posson far venire il cancro.
Recettori canale-ionico: sono pori di natura proteica che si aprono e si chiudono in risposta al legame o alla separazione di una molecola segnale con funzione di ligando, facilitando o bloccando il flusso di specifici ioni.

Non tutti i recettori sono proteine di membrana, esistono anche recettori che sono proteine solubili del citosol o del nucleo, detti recettori intracellulari.
Il messaggero per poter raggiungere questi recettori deve porter passare attraverso la membrana citoplasmatica della cellula bersaglio.
Un esempio di recettore intracellulare è l'ormone, che entra nel nucleo e attiva i geni specifici che controllano i caratteri sessuali maschili.

Ogni cambiamento molecolare all'interno della via di segnalazione deve durare solo per breve tempo, quindi ci deve essere reversibilità nei cambiamenti indotti dal segnale, e quindi quando le molecole si staccano dal recettore, il recettore ritorna allo stato di inattività.

Le vie di trasduzione del segnale

La fase di trasduzione del segnale è di solito divisa in più tappe, e ciò serve ad ampliare notevolmente il segnale.
La trasduzione è una reazione a catena, una cascata di fosforilazione dove una proteina viene attivata e questa attiva un'altra proteina che a sua volta attiva la proteina dopo, e così via finchè non viene attivata la proteina che determina la risposta cellulare finale.
In questa cascata la proteina cinasi è l'enzima che trasferisce gruppi fosfato dell'ATP ad una proteina.
L'attività impropria della cinasi causa una crescita cellulare abnorme e contribuisce allo sviluppo del cancro.
La proteina fosfatasi, è un enzima che rimuove i gruppi di fosfato delle proteine fosforilate, annullando gli effetti della proteina fosfatasi.
Non tutti i componenti delle vie di trasduzione del segnale sono proteine, ci sono anche ioni e piccole molecole idrosolubili di natura non proteica, che vengono detti secondi messaggeri.
Il primo messaggero è invece la molecola segnale extracellulare che si lega al recettore di membrana.
I secondi messaggeri possono diffondersi rapidamente all'interno della cellula a causa delle loro ridotte dimensioni.
Sono 2 i secondi messaggeri più comuni:

AMP ciclico (cAMP): il primo messaggero induce un enzima di membrana a produrre cAMP, che a sua volta diffonde il segnale nel citoplasma, e il cAMP non dura molto in assenza di segnale, dato che un altro enzima lo converte in prodotto inattivo AMP.
E' necessaria l'adrenalina per far aumentare il cAMP nel citosol.
L'effetto del cAMP è quello di attivare la proteina cinasi A, che a sua volta attiva fosforila, o altre proteine a seconda del tipo di cellula.
Il colera si ha quando un enzima modifica la proteina G coinvolta nella regolazione del GTP in GDP, facendo rimanere il GTP attivo e quindi continuando a produrre cAMP, che a sua volta fa sercerne alle cellule grandi quantità d'acqua, che nell'uomo fanno sopraggiungere la diarrea, che se non viene curata fa morire per disidratazione.
Ioni calcio e inositolo trifosfato: molte cellule segnale attraverso vie di trasduzione comportano l'aumento della concentrazione di ioni calcio Ca²⁺, questo aumento determina molte risposte, tra cui la contrazione muscolare, la secrezione di certe sostanze e la divisione cellulare.
La via che conduce al rilascio del calcio coinvolge altri secondi messaggeri, come il diacilglicerolo (DAG) e l'inositolo trisfosfato (IP₃).
La proteina calmodulina viene attivata dagli ioni calcio e media molti processi regolati dal calcio all'interno della cellula.

L'efficacia della trasduzione del segnale può essere aumentata dalla presenza di proteine adattatrici, che sono grosse proteine relè che possono legare contemporaneamente un certo numero di proteine altre proteine relè.

Le risposte della cellula ai segnali

La trasduzione del segnale conduce infine ad una regolazione di una o più attività cellulari, come ad esempio l'apertura o la chiusura di un canale ionico della membrana citoplasmatica, un cambiamento di attività metaboliche, ecc...
Molte vie di segnalazione non regolano direttamente l'attività enzimatica, ma si servono dell'attivazione o dello spegnimento di geni specifici all'interno del nucleo.
Le segnalazioni caratterizzate da più tappe amplificano il segnale e contribuiscono alla specificità della risposta.
Inoltre, la cellula è in grado di rispondere ad alcuni segnali, ignorandone altri, dato che tipi diversi di cellule possiedono tipi diversi di proteine, quindi 2 cellule che rispondono in modo diverso ad un segnale differiscono nel contenuto di una o più proteine coinvolte nell'elaborazione o nella risposta.