Recettori di membrana

Esistono tre modalità di trasduzione del segnale attraverso i recettori di membranaci sono recettori associati a canali ionici, che funzionano quando il recettore lega il ligando e si apre ad esempio un canale per il calcio, infatti l’aumento del calcio intracitoplasmatico è un segnale secondario. Abbiamo anche recettori associati a proteine G trimeriche, stimolatorie o inibitorie, inoltre abbiamo i recettori legati ad enzimi, che sono delle chinasi, in particolare le due famiglie più importanti sono date dalle tirosin cinasi (ne rappresentano la maggior parte) e dalle serin-treonin cinasi.

Le PROTEINE G possono essere stimolatorie o inibitorie, e si chiamano in modo diverso a seconda del tessuto dove sono presenti, anche se noi le chiamiamo genericamente proteine G trimeriche perché sono formate da una subunità α, una subunità β e una subunità γ.

Per quanto riguarda il loro FUNZIONAMENTO, vediamo che arriva il ligando e si lega al recettore sulla superficie cellulare, questo dopo che ha legato il ligando forma un sito di attracco, cambia cioè la sua conformazione nella sua porzione intracitoplasmatica formando una nicchia per la subunità α della proteina G trimerica che si trova anch’essa sulla membrana ma in forma inattiva, infatti ora la subunità α porta legato il GDP, mente le proteine G si attivano quando hanno legato GTP. È da notare che sulla membrana c’è anche un enzima, l’adenilato ciclasi o la fosfolipasi C-β, che ha anch’esso un sito di attracco, ma nella conformazione inattiva non succede niente, queste proteine non si riconoscono. Quando invece il recettore ha legato il ligando, la subunità α della proteina G riconosce il recettore e si va ad incastrare nel sito di attracco. A questo punto una volta incastrata lì questa subunità si attiva legando il GTP (ci sono due tipi di proteine che lavorano a questo livello, le GAP che idrolizzano il GTP e le GNRP che sono di proteine di scambio GTP-GDP), quindi la subunità α una volta legato il GTP si stacca dal sito di attracco del recettore, andando nel sito di attracco dell’enzima. Una volta avvenuto il legame sull’enzima presente sulla membrana cellulare, questo viene attivato e se questo è l’adenilato ciclasi si produce cAMP in grande quantità a partire da ATP. La risposta quantitativa dipende da quanti recettori che si comportano in questa maniera ci sono sulla superficie della cellula, infatti in un certo momento della sua vita, se di questi recettori ce ne sono tanti la cellula è letteralmente inondata da cAMP e quello che fa non è altro che rispondere solo a questo stimolo, si dice che è ingolfata da cAMP. Dopodiché tutto torna in uno stato inattivo, le GAP idrolizzano GTP rendendo inattiva la subunità α, così deve arrivare un altro ligando dall’esterno per rifar partire tutto. Se il sistema funziona la cellula si trova con una quantità veramente notevole di cAMP. Il cAMP trasduce un segnale andando ad attivare la Protein Kinase A (PKA), ovvero una serin-treonin cinasi, che ha due subunità regolatorie e due subunità catalitiche, infatti quando il cAMP si lega alle subunità regolatorie (due per ciascuna subunità) si liberano quelle catalitiche che vanno a fosforilare altre proteine su residui di serina e treonina. Le proteine che il PKA fosforila cambiano da cellula a cellula, ad esempio viene attivata la glicogenolisi, la PKA va infatti ad attivare la glicogeno fosforilasi che determina appunto questo processo. Quindi l’attivazione della glicogeno fosforilasi, fosforilata da PKA attivata, attiva questa “pathway metabolica”. La PKA va a fosforilare anche la fosfatasi inattivandola, quella che andrebbe a defosforilare la glicogeno fosforilasi, quindi tiene per un certo periodo di tempo attivo questo enzima in modo che possa partire la glicolisi, questo meccanismo c’è in quasi tutte le cellule, anche nel fegato dove questo meccanismo non serve a molto in quanto l’energia è acquisita attraverso la β-ossidazione degli acidi grassi, ma serve per aumentare la concentrazione di glucosio nel sangue. Se andiamo a vedere le funzioni di questa pathway di attivazione nei vari tipi cellulari ci rendiamo conto che questo meccanismo favorisce nella ghiandola tiroidea la sintesi e la secrezione dell’ormone tiroideo, nella corteccia surrenale favorisce la secrezione di cortisolo, nell’ovaio favorisce la secrezione di progesterone, nel muscolo favorisce la glicolisi, nel tessuto osseo favorisce il riassorbimento osseo, nel cuore favorisce un aumento della contrazione cardiaca, nel rene favorisce il riassorbimento di acqua tramite secrezione di vasopressina e nel tessuto adiposo favorisce il catabolismo dei trigliceridi. Quindi a seconda del tipo cellulare la PKA fosforila dei substrati talmente diversi che attiva per ogni tipo cellulare delle funzioni diverse. La pathway possiamo unificarla fino all’attivazione della PKA come serin-treonin chinasi poi a seconda del tipo cellulare i substrati sono diversi e le funzioni attivate all’interno dei vari contesti cellulari sono diverse.

Le varianti a questo livello sono la concentrazione dei ligandi, il numero di recettori sulla superficie, il numero di enzimi sulla superficie ed il numero di proteine G trimeriche: tutte queste varianti permettono di costruire una via di trasduzione del segnale altamente efficiente o per niente efficiente.

Se c’è un esempio di competizione dove sono presenti sia una proteina G stimolatoria che una proteina G inibitoria, chi vince? Diciamo innanzitutto che abbiamo dei ligandi importanti, ovvero sulla proteina G stimolatoria abbiamo la noradrenalina, il glucagone e l’ACTH, mentre sulla proteina G inibitoria possiamo avere la prostaglandina e l’adenosina. Se sono più concentrati i ligandi inibitori si avrà un’inibizione dell’adenilato ciclasi perché è attivata la proteina G inibitoria, se prevalgono invece quelli attivatori si avrà una stimolazione e quindi un’attivazione dell’adenilato ciclasi. Al di fuori della cellula tra tutti questi ligandi c’è una reale competizione, vince quello più concentrato o che riconosce più facilmente i recettori, infatti la competizione in biologia c’è sempre.

Le TOSSINE interferiscono con la funzione di queste proteine G trimeriche perché le tengono in conformazione attiva favorendo il legame con il GTP e molto spesso sfavorendo l’idrolisi, per cui se pensate alla pertosse questo spiega perché c’è una produzione di essudato a livello bronchiale (catarro, muco) che è sovrabbondante, non si ha lo “switch-off” del sistema. La stessa cosa vale per il colera perchè dall’intestino abbiamo una grandissima perdita di liquidi, perché questo sistema evidentemente interferisce con il passaggio di acqua e di elettroliti nel nostro corpo e quindi la tossina colerica porta a questi gravi danni. Quindi le tossine possono agire sempre con due meccanismi, infatti o impediscono lo spegnimento di una proteina G trimerica stimolatoria o bloccano le proteine G trimeriche inibitorie, quindi il sistema è sempre in “on”.

L’altra possibilià d’incontro di una proteina G trimerica che funziona con lo stesso meccanismo ma nei confronti di un altro enzima, infatti dopo il legame ligando-recettore abbiamo che si attacca al recettore la subunità α della proteina G che a questo punto scambia un GDP con un GTP, cambia conformazione e mostra un sito di alloggiamento per la fosfolipasi C-β, un enzima di membrana che prende il fosfatidilinositolo trifosfato (PIP3) e lo metabolizza producendo inositolo trifosfato (IP3) e diacilglicerolo (DAG). In questo processo c’è quindi un aumento di IP3 citosolico che si lega a un recettore per l’IP3 sulla membrana del reticolo endoplasmatico (recettore legato a un canale del calcio) e apre un canale del calcio, quindi c’è un aumento della concentrazione del calcio nel citosol, dove solitamente è sempre molto bassa (all’esterno della cellula la concentrazione possiamo considerarla pari a quella presente nel reticolo endoplasmatico, pari circa a 1,8 mM, mentre all’interno della cellula la concetrazione di calcio arriva ad essere circa pari a 0,0005 mM). Il diacilglicerolo invece va ad attivare una chinasi di membrana, la PKC, che è una serin-treonin chinasi, presente all’interno della cellula in 8 isoforme (prodotte per splicing alternativo o per amplificazione genica, si possono trovare sia nel citoplasma che nel nucleo), ed è in grado tra l’altro di andare a fosforilare anche il recettore VDR, per permettere la sua dimerizzazione e la sua traslocazione al nucleo, in generale comunque determina eventi a cascate fosforilative. Altrimenti il DAG può andare anche a idrolizzarsi ad acido arachidonico, andando a funzionare esso stesso come secondo messaggero oppure può andare a dare origine alle prostaglandine. Tornando alla funzione del calcio come secondo messaggero, vediamo come esso non può rimanere libero nel citoplasma e quindi viene legato da “calcium binding protein” che possono essere di due tipi: o semplicemente proteine tampone (come la calciclina o la calvindina, che impediscono al calcio di rimanere libero nel citoplasma), oppure possono essere proteine che fanno qualcosa in più come la calmodulina. La calmodulina lega 4 ioni calcio e a questo punto pùò interagire con una chinasi che si chiama CAM chinasi calmodulina dipendente (Calmodulin Dipendent Kinase, è una serin-treonin chinasi), in modo che ricadiamo nella configurazione di prima, ovvero questa CAM chinasi va a fosforilare delle proteine substrato (tipo la PKA) che fanno delle cose diverse a seconda delle cellule e dei tessuti, ad esempio nel fegato abbiamo la demolizione del glicogeno, nel pancreas abbiamo la secrezione dell’amilasi, abbiamo la contrazione della muscolatura liscia, abbiamo la secrezione di istamina dai granulociti basofili oppure viene favorita l’aggregazione piastrinica. A seconda del tipo cellulare si hanno delle funzioni ben diverse, infatti abbiamo la stessa funzione fino a quando la calmodulina che ha legato il calcio lega la CAM chinasi, poi da quel punto si ha l’attivazione della CAM chinasi che può ora agire sia da sola che legata alla calmodulina, e attivare la fosforilazione di specifici substrati, che portano ad un processo finale che funziona a cascata, perché quando sono coinvolti uno, due o tre enzimi la cellula è inondata di metaboliti che derivano dai substrati che sono stati metabolizzati, infatti la cellula risponde in modo assolutamente massiccio, da una interazione di questo tipo come può essere l’attivazione della CAM chinasi si formano migliaia di molecole finali bersaglio.

Quando si attuano queste vie di trasduzione del segnale, si ha una notevole AMPLIFICAZIONE DEL SEGNALE, ovvero il messaggio, dai ligandi che si attaccano al recettore passano ad un amplificazione sempre maggiore per effetto dell’attività degli enzimi di membrana, che a loro volta attivano altri enzimi, l’ondata diventa ora sempre più consistente andando a coinvolgere la cellula in modo che svolga solo questa attività per un determinato periodo di tempo, però brevi intervalli di tempo, cosa che contraddistingue le cellule normali dall’attività di cellule tumorali.

Ricordiamo che i secondi messaggeri sono molto importanti ad esempio all’interno degli epiteli dove attraverso le giunzioni comunicanti riescono a dare risposte sincronizzate per un certo periodo di tempo all’intera struttura tissutale.

I RECETTORI LEGATI AD ENZIMI, che nella maggior parte dei casi sono recettori di membrana, sono in grado di attuare importanti vie di trasduzione del segnale, in particolare abbiamo 5 classi diverse di questi recettori, ma noi ci concentreremo sullo studio dei recettori tirosin chinasici, perché le principali vie di trasduzione utilizzano questo tipo di attività enzimatica, infatti fanno parte di questa classe i recettori per i fattori di crescita, che fanno parte della famiglia delle citochine. Faremo anche la classe di recettori associati ad enzimi tirosin-cinasici ed anche la quinta classe di questi recettori, quella dei recettori ad attività serin-treonin cinasica, importante perchè include ad esempio il recettore per il fattore di crescita TGF-β.