Ormoni, Recettori Ormonali e Proteina G

GLI ORMONI

Negli organismi pluricellulari c’è bisogno di una coordinazione dell’attività dei vari organi affinchè funzionino in modo coordinato e nello stesso senso. Occorre quindi che l’organismo formi delle molecole in grado di regolare in modo sincrono tutte le cellule e tutti i tessuti.

Tutte le modificazioni dell’ambiente esterno ed interno dell’organismo possono rappresentare dei punti di partenza per regolare le attività dell’organismo stesso. Nei mammiferi la coordinazione del metabolismo è sotto il controllo del sistema neuroendocrino, cioè ogni cellula percepisce le modificazioni dell’ambiente esterno ed interno e le contrasta producendo messaggeri chimici che vengono riversati nell’ambiente extracellulare.

Queste sostanze agiscono su cellule e tessuti bersaglio che presentano delle proteine specifiche dette recettori in grado di riconoscere in modo specifico e legare con una certa affinità queste molecole finali. Questi legami che si vengono a formare non sono mai di tipo covalente, ma più deboli, come forze idrofobiche, legami a idrogeno, legami ionici. Ogni ormone può agire su uno o più tessuti, e viceversa ogni tessuto può essere soggetto all’azione di uno o più ormoni diversi.

Funzione endocrina o telecrina: il tessuto è posto ad una certa distanza rispetto alla ghiandola di produzione. In queste condizioni l’ormone viene diluito all’interno del sangue per dirigersi verso l’ambiente su cui va a influire, quindi avremo una concentrazione molto bassa che va da 10-12 a 10-9 M. Questo fa sì che il recettore abbia un’affinità molto alta (alta specificità) per la molecola essendo questa presente a concentrazioni molto basse. Inoltre il recettore deve legarlo con una certa forza, questo fa sì che l’ormone si distacchi molto lentamente dal recettore, di conseguenza le risposte a questo ormone sono lente sia ad instaurarsi che a spegnersi. Ormoni di questo genere sono ad esempio l’insulina e il glucagone.

Funzione paracrina: l’ormone viene riversato nello spazio interstiziale della cellula di produzione e viene subito assorbito dalle cellule nelle vicinanze. In questo caso la concentrazione è più alta (da 10-6 a 10-9 M). Di conseguenza l’affinità è più bassa essendo l’ormone più disponibile, e questo fa sì che l’ormone si distacchi più velocemente, quindi la risposta è più breve.

Funzione autocrina: la stessa cellula che produce il messaggero possiede anche i recettori per lo stesso. La concentrazione si mantiene tra 10-9 e 10-6 come nella paracrina, e di conseguenza anche i tempi di risposta e l’affinità sono simili.

Segnalazione da contatto o justacrina: sulle cellule adiacenti sono presenti dei recettori che riconoscono delle proteine presenti sulla superficie della cellula, si formano così delle giunzioni che mantengono l’integrità dei tessuti. Più che segnalazione dovuta a messaggeri, si parla di segnalazione da contatto.

Segnalazione sinaptica: si ha livello del tessuto nervoso. Le cellule nervose hanno dei lunghi prolungamenti che formano delle strutture con altre cellule. Lo spazio che si ha tra le 2 terminazioni, quella dove viene liberato il mediatore e quella dove sono presenti i recettori, è molto piccolo, quindi la concentrazione dell’ormone è più alta che nei casi precedenti (10-6-10-3 M). Questo fa sì che l’affinità del recettore sia più bassa dei precedenti, ma l’attacco del mediatore avviene molto velocemente e di conseguenza le risposte sono rapidissime.

 

I Recettori

Sono proteine che hanno una diversa organizzazione nella cellula che riconoscono un ormone specifico con alta affinità. A seconda del tipo di ormone i recettori si trovano in parti diverse della cellula. Dato che gli ormoni peptidici o derivati da amminoacidi come le catecolammine non possono superare la membrana cellulare i loro recettori si trovano sulla membrana.

Gli ormoni steroidei, come quelli prodotti dalla tiroide, passano attraverso la membrana e perciò i loro recettori si possono trovare o nel citoplasma o nel nucleo.

I recettori si legano agli ormoni con legami non covalenti, quindi la reazione associazione ormone-recettore è reversibile. Questa sono le formule per calcolare la costante di dissociazione e di associazione:

Kdissociazione= __[H][R]__

                         [HR]

Kassociazione= __[HR]__

                       [H][R]

H=ormone

R=recettore

HR=ormone associato al recettore

 

Il legame tra ormone e recettore presenta alcune caratteristiche:

  • Saturabilità, perché il numero di recettori è limitato. Quando si raggiunge il massimo di occupazione oltre quella non si può andare (perché è finito uno dei due reagenti).
  • Affinità ormone recettore, di solito molto alta, perché la concentrazione dell’ormone nel sangue è bassa, mentre la affinità diminuisce se aumenta la concentrazione del recettore.
  • Specificità, cioè ogni recettore riconosce il suo ormone specifico. Sono pochi i recettori che possono legare ormoni diversi (che devono comunque avere struttura chimica simile, ad esempio le catecolammine come adrenalina e noradrenalina)

I recettori devono però essere in grado di provocare la risposta nelle cellule in cui si trovano, quindi possiedono la capacità di trasdurre il segnale portato dall’ormone.

Un ormone può provocare risposte diverse, ad esempio le catecolammine che presentano più tipi di recettori e a seconda del recettore a cui si legano hanno effetto opposto.

Adrenalina e noradrenalina se si legano ai recettori β avviano la via del cAMP stimolatore

Se invece si legano ai recettori α1 attivano la via del fosfatidilinositolo trifosfato (PIP3), se si legano ai recettori α2 attivano la via del cAMP inibitoria.

L’intensità dell’effetto dipende da varie cose, la concentrazione dell’ormone (maggiore è la concentrazione maggiore è l’effetto), la concentrazione del recettore (maggiore è la concentrazione maggiore è l’effetto), l’affinità tra ormone e recettore (più è alta l’affinità maggiore è la risposta),

effetto= f (Kassociazione[H][R])

f = costante tipica del complesso ormone/recettore che si considera

Anche i recettori per gli ormoni possono modificare la loro affinità ed il loro numero nella cellula, possono andare incontro a tre fenomeni:

  • Desensibilizzazione
  • Down regulation,
  • Up regulation

Nella desensibilizzazione il recettore diminuisce l’affinità o la capacità di provocare una risposta. Avviene tramite fosforilazione di residui particolari del recettore. Le altre due avvengono dopo una procedura particolare. Quando l’ormone si lega al recettore, la membrana si invagina e si forma un endosoma, l’endosoma diminuisce il pH per distaccare gli ormoni, forma un’altra vescicola dove vengono riversati gli ormoni (quest’ultima può essere degradata o no). È qui che c’è la regolazione, infatti le vescicole che contengono i recettori possono essere mantenute nel citoplasma (down regulation) o riportate in membrana (up regulation), rispettivamente diminuendo o aumentando la quantità di recettori in membrana. Può anche avvenire un terzo caso, in cui l’endosoma con recettori ed ormoni viene degradato immediatamente (down regulation)

Tra i tanti recettori presenti sono importanti 4 tipi principali:

  • accoppiati alle proteine G,
  • collegati a canali ionici,
  • in grado di attivare enzimi tirosina-chinasici,
  • quelli che sono essi stessi degli enzimi. (attività guanilato-ciclasica o tirosina-chinasica)

Ogni ormone si lega sempre ai suoi recettori specifici, ma (grazie a recettori diversi) può causare reazioni diverse nella cellula.

Gli ormoni steroidei quando entrano nel citoplasma/nucleoplasma trovano i loro recettori, sono quindi in grado di aumentare o diminuire la sintesi di una data proteina a livello genico.

Gli ormoni che si legano a proteine G possono iniziare tre catene di reazioni: la via del cAMP, la via del PIP3, la via delle tirosin-chinasi.

 

Recettori accoppiati a proteine G:

Detti anche GPCR (G Protein Couple Receptors).

Abbiamo il recettore in membrana che si lega con il suo ormone, cambia conformazione attivando le proteine G, che a loro volta vanno ad attivare un effettore che è un enzima di membrana (adenilico ciclasi per la via del cAMP o fosfolipasi C per la via del PIP3) che produce il secondo messaggero che va ad attivare cinasi citoplasmatiche che determinano la modificazione della risposta all’interno del tessuto.

I recettori delle proteine G hanno una struttura particolare, presentano l’estremità N-terminale rivolta verso l’esterno della membrana, presentano 7 alfa-eliche idrofobiche trasmembrana, presentano l’estremità C-terminale (che contiene residui di serina e treonina che possono essere fosforilati quando il recettore viene desensibilizzato) verso l’interno della cellula.

Il sito di legame con l’ormone corrisponde alla cavità centrale (cioè agli amminoacidi delle 7 alfa-eliche che sono rivolti verso la cavità centrale). Dalla parte citoplasmatica c’è anche la parte che prende contatto con le proteine G.

Le proteine G hanno questo nome perchè a riposo sono legate ad un GDP, sono formate da tre subunità: α, β e γ (il GDP è nella subunità α). Quando arriva un ormone ed il recettore cambia conformazione la subunità α scambia un GDP con un GTP citoplasmatico, cambia conformazione e quindi si distacca dalle altre subunità e va a prendere contatto con l’enzima adenilato ciclasi che si trova nella parte interna della membrana cellulare, che crea a partire dall’ATP il cAMP, il secondo messaggero della via di trasduzione.

I recettori α2 delle catecolammine sono legati a proteine G inibitorie, che vanno ad inibire quindi l’enzima che produce il secondo messaggero.

Altre molecole inibiscono l’adenilato ciclasi come la somatostatina, la dopamina o la chetosina.

Il secondo messaggero (cAMP) si lega a delle protein chinasi cAMP dipendenti, attivandole.

La chinasi ora è attiva e va a fosforilare diverse proteine ed enzimi, modificando in modo covalente la loro attività (una delle più importanti è la PKA).

Il cAMP viene poi distrutto da un enzima chiamato fosfodiesterasi, che rompe il doppio legame formando AMP.

La PKA (protein cinasi dipendente da cAMP) è formata da 4 subunità, 2 catalitiche e due regolatorie che inibiscono le catalitiche. Quando aumenta la concentrazione del cAMP esse si legano alle subunità regolatorie (due cAMP per subunità) e ciò causa un cambiamento di conformazione che le porta a distaccarsi, attivando così le subunità catalitiche.

Ora le subunità con attività cinasica possono svolgere il loro lavoro e fosforilare altre proteine che cambiano conformazione e quindi vengono attivate o disattivate. La fosforilasi chinasi, la fruttosio 2-6 bifosfatasi, la trigliceride lipasi, sono tutti sotto il controllo della PKA e si attivano se fosforilati. La glicogeno sintasi, la piruvato chinasi, la 6-frutto-2 chinasi e l’acil-CoA carbossilasi sono invece inibiti dalla fosforilazione.

Quando perciò aumenta il cAMP siamo in situazione di digiuno/stress perché le vie metaboliche sono spinte verso la creazione di corpi chetonici, la gluconeogenesi (per creare glucosio da mandare in circolo) e la glicogenolisi.