Lezione 8: Meccanismi di comunicazione e segnalazione cellulare in Biologia

Meccanismi di Comunicazione e Segnalazione Cellulare

Lezione 8 MECCANISMI DI COMUNICAZIONE E SEGNALAZIONE CELLULARE Principi generali dello scambio di segnali tra le cellule Recettori accoppiati alle proteine G Recettori legati ad enzimi Esempi di traduzione del segnale

Comunicazione Cellulare

4 | 0COMUNICAZIONE CELLULARE Nessuna cellula vive isolata e in tutti gli organismi pluricellulari, una complessa rete di comunicazione tra cellule coordina la crescita, il differenziamento e il metabolismo.

Giunzioni Cellulari negli Animali

4 | 1Le cellule animali comunicano attraverso le giunzioni serrate. Nelle cellule animali sono presenti tre tipi di giunzioni cellulari, uno dei quali, la giunzione serrata, serve a facilitare la comunicazione tra cellule. Questa giunzione consiste in un gruppo di strutture proteiche che attraversano da parte a parte la membrana plasmatica della cellula. L'allineamento di tali strutture tra cellule adiacenti crea una sorta di canale che permette il passaggio di piccole molecole e di segnali elettrici b tessuto animale W - membrana - plasmatica citoplasma giunzione serrata

4 | 2Membrane plasmatiche Spazio intercellulare 1 Proteine di giunzione- (incrociate) Le proteine delle giunzioni occludenti formano una sorta di "cucitura" che blocca il passaggio dei materiali disciolti attraverso lo spazio tra le cellule epiteliali . Regione apicale Membrane plasmatiche Spazio intercellulare Placca citoplasmatica Spazio intercellulare Desmosomi Molecole di adesione cellulare Giunzioni gap I desmosomi creano un'adesione stretta tra due cellule adiacenti, tuttavia questo tipo di connessione permette il passaggio dei materiali attraverso di essa e negli spazi intercellulari. Fibre di cheratina (filamenti del citoscheletro) Lume Regione basolaterale Membrane plasmatiche Spazio intercellulare Canale idrofilico Le molecole passano da una cellula all'altra Connexine (proteine canale) Le giunzioni gap consentono la comunicazione tra cellule adiacenti. Giunzioni occludenti Le cellule animali sono unite da particolari tipi di giunzione. Sebbene nello schema della cellula in alto siano presenti tutti e tre i tipi di giunzioni, questa compresenza nella stessa cellula non necessariamente si verifica

Struttura Molecolare della Membrana: Modello a Mosaico Fluido

4 | 3Esterno della cellula Catene di carboidrati sono attaccate alla superficie esterna delle proteine (a formare glicoproteine) o dei lipidi (a formare glicolipidi). Matrice extracellulare Nelle cellule animali alcune proteine di membrana si associano con filamenti della matrice extracellulare. Fosfolipide Citoscheletro Interno della cellula Le proteine periferiche di membrana non penetrano nel doppio strato lipidico. Molecole di colesterolo disseminate tra le code dei fosfolipidi nello spessore del doppio strato influenzano la fluidità degli acidi grassi nella membrana. Alcune proteine di membrana interagiscono con il citoscheletro dell'interno cellulare. Alcune proteine integrali di membrana attraversano l'intero spessore del doppio strato fosfolipidico, altre lo penetrano solo in parte. La struttura molecolare della membrana: modello a mosaico fluido La struttura generale delle membrane biologiche è un doppio strato fosfolipidico continuo che porta inserite delle proteine. Il doppio strato lipidico separa due regioni acquose: l'esterno e il citoplasma. Avendo esso un certo grado di fluidità le molecole proteiche e quelle lipidiche possono diffondersi nel piano della membrana e talvolta spostarsi nel suo spessore.

Trasporto Attraverso la Membrana Plasmatica

4 | 4La natura della membrana plasmatica oltre alle sue funzioni principali legate alla caratteristica di tenere unite, in opportune concentrazioni, le molecole essenziali per la cellula e tener fuori dalla cellula le sostanze dannose, rende possibile il transito controllato delle sostanze vitali e permette la comunicazione intercellulare. Infatti, quasi tutte le cellule comunicano costantemente tra loro mediante segnali chimici, che possono modificarne l'attività.

Trasporto passivo Trasporto attivo diffusione semplice diffusione facilitata doppio strato lipidico proteine di trasporto ATP C b Il trasporto attraverso la membrana plasmatica. (a) Nella diffusione semplice una sostanza attraversa il doppio strato lipidico «spinta» dal suo gradiente di concentrazione. (b) Nella diffusione facilitata una sostanza passa attraverso la membrana grazie al gradiente di concentrazione e a una proteina di trasporto. (c) Anche nel trasporto attivo le molecole passano attraverso una proteina di trasporto, ma in questo caso si deve spendere energia per farle migrare contro il gradiente di concentrazione. 4 | 5 aLa diffusione (TRASPORTO PASSIVO) è il movimento netto di particelle (molecole o ioni, a seconda della sostanza) da una zona in cui la loro concentrazione è maggiore verso una zona in cui la loro concentrazione è minore. Gradiente di concentrazione: differenza di concentrazione tra le due zone.

La Diffusione e il Gradiente di Concentrazione

La diffusione. In questa sequenza di fotografie e di disegni, poche gocce di colorante rosso, aggiunte a un bicchiere d'acqua, sono all'inizio con- centrate in una zona ristretta (a), ma immediatamente il colorante comincia a dif- fondere (b), finché alla fine risulta distribuito uniforme- mente in tutta la soluzione (c). 4 | 6Soluzione ipertonica all'esterno (i soluti sono più concentrati all'esterno della cellula) Soluzione isotonica (uguale concentrazione dei soluti all'interno e all'esterno) Soluzione ipotonica all'esterno (all'esterno della cellula i soluti sono più diluiti) Interno della cellula Esterno della cellula H20 H20 Cellula animale (globulo rosso) H20 H20 Le cellule perdono acqua e raggrinziscono. Le cellule assorbono acqua e si gonfiano fino a rompersi. H20 Cellula vegetale (cellula di epitelio fogliare) H2O Il corpo cellulare si contrae distaccandosi dalla parete (avvizzisce). Le cellule diventano più turgide e rigide, ma in genere mantengono la propria forma grazie alla presenza della parete cellulare. L'osmosi: diffusione delle molecole di acqua attraverso le membrane (A) In una soluzione ipertonica l'acqua fuoriesce dalla cellula, che raggrinzisce. (B) In una soluzione isotonica non c'è flusso netto di acqua e la cellula mantiene forma costante. (C) In una soluzione ipotonica l'acqua entra nella cellula che può gonfiarsi fino alla lisi. 4 | 7La diffusione degli ioni e dell'acqua può essere facilitata perché veicolata da canali proteici

Canali Proteici Ligando-Dipendenti

Una proteina canale ligando-dipendente si apre in risposta a uno stimolo La proteina canale è ancorata al doppio strato lipidico. In seguito al legame con un ligando la proteina modifica la propria forma tridimensionale, fatto che provoca l'apertura di un poro rivestito di aminoacidi polari. Ciò consente alle molecole polari, idrofiliche di passare attraverso la membrana Esterno della cellula · 1 Una certa sostanza polare è più concentrata all'esterno che all'interno della cellula. O Stimolo chimico (ligando) O Sito di legame 2 Il legame di una molecola di stimolo chimico causa l'apertura del poro ... Interno idrofobico del doppio strato lipidico Proteina canale O Poro idrofilico Canale chiuso 3 ... e la sostanza polare può diffondere attraverso la membrana. Interno della cellula O 4 | 8ACQUAPORINE (AQP): gli inaspettati trasportatori di membrana dell'acqua

Acquaporine: Trasportatori di Membrana dell'Acqua

1. Scoperte da Peter Agre del Dipartimento di Biochimica John Hopkins University di Baltimore Maryland (USA) per cui ha ricevuto il Premio Nobel in Chimica nel 2003; prima si riteneva che l'acqua attraversasse la membrana solo per diffusione semplice.
2. Sono una famiglia di proteine integrali di membrana ( per ora scoperte 11 varianti diverse nell'uomo) carrier dell'acqua. L'acqua, quindi, entra anche per diffusione facilitata.
3. Ne esistono due categorie: acquaporine semplici ed acquagliceroporine (per acqua, glicerolo ed altri piccoli soluti).

4 | 9IPOTESI Verificare se le acquaporine fanno aumentare la permeabilità della membrana all'acqua. METODO mRNA Canale di dell'acquaporina acquaporina Sintesi della proteina Questa cellula uovo non contiene acquaporine nella membrana cellulare. Questa cellula uovo contiene le acquaporine, inserite per via sperimentale nella membrana cellulare. RISULTATI 3,5 minuti in soluzione ipotonica L'acqua non diffonde in questa cellula, che quindi non si gonfia. Attraverso i canali di acquaporina l'acqua diffonde in quest'altro oocita, che quindi si gonfia. CONCLUSIONI Le acquaporine fanno aumentare la diffusione dell'acqua attraverso la membrana cellulare. Le acquaporine aumentano la permeabilità della membrana alle molecole di acqua Dalle membrane di cellule in cui l'acqua diffonde rapidamente venne isolata una proteina, poi introdotta in cellule uova dove di norma è assente. Nella cellula uovo così modificata si osservò un notevole aumento della permeabilità della membrana. D. Hillis et al., FONDAMENTI DI BIOLOGIA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright @ 2012

Proteina di Trasporto del Glucosio

4 | 10A 1 La proteina di trasporto ha un sito di legame per il glucosio. 2 Il glucosio si lega alla proteina ... 3. ... e ciò modifica la forma della proteina ... Esterno della cellula B Alta concentrazione di glucosio Glucosio Tutti i carrier sono utilizzati. Solo alcuni carrier sono utilizzati. Proteina di trasporto del glucosio Concentrazione del glucosio all'esterno della cellula Interno della cellula 5 La proteina di trasporto ritorna alla sua forma originale, pronta per legare un'altra molecola di glucosio. 4 ... provocando il rilascio del glucosio. Bassa concentrazione di glucosio Tasso di diffusione dentro la cellula Una proteina di trasporto facilita la diffusione La proteina responsabile del trasporto (carrier) del glucosio consente allo zucchero di entrare nella cellula a un tasso molto più rapido di quello corrispondente alla diffusione semplice. (A) La proteina di trasporto si lega al glucosio cambiando la propria conformazione , e rilascia il glucosio nel citoplasma. (B) Il grafico rappresenta l'andamento dell'ingresso del glucosio mediato da carrier in relazione alla concentrazione esterna di glucosio.

Trasporto Attivo Primario: Pompa Sodio-Potassio

4 | 11Esterno della cellula 3 Il cambiamento conformazionale della pompa provoca il rilascio di Na+ all'esterno della cellula e permette a K+ di legarsi alla pompa. 4 Il rilascio di Pi riporta la pompa alla sua forma originale, provocando il rilascio di K+ all'interno della cellula ed esponendo di nuovo i siti di legame per gli ioni Na+. Quindi, il ciclo si ripete. Na+ Pompa Na+- K+ K+ K+ ATP P Pi P; Na + ADP Pi K+ 1 3 Na+ e 1 ATP si legano alla proteina "pompa". Interno della cellula 2 L'idrolisi dell'ATP causa la fosforilazione della pompa e ne modifica la forma. Alta concentrazione di K+, Bassa concentrazione di Na+ Trasporto attivo primario: la pompa sodio-potassio Nel trasporto attivo, per spostare il soluto contro il suo gradiente di concentrazione viene usata energia. L'energia derivante dell'ATP viene usata per spostare gli ioni Na+ e K+ contro i rispettivi gradienti di concentrazione D. Hillis et al., FONDAMENTI DI BIOLOGIA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright @ 2012 4 | 12 Alta concentrazione di Na+, Bassa concentrazione di K+