La comunicazione cellulare: segnali, recettori e potenziali d'azione

La Comunicazione Cellulare

Le circa 75 x 1012 cellule che compongono i diversi compartimenti funzionali dell'organismo hanno la necessità di:

• recepire e interpretare un segnale che proviene dal loro esterno
• scambiare fra loro in modo rapido un enorme mole di informazioni che permetta un'attività integrata e coordinata.

Tipi di Comunicazione

Comunicazione:

• fra cellule - segnali paracrini/autocrini, giunzioni
• fra differenti organi - Sistema Endocrino, Sistema Nervoso

GIUNZIONE COMUNICANTE COMUNICAZIONE PARACRINA ED AUTOCRINA COMUNICAZIONE ENDOCRINA COMUNICAZIONE SINAPTICA 00

Trasmissione del Messaggio

Trasmissione del messaggio Direttamente da cellula Mediante diffusione nel a cellula liquido interstiziale Mediante liquidi corporei circolanti Attraverso la fessura sinaptica Locale o generale Locale Diffusa localmente Generale Locale La specificità dipende da Sede anatomica Recettori Recettori Sede anatomica e recettori

Comunicazione Intercellulare

Comunicazione intercellulare I segnali dipendenti dal contatto intercellulare richiedono l'interazione tra le molecole di membrana di due cellule. I segnali autocrini agiscono sulla medesima cellula che li ha secreti. I segnali paracrini sono secreti da una cellula e diffondono a cellule adiacenti, Recettore Le giunzioni comunicanti costituiscono connessioni citoplasmatiche dirette tra cellule adiacenti. (Molto presenti a livello cardiaco) HI Paracrina (Abbondante nelle sinapsi) Autocrina o 77

Recettori e Vie di Trasduzione

Tipi di Recettori

Recettori (ripassa vie di trasduzione che hai fatto in biologia animale)

1. Canali ionici regolati da ligandi (recettori ionotropi)
2. Recettori accoppiati alle proteine G (metabotropici)
3. Recettori accoppiati a chinasi
4. Recettori nucleari

Ioni Ioni E R/E G G NUCLEO Iperpolarizzazione O depolarizzazione Modificazione dell'eccitabilità Fosforilazione proteica R Trascrizione genica Trascrizione genica Rilascio di Ca2+ Fosforilazione proteica Altro Sintesi proteica Sintesi proteica > Effetti cellulari Effetti cellulari Effetti cellulari Effetti cellulari Tempo Millisecondi Secondi Ore Ore Esempi Recettore dell'ACh nicotinico Recettore dell'ACh muscarinico Recettori per citochine Recettori estrogeni

Caratteristiche dei Recettori

1. Il vantaggio di questo sistema è che la risposta cellulare è molto specifica e rapida.
2. In questo caso il recettore è una vera e propria proteina di membrana, l'interazione tra recettore e molecola segnale implica una cascata di trasduzione del segnale.
3. Il recettore è una proteina di membrana con attività enzimatica.
4. La molecola segnale ha delle caratteristiche molto particolari, in particolare è liposolubile e attraversa quindi liberamente le membrane plasmatiche. Il suo sistema recettoriale si trova all'interno della cellula.

• Importanza del sistema recettoriale = amplificare il segnale di partenza.

Trasduzione e Amplificazione del Segnale

Trasduzione e Amplificazione del segnale una molecola di ligando proteina recettore 1 recettore attiva più proteine G AMPLIFICAZIONE subunità a di G Adenilato ciclasi attivata GTP GTP Ciascun enzima X produce molti secondi messaggeri, ciascun messaggero attiva 1 enzima y AMPLIFICAZIONE AMPc Kinasi A AMPLIFICAZIONE Ciascuna kinasi A può fosforilare e attivare molte copie di enzima Z Enzima Z Ciascuna copia di enzima Z produce molte molecole di prodotto AMPLIFICAZIONE Prodotti dell' enzima Z

L'interazione del sistema recettoriale con la molecola ligando, soprattutto se il recettore è un recettore metabotropico, dà origine ad un fattore di amplificazione del segnale. L'attivazione di più proteine G comporta la formazione di un messaggio intracellulare, in particolare AMPc. AMPc si legherà a delle chinasi (es chinasi A) e ognuna di queste andrà a fosforilare substrati diversi, amplificandoli notevolemnte. Questi substrati saranno enzimi che produrranno degli effetti.

• Importante fattore di amplificazione.

Quindi, normalmente, quando la molecola segnale interagisce con un sistema recettoriale che implica la formazione di un messaggero secondario, le risposte sono più lente nel tempo, perchè deve attivarsi questa cascata di segnale, ma sono estremamente amplificate. La differenza con quelle che implicano un'interazione diretta della molecola segnale con il recettore (in questo caso è un canale ionico), in cui ogni molecola segnale legherà un canale ionico e ciascuno di questi farà passare una corrente: sono più rapidi ma il finale è meno amplificato. 78 R R --- Secondi messaggeri

Sistemi di Comunicazione tra Organi e Sistemi

Panoramica dei Sistemi

Sistemi di comunicazione tra organi e sistemi Sistema tegumentario Sistema nervoso Sistema endocrino Sistema muscoloscheletrico Sistema circolatorio Sistema respiratorio Sistema nervoso Sono due sistemi che si servono di molecole diverse, che agiscono in scale temporali diverse, ma che collaborano perchè Sistema endocrino - fondamentalmente le caratteristiche di uno integrano anche quelle dell'altro. Sorgente del messaggio - Tipo di messaggio - Risposta Sistema digestivo Sistema endocrino - Segnale preciso - Trasmissione veloce - Trasmissione lenta - Risposta puntiforme - Risposta specifica, ma diffusa - I segnali usati dal sistema nervoso sono fondamentalmente due: - chimici, a livello delle sinapsi - elettrici, lungo le cellule. Sistema endocrino Sistema di comunicazione fra cellule ed organi che utilizza mediatori chimici (ormoni) rilasciati prevalentemente nella circolazione sanguigna. SORGENTE TRASPORTO Cellula Endocrina - Sangue - BERSAGLIO Cellule endocrine e non endocrine STIMOLO RISPOSTA

Sistema Endocrino

• Cellule che producono l'ormone = ghiandole/cellule endocrine.
• L'ormone raggiunge ogni cellula del nostro organismo e i suoi bersagli sono tutte le cellule che hanno un sistema recettoriale specifico per l'ormone. L'interazione tra ormone e cellula bersaglio implica la risposta. Le risposte di questo sistema sono lente, perchè fondamentalmente ci serviamo del sangue, però è estremamente importante, perchè tramite sangue e liquido interstiziale raggiungiamo con gli ormoni ogni cellula del corpo umano.

Ormoni

Ormoni

• Agiscono a basse concentrazioni: nano-pico-femto molare - 10^-9, 10^-12, 10^-15 molare. Perchè se gli ormoni fossero in grado di agire ad alte concentrazioni vorrebbe dire che dovremmo avere delle ghiandole endocrine molto ampie e un sistema circolatorio molto più ridotto. Invece normalmente gli ormoni hanno la caratteristica di avere dei sistemi recettoriali molto particolari, estremamente attivi per l'ormone stesso, per cui anche concentrazioni molto basse possono essere attive.
• Gli ormoni vengono rilasciati nel torrente circolatorio e il loro effetto è quello di controbilanciare l'azione delle alterazioni ambientali che ne hanno indotto il rilascio: si intende in questo senso un'azione di omeostasi. 79 Sistema riproduttivo Sistema urinario Sistema nervoso - Segnale preciso

Caratteristiche degli Ormoni

• Un'altra caratteristica particolare di questo tipo di comunicazione è che abbiamo un livello basale di ormoni, di solito molto basso. Normalmente la produzione di ormone aumenta quando il nostro organismo ne ha bisogno, quindi, essi non vengono rilasciati sempre, ma solo quando ce n'è bisogno. Questo perchè la funzione degli ormoni è un po' quella di ristabilire una situazione di normalità, correggendo l'alterazione che ha portato al loro stesso rilascio.
• gli ormoni hanno normalmente una funzione omeostatica. L'organismo ne ha bisogno - ormoni rilasciati - interazione con cellula target - ripristino della condizione iniziale.
• La specificità d'azione degli ormoni è dettata non tanto dall'ormone stesso, quanto dai sistemi recettoriali.
• Ricorda: l'ormone, dalla ghiandola endocrina, deve essere rilasciato nei liquidi corporei.

(a) Gli ormoni sono secreti nel sangue dalle ghiandole endocrine o da altre cellule. Solo le cellule bersaglio dotate di recettori per l'ormone rispondono al segnale. Sangue Cellula endocrina Cellula senza recettore Cellula dotata di recettore Cellula bersaglio Nessuna risposta Risposta

Meccanismo d'Azione degli Ormoni

Funzione endocrina = trasporto dell'ormone per via ematica a distanza Meccanismo d'azione

• Essendo presenti in circolo, gli ormoni entreranno in contatto con tutte le cellule. Solo le cellule che avranno i recettori specifici di uno o più ormoni saranno bersaglio della loro azione. Target Cell for hormone A Target Cell for both hormones A and B Target Cell for hormone B Hormone A Hormone B

Funzione Neurocrina

Funzione neurocrina = cellule neuronali che rilasciano ormoni. (c) I neuroormoni sono molecole rilasciate da neuroni nel sangue per agire su bersagli distanti. Sangue Neuroni Cellula senza recettore Cellula dotata di recettore Nessuna risposta Risposta LEGENDA Stimolo Recettore Via afferente Centro integratore Via efferente Effettore Risposta del tessuto Segnale Neuroni sensoriali (afferenti) Midollo spinale stimolano Neuroni autonomi Neuroni motori somatici Recettori sensoriali Simpatico Parasimpatico controllano comunicano con controllano · Muscolo cardiaco stimolano · Muscolo liscio . Ghiandole esocrine Muscoli scheletrici controllano · Un certo tipo di tessuto adiposo · Vari parenchimi Segnale Neuroni del sistema nervoso enterico Risposte dei tessuti 80 Apparato digerente Retroazione

Gli ormoni sono contenuti all'interno di vescicole nel neurone e, invece che agire su altre cellule neuronali, vengono rilasciate nel torrente circolatorio. Queste cellule a funzione neuroendocrina sono molto interessanti perchè fungono da elemento di connessione tra sistema endocrino e nervoso. Il segnale ormonale origina in un neurone, viene trasportato lungo l'assone e da questo liberato nel sangue (neuroormone).

Sistema Nervoso

Sistema nervoso Il sistema nervoso si serve di due tipi di messaggio: · chimici - analoghi ai sistemi paracrini usati dalle cellule, sono normalmente presenti solo a livello delle sinapsi. · segnali elettrici - segnali che si generano in modo specifico nelle cellule che compongono il sistema nervoso, e sono fondamentalmente delle variazioni del potenziale di membrana: sono rapide depolarizzazioni del potenziale di membrana. Encefalo Sistema nervoso centrale (encefalo e midollo spinale Neuroni efferenti · Alcune ghiandole endocrine

I segnali viaggiano, esattamente come delle correnti lungo dei "cavi", per cui hanno bisogno di cellule specializzate. Abbiamo una rete di cellule che ha la funzione di formare questi "cavi" che mettano in comunicazione il cervello con ogni parte del sistema corporeo. Il segnale elettrico viaggia velocemente, ma solo se c'è la continuità e cioè le cellule sono una dietro all'altra.

Neurone

Neurone Le cellule fondamentali per mediare questa comunicazione mediata da segnali paracrini ed elettrici sono rappresentate dai neuroni. Cajal e Golgi (fine 800) - Teoria del connessionismo cellulare:

• I neuroni sono i componenti elementari da cui nascono i messaggi del sistema Nervoso
• Sono raggruppati in unità funzionali e connessi l'un l'altro in maniera precisa Funzione:
• riceve segnali da molteplici neuroni
• integra i segnali
• distribuisce informazioni ad altre cellule

I neurotrasmettitori sono molecole secrete da neuroni, che diffondono a breve distanza verso la cellula bersaglio. I neuroni comunicano anche tramite segnali elettrici. Segnale elettrico Cellula bersaglio Neurone

Il segnale viene rilasciato in un punto preciso in cui una cellula entra in contatto con un'altra, la sinapsi. Possono essere sinapsi tra cellule nervose o tra cellula nervosa e muscolare. Il meccanismo di comunicazione è un messaggio paracrino: viene rilasciato dal primo neurone, il messaggio normalmente è racchiuso in piccole vescicole, a livello della prima cellula e contatta il sistema recettoriale presente sulla cellula adiacente, consentendo così la comunicazione tra due cellule adiacenti.

• Questi sono segnali che viaggiano a brevi distanze. Gli altri tipi di messaggi usati da queste cellule, sono i segnali elettrici. Essi viaggiano soprattutto lungo gli assoni di queste cellule. I segnali elettrici sono come dei lampi di luce che viaggiano molto velocemente lungo le cellule nervose. Sono dovuti a depolarizzazioni molto ristrette/locali e importanti della membrana dell'assone. A livello delle sinapsi abbiamo una discontinuità fisica delle cellule, pertanto il segnale elettrico, che è una corrente, non può passare. Quindi, a livello delle sinapsi le correnti elettriche generano il rilascio del segnale paracrino/chimico, ovvero le vescicole che contengono il NT. Esse che fanno sì che il rilascio di NT possa determinare, interagendo con il sistema recettoriale sulla cellula postsinaptica, l'attivazione del recettore e la genesi di una nuova corrente nel secondo neurone. Per viaggiare è fondamentale che tutte le cellule nervose siano connesse con le cellule target: se una cellula bersaglio non viene raggiunta da un neurone, non sarà sensibile all'azione dei segnali elettrici. Il grande vantaggio è che, servendoci delle cellule neuronali e dei segnali elettrici, i messaggi possono essere distribuiti ad una velocità impressionante all'interno del nostro organismo. 81