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Comunicazione Cellulare: Meccanismi di Trasduzione del Segnale, Lecture notes of Biology

comunicazione cellulare, biologia

Typology: Lecture notes

2022/2023

Uploaded on 01/30/2023

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(Un dimero è una molecola formata dall'unione di due subunità (dette monomeri)
Le cellule rispondono di continuo all’ambiente (già abbiamo visto che il citoscheletro o le giunzioni ci
predispongono a rispondere all’ambiente) e, per fare ciò, ci sarà la necessità per tutte le cellule di fare la
comunicazione cellulare.
Noi come individui siamo inseriti nell’ambiente. Abbiamo il DNA che è il nostro genotipo (lo esprimiamo un
po' perché dobbiamo rimanere homo sapiens, un po' perché stiamo respirando, un po' per mantenere la
struttura). Un terzo delle nostre cellule le esprimo per adattarci a tutto l’ambiente, la cellula stessa si trova
in un microambiente ed essa si adatta e risponde, per mantenere le concentrazioni omeostatiche
(mantenere costante l’ambiente interno nonostante i cambiamenti dell’ambiente esterno).
Alcune cellule, (ad esempio quelle presenti nelle ghiandole endocrine) rispondendo attraverso una prima
segnalazione che parte dal sistema nervoso centrale, produrranno delle molecole che mi descrivono la
risposta che devo dare per adattarmi a livello sistemico. Però, alla fine, tutte quante le cellule, nel loro
piccolo, si adattano.
COMUNICAZIONE CELLULARE
Quando parliamo della comunicazione cellulare, devo tener conto che nella cellula abbiamo una membrana
con il doppio strato fosfolipidico e, come abbiamo già detto in precedenza, alcune molecole l’attraversano
ed altre no. Quindi ho la necessità di fare arrivare alla mia cellula un segnale, che dovrà essere interpretato
per poi dare una risposta a livello di modificazione dell’espressione dei geni contenuti nel nucleo. Quindi
arriva da fuori il messaggio e io rispondo dentro il nucleo. Questo messaggio può arrivare ed essere di varia
natura dal punto di vista chimico (attraversare la membrana o andarci a sbattere, quindi non attraversarla).
La TRASDUZIONE del segnale mi insegna come avviene la decodifica (interpretazione) del messaggio
che arriva dall’esterno e che non è in grado di attraversare direttamente la membrana plasmatica,
attraverso tutti quei meccanismi che dalla membrana mi portano dentro al nucleo, per comunicare con il
DNA e decidere l’espressione genica.
Ciò che arriva fuori dalla cellula si chiama in tre modi diversi:
primo messaggero;
molecola segnale;
ligando (che lega)
(stiamo parlando di molecole che non sono in grado di attraversare spontaneamente la membrana). Inoltre,
all’interno della cellula aumenterà la concentrazione di un altro tipo di molecola, che si chiamerà secondo
messaggero e c’è ne stanno una decina. Questo secondo messaggero mi attiva una serie di meccanismi, che
arriveranno dentro al nucleo e decideranno quali geni, per quel primo messaggero, dovrò esprimere per
dare la risposta e adattarmi.
Durante la trasduzione, il segnale viene amplificato, cioè arriva pochissimo primo messaggero da fuori la
cellula.
Tutti i meccanismi che dalla membrana vanno al nucleo prendono il nome di trasduzione del segnale.
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(Un dimero è una molecola formata dall'unione di due subunità (dette monomeri) Le cellule rispondono di continuo all’ambiente (già abbiamo visto che il citoscheletro o le giunzioni ci predispongono a rispondere all’ambiente) e, per fare ciò, ci sarà la necessità per tutte le cellule di fare la comunicazione cellulare. Noi come individui siamo inseriti nell’ambiente. Abbiamo il DNA che è il nostro genotipo (lo esprimiamo un po' perché dobbiamo rimanere homo sapiens, un po' perché stiamo respirando, un po' per mantenere la struttura). Un terzo delle nostre cellule le esprimo per adattarci a tutto l’ambiente, la cellula stessa si trova in un microambiente ed essa si adatta e risponde, per mantenere le concentrazioni omeostatiche (mantenere costante l’ambiente interno nonostante i cambiamenti dell’ambiente esterno). Alcune cellule, (ad esempio quelle presenti nelle ghiandole endocrine) rispondendo attraverso una prima segnalazione che parte dal sistema nervoso centrale, produrranno delle molecole che mi descrivono la risposta che devo dare per adattarmi a livello sistemico. Però, alla fine, tutte quante le cellule, nel loro piccolo, si adattano. COMUNICAZIONE CELLULARE Quando parliamo della comunicazione cellulare, devo tener conto che nella cellula abbiamo una membrana con il doppio strato fosfolipidico e, come abbiamo già detto in precedenza, alcune molecole l’attraversano ed altre no. Quindi ho la necessità di fare arrivare alla mia cellula un segnale, che dovrà essere interpretato per poi dare una risposta a livello di modificazione dell’espressione dei geni contenuti nel nucleo. Quindi arriva da fuori il messaggio e io rispondo dentro il nucleo. Questo messaggio può arrivare ed essere di varia natura dal punto di vista chimico (attraversare la membrana o andarci a sbattere, quindi non attraversarla).

La TRASDUZIONE del segnale mi insegna come avviene la decodifica (interpretazione) del messaggio

che arriva dall’esterno e che non è in grado di attraversare direttamente la membrana plasmatica, attraverso tutti quei meccanismi che dalla membrana mi portano dentro al nucleo, per comunicare con il DNA e decidere l’espressione genica. Ciò che arriva fuori dalla cellula si chiama in tre modi diversi:  primo messaggero;  molecola segnale;  ligando (che lega) (stiamo parlando di molecole che non sono in grado di attraversare spontaneamente la membrana). Inoltre, all’interno della cellula aumenterà la concentrazione di un altro tipo di molecola, che si chiamerà secondo messaggero e c’è ne stanno una decina. Questo secondo messaggero mi attiva una serie di meccanismi, che arriveranno dentro al nucleo e decideranno quali geni, per quel primo messaggero, dovrò esprimere per dare la risposta e adattarmi. Durante la trasduzione, il segnale viene amplificato, cioè arriva pochissimo primo messaggero da fuori la cellula. Tutti i meccanismi che dalla membrana vanno al nucleo prendono il nome di trasduzione del segnale.

In precedenza, abbiamo parlato delle proteine transmembrana, cioè che mettono in comunicazione l'esterno della cellula con l'interno. Esistono tre tipologie di mediazione tra l'esterno e l'interno:

  1. RECETTORE ASSOCIATO AD UN CANALE IONICO: È una proteina molto particolare perché ha due porzioni; una porzione ha una funzione recettoriale, e poi una porzione che costituisce un canale che mi mette in comunicazione l’esterno con l’interno e viceversa. Quando noi abbiamo un recettore parleremo di una porzione della proteina che è in grado di legare il ligando, detto anche primo messaggero o molecola segnale. Questo recettore sarà una subunità di una proteina più grossa, in questo caso associato ad un canale ionico (canale: c’è un’apertura che mette in comunicazione i due lati della membrana. Ionico: quell’apertura sarà per uno ione specifico come il sodio, potassio, magnesio, ecc.). (canale ionico per il sodio, canale ionico per il potassio, ecc.). Inoltre io ho due conformazioni, una dove il canale è chiuso e l’altra dove il canale è aperto. La proteina ha una subunità che funge da recettore, il primo recettore (per affinità chimica) alloggia a livello della porzione recettoriale. La proteina nel suo complesso si carica e cambia conformazione e il cambio di conformazione mi determina l’apertura fisica del canale. Quindi il canale da chiuso, cioè senza il legame con il primo messaggero, quando lega il primo messaggero si apre (il primo messaggero è rappresentato dalla pallina rossa nella figura). Se questo canale fosse stato, per esempio, per il sodio, una volta che il primo messaggero lega la porzione recettoriale, cambia la conformazione del canale e lo apre, il sodio spontaneamente entra e a concentrazione maggiore si sposta verso la concentrazione minore. Il sodio, in assenza di segnale, non c’era, quindi farlo entrare implica l’aver dato un segnale.

3) RECETTORE ASSOCIATO A PROTEINA G

Nella figura troviamo in verde è la proteina G, il recettore è quello in rosa. Molte molecole utilizzano questo meccanismo, nell'esempio troviamo una proteina che viene indicata con la lettera E maiuscolo ed è l'Epinefrina, che è un sinonimo di adrenalina. La porzione recettoriale (anche in questo caso) si trova sempre dal lato extracellulare (fuori la cellula). In questo caso, però, il recettore è particolare poiché quando è associato ad una proteina G attraversa 7 volte il doppio strato fosfolipidico. È dispari perché un'estremità è verso l'esterno e l'altra è verso l'interno. L'estremità che presenta il gruppo ammidico libero (NH2 che in soluzione acquosa diventa NH3+) si trova dal lato extracellulare, mentre il lato opposto, che si trova sul lato citoplasmatico, avrà il gruppo carbossilico libero e sarà l'ultimo amminoacido che non forma nessun legame peptidico e che si ritrova il gruppo carbossilico libero (COOH. Il gruppo carbossilico in acqua perde un idrogeno, trattiene l’elettrone dell’idrogeno e avrò COO-) Questo recettore (associato a proteina G che attraversa sette volte la membrana) ha un sito di legame per il primo messaggero, che nell'esempio (come abbiamo già detto) è l'epinefrina, poi il lato citoplasmatico lega la proteina G. La proteina G è composta da tre subunità: alfa, beta e gamma. Quindi avrò tre geni diversi che mi daranno la proteina G completa (un gene per la subunità alfa, uno per la beta e uno per gamma). Dal lato citoplasmatico del recettore, c'è un'affinità chimica tra la subunità gamma e ed il recettore (spostandomi più lontano troveremo la subunità beta e poi alfa). Se l'epinefrina non è legata tutto il complesso sarà spento, quindi quando manca il primo messaggero il segnale non lo devo dare. Quindi ho il recettore senza l'epinefrina e ho gamma, beta e alfa uno vicino all'altro. Il sistema è a riposo. La subunità alfa a riposo lega una molecola di GTP (guanosina trifosfato). (doppio ATP ci viene GTP)

I nucleotidi trifosfato sono formati da una base azotata (adenina, guanina, citosina, ecc), uno zucchero (che nel caso dell'esempio è il ribosio) e il carbonio n° 5 mi lega tre gruppi fosfato. I legami evidenziati in grassetto si chiamano legami ad alta energia. Nella nostra proteina G la subunità gamma lega il recettore, la beta fa da intermediario, mentre la subunità alfa, quando è a riposo (non c'è nessun primo messaggero), mi lega un GTP. Quando arriva l'adrenalina essa non attraversa la membrana, ma ha bisogno di uno dei meccanismi di trasduzione e, dunque, utilizza un recettore associato a proteina G. L'adrenalina si siede a livello della porzione recettoriale e il recettore che attraversa sette volte la membrana, legge questo segnale che arriva da fuori e, attraversando 7 volte la membrana, me lo porta dentro. C'è il cambio di conformazione del recettore, che viene rivenduto alla subunità gamma, che va a modificare la subunità beta, che va a modificare la subunità alfa. Tutto questo avviene quando l'adrenalina si lega La subunità alfa a riposo lega il GDP. A questo punto percepisce il cambio di conformazione trasmesso dalla subunità beta, rilascia il GDP e lega il GTP (ha un gruppo fosfato in più). Avendo aggiunto un legame, la subunità alfa si carica. A questo punto la subunità alfa si sposta, abbandona la subunità beta e gamma e tutto il recettore, e se ne va rimanendo, però, vicino alla membrana, dove troverà un'altra proteina transmembrana. Questa proteina, indicata con l'acronimo AC, è l'adenilato ciclasi (questa proteina sta ferma aspettando una subunità alfa attiva, che ha legato il suo GTP).