Nessuna cellula vive isolata. Una complessa rete di comunicazione tra cellule

regola crescita, maturazione, differenziamento, metabolismo, omeostasi di

cellule che compongono tessuti ed organi. Le cellule bersaglio sono a volte

cellule che producono altri ormoni. I recettori ormonali svolgono un ruolo

essenziale nel mediare l'azione degli ormoni. L'azione degli ormoni é

determinata da differenti meccanismi intracellulari. Gran parte del controllo

della secrezione di ormoni dipende da meccanismi a feedback. Esiste una

stretta relazione tra l'attività del sistema nervoso centrale e la secrezione di

ormoni. Relazioni tra sistema nervoso e sistema endocrino :1) entrambi

sono dei sistemi di segnalazione; 2) operano secondo uno schema stimolo-

risposta; 3) trasmettono segnali in alcuni casi precisi e localizzati in altri

grossolani e disomogenei; 4) entrambi i sistemi sono cruciali affinché cellule

altamente differenziate, tessuti e vari organi che costituiscono l'organismo

possano funzionare in maniera coordinata.

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La > parte delle molecole che inducono cambiamenti rapidi dell’attività cellulare sono idrosolubili e si legano a

recettori localizzati a livello della membrana plasmatica. Altre molecole segnale alterano principalmente le modalità di

espressione genica e sono generalmente liposolubili; esse inducono risposte più lente e più durature rispetto a quelle

indotte da segnali idrosolubili. Uno degli esempi più noti di questa classe sono gli ormoni steroidei.

I recettori proteici si trovano sulla superficie, nel citosol, nel nucleo delle cellule bersaglio. Esse sono dotate di un

sito di legame ad alta affinità per un ormone, neurotrasmettitore, etc. Quando si ha il legame ligando-recettore si avvia

una serie di reazioni che altera il funzionamento della cellula. Una cellula può avere più tipi di recettori; tipi di cellule

diverse possono avere diversi recettori per lo stesso ligando che suscita risposte diverse; lo stesso recettore può essere

presente in tipi di cellule diverse suscitando risposte diverse (es. recettori per acetilcolina su muscolo scheletrico e

cellule miocardiche).

In alcune cellule diversi complessi ormono-recettore inducono una risposta cellulare analoga. Es. in epatociti il

glucagone e adrenalina legandosi ai propri recettori inducono degradazione di glicogeno e rilascio di glucosio nel

sangue.

L’unica funzione del ligando è quella di legarsi al recettore in quanto non viene metabolizzato per formare prodotti

utili, non è intermedio di attività cellulari e non ha proprietà enzimatiche. Le cellule bersaglio spesso modificano o

degradano il ligando e così facendo modificano o pongono fine alla risposta. Si possono classificare gli ormoni in 3

ampie categorie: 1) piccole molecole lipofile che diffondono attraverso la membrana plasmatica e interagiscono con

recettori presenti nel citosol e nel nucleo; 2) molecole idrofiliche che si legano a recettori sulla superficie cellulare; 3)

molecole lipofile che si legano a recettori della membrana plasmatica.

La > parte degli ormoni lipofilici interagisce con recettori citosolici o nucleari e altera l’espressione genica. I

rappresentanti più importanti che interagiscono con recettori intracellulari sono: steroidi; tiroxina e acido retinoico.

Gli ormoni sono molecole sintetizzate da tessuti specifici, le ghiandole, di cui

esistono due tipi quelle che secernono verso lume o esterno dette esocrine

mentre quelle che secernono ormoni sono le ghiandole endocrine e il

materiale va nei vasi sanguigni per essere trasportato al resto del corpo. La

tiroide ha una prima secrezione nel lume ma la funzione degli ormoni tiroidei

deve comunque passare per l’epitelio e poi può entrare nel circolo sanguigno.

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Le prostaglandine sono sostanze lipidiche, prodotte nella > parte dell’organismo che si legano a recettori

posti sulla superficie della cellula. Contengono un anello di ciclo-pentano e sono sintetizzate a partire

dall’acido arachidonico (ac grasso 20 atomi di carbonio). Esistono almeno 16 diverse prostaglandine

appartenenti a 9 classi chimiche diverse denominate PGA, PGB, …., PGL. Sono sintetizzate e secrete di

continuo e rapidamente degradate. Fungono da segnali paracrini. Mediano risposta di altri ormoni. Es:

aggregazione piastrine e adesione; ruolo fondamentale nella coagulazione del sangue. Aspirina altri

agenti ne inibiscono la sintesi. Contrazione della muscolatura liscia etc..

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Risposte che durano secondi o minuti sono tipiche di ormoni peptidici o di catecolamine. Le cellule secretorie sono

dotate di depositi. Ormoni peptidici come insulina e adrenocorticotropo sono secreti come peptidi più lunghi scisse poi

da proteasi specifiche. Gli ormoni peptidici sopravvivono nel sangue solo pochi minuti o secondi prima di essere

degradati da proteasi ematiche o tissutali. Le catecolamine vengono inattivate o internalizzate da cellule specifiche.

Effetti su enzimi specifici sono anch’essi abbastanza brevi. L’ormone tireostimolante determina endocitosi della

tireoglobulina e sua proteolisi a tiroxina. Gli steroidi derivano dal colesterolo. Le cellule che producono steroidi hanno

riserve sufficienti solo per poche ore.

Sintesi, liberazione e degradazione degli ormoni sono soggetti a regolazione. I livelli ormonali sono regolati da

complessi circuiti di feedback. Ad esempio i livelli di estrogeni e progesterone nel sangue della femmina dei

mammiferi. L'ormone ipofisario FSH induce il follicolo ovarico che si sta sviluppando a crescere e a secernere

estrogeni, che stimolano la crescita dell'endometrio uterino. Gli estrogeni agiscono anche sull'ipotalamo per inibire la

secrezione del fattore di rilascio del FSH(FSHRH) e direttamente sull'adenoipofisi per ridurre la secrezione di FSH,

abbassando cosi la produzione di estrogeni (feedback negativo). Con l'avvicinarsi del follicolo alla maturazione,

diminuisce la produzione di FSH. L'ipotalamo libera l'ormone di rilascio dell'ormone luteinizzante (LHRH). Esso

induce l'adenoipofisi a secernere LH, che porta a completamento la maturazione del follicolo e dell'oocita.ll follicolo

maturo libera l'oocita nell'ovidotto e viene trasformato in una ghiandola endocrina temporanea, il corpo luteo. Sotto la

continua stimolazione del LH, il corpo luteo produce progesterone che, a sua volta, determina l'ulteriore accrescimento

della parete uterina, preparandola a ricevere un embrione. Se si verificano la fecondazione e l'impianto, i tessuti

placentali producono la gonadotropina corionica, (CG), un ormone peptidico la cui struttura e funzione sono simili a

quelle del LH. La gonadotropina corionica impedisce che il corpo luteo degeneri; in particolare, mantiene la sintesi

continua di progesterone (feed-back positivo). Il progesterone, a sua volta, mantiene le cellule dell'endometrio, che

riveste la cavità uterina, e si forma un buon sistema di irrorazione sanguigna per nutrire l'embrione impiantato.

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Dopo aver attraversato la membrana plasmatica gli steroidi interagiscono con i recettori proteici situati

nel nucleo o nel citosol e vanno così a formare complessi che si accumulano nel nucleo; qui si legano a

sequenze di DNA specifiche con funzione di regolazione e fanno aumentare o diminuire il tasso di

trascrizione dei geni adiacenti. Tali complessi possono anche influire sulla stabilità di specifici mRNA.

Sono efficaci per tempi relativamente lunghi (ore o giorni). Spesso influenzano la crescita o il

differenziamento di tessuti specifici.

Ormoni proteici e catecolammine interagiscono con recettori di superficie. Questa categoria comprende

grandi polipeptidi, come l’insulina, il GH ed il glucagone e le catecolamine. Gli effetti di tali ormoni sono

di solito immediati e di durata molto breve: i tempi di reazione della cellula sono dell’ordine dei

millisecondi o al massimo di pochi secondi. In genere questi recettori si avvalgono di messaggeri

intracellulari come l’AMPc ed il calcio che sono i maggiori rappresentanti.

Gli effetti di fattori di crescita che inducono variazioni dell’espressione genica in pochi minuti si

protraggono per giorni e sono necessari per la crescita ed il differenziamento cellulare.

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Gli ormoni steroidei liposolubili attraversano la membrana e diffondono nel citoplasma dove si legano ai

recettori specifici ed insieme entrano nel nucleo. Esperimenti fatti con anticorpi, hanno dimostrato che

inizialmente il recettore è localizzato nel citoplasma dove fa parte di un aggregato proteico con l’inibitore

(heat shock protein). Dopo il legame con l’ormone, il recettore si trova essenzialmente nel nucleo. La

formazione del fattore di trascrizione attivo richiede quindi il legame con l’ormone che determina la

rimozione dell’inibitore del complesso proteico-inibitore con la esposizione del sito che lega il DNA. Il

primo recettore per il quale si ottenne un elevato grado di purificazione era specifico per i

glucocorticoidi. Con le tecniche di genetica molecolare è stato possibile ottenere i cloni per

glucocorticoidi, ormone tiroideo, vitamina D, acido retinoico Con microscopio elettronico è stato

evidenziato il legame dei complessi recettore-ormone che si legano in più siti in regioni da qualche

centinaio di nucleotidi a monte del segnale di inizio della sintesi del RNA. Il confronto tra le sequenze

dei recettori dimostra che questi appartengono ad 1 superfamiglia che ha 1 dominio ammino-terminale

variabile tra 100-500 aacidi, non conservato tra i vari recettori; 1 nucleo centrale di circa 68 aacidi

altamente conservato (più del 40% di identità di sequenza tra i recettori diversi). In questa regione

centrale ve ne è 1 ricca in aacidi basici ed 1 ricca in cisteina, costituendo un dominio a dita di zinco. Il

dominio che lega le molecole di effettore è all’estremità carbossi-terminale. I vari recettori per gli ormoni

steroidei non sono presenti uniformemente in varie cellule. I recettori per l’ormone tiroideo che sono

almeno 2 non sono rappresentati nella stessa misura nelle diverse cellule.

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Una volta entrato nel nucleo il complesso ormone recettore si lega al DNA. Si conoscono i siti di legame

al DNA caratteristici per tutti i principali recettori degli ormoni steroidei (Elementi di risposta) che sono

lunghi 15 basi circa e presentano una simmetria a diade (costituiti da tratti ripetuti e invertiti imperfetti

suggerendo che i recettori potrebbero legarsi sotto forma di dimeri a tali siti. Esperimenti di footprint con

la DNAasi hanno dimostrato che i complessi recettore -ormone glucocorticoide si legano a 4-6 siti di di

DNA di un frammento di 1,2 kb del genoma del virus di un tumore mammario di topo (MMTV), la cui

trascrizione aumenta in presenza di glucocorticoidi. Il legame avviene ad una distanza di 84-305

nucleotidi a monte del segnale di inizio per la sintesi del RNA.

Il legame tra il recettore ed il DNA avviene tramite delle regioni a dita di zinco, possedute dai rrecettori

degli ormoni steroidei e tiroidei e da dozzine di altre proteine di regolazione che sono caratterizzate dalla

ripetizione di 9 domini che contengono cisteine e istidine ad intervalli regolari. La proteina purificata è

associata allo zinco, che è necessario alla sua attività. Nella struttura ripiegata dotata di dita di zinco i

domini che si ripetono formano anse in maniera che 1 ione zinco sia legato tra una coppia di cisteina e 1

coppia di istidine. Nelle anse troviamo in posizioni quasi costanti, 1 residuo di fenilalanina (F) o di

tirosina (y) e 1 residuo di leucina (L) che sono necessari al legame con il DNA. I pallini neri indicano le

catene laterali che con maggior probabilità sono impegnate in legami con il DNA.

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I recettori steroidei regolano la velocità della trascrizione genica. Le sequenze geniche che fungono da stampo per la

trascrizione comprendono due regioni: 1 codificante e 1 regolatrice. La regione regolatrice è posta a monte di quella

codificante. La regione regolatrice a sua volta comprende 2 diversi tipi di controllo. Il primo o elemento prossimale è

detto regione del promotore. In molti geni questo elemento è una sequenza di otto coppie di basi, detta TATA-box

poiché ricca di adenina e timina ed è circondata da guanina e citosina (G e C), localizzata circa 30 coppie di basi a

monte rispetto al punto di inizio della trascrizione. La TATA box ha la funzione di far assumere al RNA-polimerasi

l’esatta posizione dalla quale deve partire la trascrizione; negli eucarioti l’RNA polimerasi si lega alle proteine del

TATA-box.

Il secondo elemento di controllo o distale è rappresentato dalla zona del DNA detta regione dell’intensificatore

localizzato ad una distanza variabile di poche centinaia di coppie di basi sino a 100 kilobasi dall’elemento promotore.

Gli elementi dell’intensificatore 7-20 paia di basi sono detti elementi di risposta. L’elemento di risposta a AMPc

(CRE) consiste dalla sequenza ACGTCA e riconosce proteine leganti (CREB) attivate da processi di fosforilazione

controllati da protein-chinasi AMPc-dipendente. L’elemento di risposta al siero o estere del forbolo (SRE o PRE) ha

sequenza TGACTCAG. Elemento di risposta ai glicocorticoidi (GRE) riconosce il recettore proteico di tali ormoni.

Affinchè gli ormoni possano esercitare il loro effetto è indispensabile che gli elementi regolatori si leghino con le

proteine del promotore (fattori del TATA-box ) si leghino con l’intensificatore. Poiché le regioni del promotore e

dell’intensificatore sono molto distanti è stato ipotizzato che le sequenze del DNA si ripieghino ad ansa in modo da

che le proteine regolatrici legate all’intensificatore si leghino a quelle prossimali del promotore. Fattori di trascrizione

come ad esempio il recettore degli ormoni steroidei posseggono: una regione di legame con il DNA (dita di zinco); una

regione attivatrice con carattere acido che entra in contatto con i fattori di trascrizione; una o più regioni di legame per i

ligandi o siti di fosforilazione necessari per attivare i fattori di trascrizione. La maggior parte delle regioni di legame

con il DNA appartengono a 1 di queste 3 famiglie: 1) Proteine elica-giro-elica costituite da catene polipeptidiche che

contengono almeno due tratti con struttura ad alfa-elica; 2) Proteine a dita di zinco; 3) Proteine anfipatiche ad elica:

comprendono 2 tipi di sottostrutture, proteine elica-ansa-elica e proteine a cerniera di leucina. Queste 3 classi di

proteine regolatrici della trascrizione formano dimeri che possono legarsi tra loro o con il DNA. E’ possibile la

formazione di eterodimeri le quali possono legarsi a sequenze diverse di DNA regolando in tal modo l’attività di geni

bersaglio diversi in molteplici combinazioni. Un numero limitato di proteine regolatrici è in grado di esercitare un

numero molto elevato di interazioni regolatrici sul processo di trascrizione

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In Molti recettori di superficie il legame con il ligando attiva un’enzima che genera un incremento di

breve durata nella concentrazione del secondo messaggero intracellulare. Tra i secondi messaggeri si

annoverano AMP 3’, 5’ ciclico (cAMP), il GMP 3’, 5’ ciclico (cGMP), 1,2-diacilglicerolo, inositolo 1,4,5-

trifosfato (IP3) ed il Ca2+.

Un primo caso è un’attivazione indotta dal ligando di una proteina G e generazione di un secondo

messaggero. Il legame del ligando attiva una proteina G che si lega, attivandolo, a un enzima, che genera

un secondo messaggero intracellulare specifico.

La guanilato ciclasi è attivata direttamente dal legame con il ligando senza l’intervento di una proteina G.

Questo, legandosi, attiva la sintesi nel citosol del secondo messaggero GMP 3',5‘ ciclico a partire da

GTP. L’elevata concentrazione intracellulare di 1 o più di questi II messaggeri determina rapida

alterazione dell’attività di 1 o più enzimi o altre proteine. La rimozione o degradazione del ligando riduce

il livello del secondo messagero e pone fine alla risposta metabolica. Recettori per insulina (B) agiscono

direttamente fosforilando proteine substrato e in tal modo modificandone l’attività. La loro attività

protein- chinasi è attivate dal legame recettore-ligando. Altri recettori sono fosfatasi proteiche di residui

tirosinici la cui attivazione è indotta ancora una volta dal ligando. Ciò porta alla rimozione di residuo

fosforico legato a una tiroxina di una proteina substrato. (A) Recettori canale ionici attivati dal calcio. Il

ligando induce nel recettore, associandosi a esso, una variazione conformazionale, che apre nella proteina

stessa un canale ionico specifico. Ne consegue un flusso di ioni, che altera la differenza di potenziale

elettrico tra i due lati della membrana. Tali recettori-canale si trovano in particolare nel sistema nervoso.

Una menzione particolare meritano le prostaglandine che pur essendo lipofiliche si legano a recettori di

superficie.

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Schema generale delle vie di secondo messaggero. Finora sono state identificate soltanto alcune delle vie attraverso

le quali può aver luogo la trasduzione dei segnali.Le tre vie rappresentate nella figura comportano una serie di passaggi

analoghi (a sinistra). I neurotrasmettitori entrano in contatto con molecole recettrici della membrana plasmatica ed

attivano una famiglia di proteine trasduttrici strettamente imparentate fra loro e capaci di attivare enzimi che fungono

da effettori primari. Questi enzimi danno origine alla formazione di un secondo messaggero, che può attivare un

effettore secondario o agire direttamente su proteine bersaglio (regolatrici). La prima delle vie rappresentate dà origine

al secondo messaggero AMPc che viene prodotto dall'adenilil-ciclasi attivata da una proteina-G (il nome dipende dal

fatto che queste proteine sono attive soltanto in presenza di guanosin trifosfato (GTP). La proteina-G rappresentata

viene detta G, in quanto stimola la ciclasi. Alcuni recettori attivano un'altra proteina, Gi, che inibisce la ciclasi. La

seconda via è attivata da un recettore muscarinico per l' ACh ed impiega un'altra proteina-G (G) per attivare la

fosfolipasi C (PLC). L'enzima dà origine a una coppia di secondi messaggeri, il DAG e l'IP 3. L'IP3 a sua volta,

mobilizza Ca2+ dai depositi intracellulari. Il DAG attiva la protein-chinasi C (PKC). Il terzo principale sistema

rappresentato attiva una cascata di reazioni enzimatiche che modificano l'acido arachidonico attraverso la fosfolipasi

A2 (PLA2). Tre importanti enzimi che intervengono in questa cascata di reazioni sono: la 5- e la 12-lipossigenasi e la

ciclossigenasi.

Struttura dei recettori accoppiati a proteine G. La struttura dei recettori accoppiati a proteine G è caratterizzata

dalla presenza di sette segmenti di catena polipeptidica che attraversano la membrana a tutto spessore. La struttura del

recettore 1-adrenergico è analoga a quella del recettore 2-adrenergico, del recettore muscarinico per l' ACh e della

rodopsina. Una caratteristica strutturale importante di questi recettori è rappresentata dal sito di legame per l’ormone

che è localizzato sulla superficie extracellulare della cellula, appena ricoperto dalla matrice lipidica della membrana

(nell'esempio, il sito è rappresentato dal residuo 113 di un aspartato). La parte del recetto re colorata in marrone è

quella con cui prende rapporto la proteina-G. I due residui di serina, raffigurati in nero indicano i siti dove avviene la

fosforilazione. (Modificata, da Frielle e collaboratori, 1989.)

I recettori a sette -eliche transmembrana sono una famiglia molto grande di

recettori, corrispondenti a centinaia di geni diversi. Evidentemente, la scelta

evolutiva di usare questi recettori è stata favorevole, dato che essi sono

presenti in tantissimi sistemi. Per esempio, tutti i nostri sensi presentano questi

recettori, prima tra tutti la vista. Inoltre, questi recettori legano i ligandi più

disparati per regolare la sensibilità, la mobilità cellulare etc. Per questo

motivo, capire come funziona uno di questi recettori serve a capire come

funzionano tutti gli altri.

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Il recettore dell’adrenalina è il recettore beta -adrenergico ed è stato il primo

ad essere studiato. Il primo messaggero della via è l’adrenalina, un derivato

della tirosina, e il secondo è il cAMP, derivato dell’ATP ciclizzato. Il recettore,

strutturalmente, presenta sette alfa-eliche idrofobiche transmembrana e

assomiglia alla rodopsina dei batteri, anche se la loro funzione è diversa.

Le sette alfs-eliche trans membrana vanno a formare una struttura a barile

formata solo da loop e alfa-eliche, che insieme creano una profonda tasca dove

si legherà il ligando, in questo caso l’adrenalina. Analogamente, nei recettori

per il glucagone c’è una tasca specifica per esso, di struttura molto simile a

quella per l’adrenalina. Nella parte citosolica del recettore ci sono solo loop

più o meno brevi e una breve coda C-terminale sporgente. Essi appaiono non

avere una struttura secondaria ben definita, tuttavia la porzione citosolica è

fondamentale per la funzione del recettore, in quanto è qui che avvengono le

interazioni intermolecolari e le modificazioni covalenti. Questi recettori si

chiamano GPCR (G protein coupled receptor), perché nella parte intracellulare

sono legate, con interazioni deboli ma con alta affinità, le proteine G.

Al contrario dei recettori, che possono essere migliaia per trasdurre migliaia di

segnali diversi, le proteine G sono nell’ordine della decina, perché il

meccanismo di trasduzione è molto simile: l’unica differenza è il tipo di

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segnale esterno che in quel preciso momento la cellula deve trasdurre, ma una volta

entrato il segnale, il meccanismo di trasduzione è invariato. Abbiamo dunque una

convergenza di migliaia di recettori verso un unico tipo di proteina G.

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Oltre alle proteine G eterotrimeriche che come detto intervengono in una serie di vie di trasduzione del

segnale, le più conosciute sono riportate nella tabella riportata nel lucido, esistono proteine G

monomeriche a basso PM = 20.000-35.000 dalton. I ruoli più importanti prevedono allungamento catene

polipeptidiche nella sintesi proteica, proliferazione e differenziazione cellulare e loro trasformazione

neoplastica, controllo del citoscheletro actinico e suoi legami con la matrice extracellulare, il trasporto

delle vescicole e secrezione tramite esocitosi. Hanno un ciclo di attivazione e disattivazione simile a

quello riportato per le proteine G eterotrimeriche; in questo caso però intervengono proteine regolatrici

che non sono attive nel caso delle proteine G eterotrimeriche. In figura è illustrato il ciclo di attività di

una proteina G monomerica di tipo Ras. Altre proteine G monomeriche hanno cicli simili. L' attivazione

della Ras è stimolata da una GNRP (proteina che libera nucleotidi guaninici), che promuove il legame di

GTP e la liberazione di GDP e, pertanto, l'attivazione della proteina G monomerica. L 'inattivazione della

Ras è, invece, promossa da una GAP (proteina attivatrice della GTPasi), che stimola l'idrolisi del GTP

legato. Di conseguenza l’attivazione e l’inattivazione delle proteine G monomeriche sono controllate da

segnali che a loro volta influenzano l’attività di GNRP e GAP piuttosto che effetti sulla proteina G

monomerica.

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