04A - LA SENSIBILIZZAZIONE - I SEGNALI CELLULARI : RECETTORE E LIGANDO

LA SENSIBILIZZAZIONE  - I  SEGNALI CELLULARI

RECETTORE E LIGANDO

(nozioni essenziali) 
di Vasco Bordignon

PREMESSA

Per comprendere il complesso meccanismo della sensibilizzazione allergica è necessario conoscere le due reti di comunicazione presenti nel nostro organismo

- la prima rete è rappresentata da una serie di segnali che le cellule ricevono e di una serie segnali che le cellule producono. Ciò consente un controllo accurato, preciso, di quanto succede nel loro habitat in special modo nei confronti di qualsiasi tentativo di danno o di alterazione anatomica o funzionale. In questo ambito parleremo  di chemochine e citochine.
- la seconda rete è situata all’interno delle stesse cellule per controllare in dettaglio tutto ciò che  riesce a superare il suo confine, la sua membrana plasmatica, determinando se sia compatibile con il self oppure no. In questo ambito parleremo  del Sistema Maggiore di Istocompatibilita’ (MHC ). 

Il passo successivo è conoscere la cellula che sta al centro di tutti questi meccanismi che coinvolgono sia l’immunità innata sia l’immunità adattativa: è la cellula dendritica, snodo fondamentale e necessario, assieme alla impronta genetica, per portare alla sensibilizzazione allergica. 

Prima di entrare nel merito delle due reti dobbiamo conoscere un po’ gli strumenti che queste reti utilizzano per il loro funzionamento e quindi accenneremo ai significati di recettore e di ligando e le modalità con cui avviene la trasduzione del segnale.


RECETTORE E LIGANDO 

Il dialogo tra le cellule del nostro organismo avviene attraverso il rilascio di particolari molecole che saranno poi rilevate dalle cellule di riferimento.
Il dialogo può avvenire tra cellule di organi tra loro distanti e quindi tale comunicazione si realizza a livello sistemico ad es. mediante il circolo ematico: gli ormoni prodotti da una ghiandola es. ipofisi  vanno a raggiungere ad es. le ovaie operando una comunicazione  sistemica. Oppure il dialogo avviene tra cellule adiacenti mediante molecole che sono chiamate mediatori, o, come nel caso delle cellule nervose,  neurotrasmettitori.

segnali_cellulari_001_-_segnali_cellulari_002Sia nella situazione sistemica che in quella adiacente,  le cellule di riferimento o di bersaglio devono possedere appropriati recettori per rilevare  le varie molecole o ligandi (che abbiamo chiamato od ormoni o mediatori o neurotrasmettitori).
Pertanto un recettore (in biochimica) è una proteina, transmembrana o intracellulare, che si lega con un fattore specifico, definito ligando, causando nel recettore una variazione conformazionale in seguito alla quale si ha l'insorgenza di una risposta cellulare o un effetto biologico.
Quindi  il RECETTORE per legarsi al ligando dovrà una struttura che si incastra perfettamente a quella del ligando, in sostanza come la combinazione chiave-serratura.
Quindi solo le cellule che hanno un recettore appropriato risponderanno ad un particolare ligando (v. figura sottostante).

003_-_ALL_-_CELL_-DENDR_-_RECETTORE_-_LIGANDOI_


Alcuni recettori si trovano all'interno delle cellule: possono rispondere solo a molecole che riescono ad attraversare la membrana cellulare, ad es. i corticosteroidi e che sono tra loro complementari.
A volte un ligando (come una molecola messaggera) unendosi al suo recettore attiva  dentro la cellula un secondo messaggero che di solito avvia una reazione biochimica. (fig. sottostante)

004_-_recettore_-_ALL-CELL-DENDR_-_REC-_MESSAGGERO

L’interazione recettore-ligando si comporta come un interruttore molecolare che accende una determinata via metabolica, con la quale le funzioni cellulari si modificano in funzione del messaggio ricevuto.


I recettori possono dividersi in due categorie
- recettori di membrana o di superficie che riconoscono per lo più molecole di segnalazione (ligandi) di natura idrofilica e quindi non in grado di superare la barriera plasmatica. Questi recettori sono capaci di trasdurre il segnale all’interno della cellula
- recettori intracellulari che riconoscono di norma piccole molecole idrofobiche che entrano facilmente nella cellula: questi recettori possono essere citoplasmatici o nucleari. In generale i recettori intracellulari sono costituiti da molecole in grado di legare sequenze di DNA attivando o reprimendo un’espressione di geni specifici.

SEGNALI_-_003_



TRASDUZIONE DEL SEGNALE

Dopo che il recettore di membrana si è legato al suo ligando, il recettore innesca dei meccanismi di trasduzione del segnale dall’esterno all’interno della cellula: qui  in genere viene attivata una via di segnalazione basata su una catena di enzimi/proteine che operano uno dopo l’altro a cascata  fino ad arrivare alla proteina bersaglio che determinerà  uno specifico processo cellulare ad es. trascrizione genica, cambiamento della permeabilità di membrana, ecc.

I più importanti meccanismi di trasduzione si basano su modificazioni delle attività di alcuni enzimi/proteine, quali le chinasi (che fosforilano) e le fosfatasi (che defosforilano).

Ad es. l’aggiunta di gruppi fosfato può indurre modificazione della conformazione di una proteina influenzandone la sua attività e/o la sua localizzazione. 

Altri meccanismi possono fondarsi su modificazioni delle concentrazioni intracellulari di specifici elettroliti es. Ca2+ o di altre piccole molecole.


tre_tipi_recettorio


Il sistema di trasduzione del segnale pertanto dipende dal tipo di recettore di membrana che in sostanza è di tre tipi:
- recettori di membrana collegati a canali ionici
- recettori di membrana accoppiati a proteine G
- recettori di membrana accoppiati ad enzimi


RECETTORI COLLEGATI A CANALI IONICI

005_-_All_-_chemo_-_recettori_a_canali_ionici_ok

I recettori-canale sono proteine multimeriche (fatte da più subunità) che attraversano da parte a parte la membrana plasmatica. Le subunità, tra loro allineate, formano un canale attraverso cui possono passare ioni.
I recettori collegati a canali ionici si aprono/chiudono in seguito al legame con un molecola segnale (ligando). Ne segue una alterazione della polarità di membrana.
I recettori-canale si dividono in base alla carica che lasciano passare in:
1- cationici (fanno passare cariche positive come sodio e calcio; esempi: recettore per l’acetilcolina, recettori per il glutammato, recettori per purine, ecc)
2- anionici (fanno passare cariche negative come cloro; esempi: recettore per il GABA, ecc)
La stimolazione prolungata dei recettori canale provoca nel giro di pochi secondi desensitizzazione (incapacità del recettore a rispondere al neurotrasmettitore)
 

RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G

I recettori accoppiati alle proteine G rappresentano la più grande famiglia di recettori di superficie.

I recettori sono costituiti da un'unica subunità formata da un filamento di aminoacidi che attraversa 7 volte la membrana cellulare. Il sito con il ligando è posto sul versante extracellulare del recettore. Sul versante intracellulare del recettore è presente il sito di legame con la proteina G, la quale si identifica in un complesso di tre subunità proteiche chiamate αβγ. Ne parleremo più diffusamente ancora in ambito delle chemochine. 

A - In condizioni di riposo la proteina G è inattiva in quanto la subunità α lega una molecola di GDP (guanosina-di-fosfato) e le subunità βγ rimangono associate alla subunità α, e  quindi le tre subunità costituenti αβγ sono legate tra loro.

_001_ok_g_prtote
B - Il legame con il recettore induce un cambiamento conformazionale della subunità α; il GDP si stacca  

_002_OK_SEGNALE_G_PROT_

C –  e viene sostituito da una molecola di GTP (guanosina-tri-fosfato),  mentre le subunità βγ si dissociano dalla subunità α.

_003_-_proten_g_


La durata di attivazione delle subunità α e βγ dipende dal comportamento della subunità α (GTPasica). La subunità α attivata (in quanto lega GTP) si dissocia dal trimero e interagisce con le proteine bersaglio dando inizio alla via di segnalazione.  Lo stato attivo cessa con l’idrolisi del GTP, cui segue la riassociazione nel trimero e così si ricostituisce una proteina G inattiva.

_001_azione_G__002_proteina_g

_003_proteina_g_ 
_004_PROTEINA_G_ 

Esistono diverse proteine G che differiscono per la sequenza aminoacidica, per il recettore con il quale interagiscono e per l'effettore che comandano. Gli effettori delle proteine G possono essere canali ionici o, più comunemente , altri enzimi  quali quelle dell’adenilato ciclasi (che catalizza la produzione di AMP ciclico) e la fosfolipasi C (responsabile della produzione di inositol-trifosfato e diacilglicerolo). 

RECETTORI ASSOCIATI AD ENZIMI 

Questi recettori sono proteine transmembrana con il dominio per il ligando  rivolto verso la superficie esterna ed un dominio intracellulare, citoplasmatico,  con funzioni enzimatiche o legato ad enzimi. In genere rispondono a mediatori locali, sufficienti a basse concentrazioni e che inducono risposte di tipo lento. Spesso alla fine di questa risposta si hanno cambiamenti nella espressione di determinati geni.

La maggior parte di recettori legati ad enzimi presenta un dominio citoplasmatico dotato di attività tirosin chinasica. Questi recettori per poter funzionare devono dimerizzarsi in modo di fosforilarsi a vicenda.  Una volta fosforilati, si formano siti di aggancio per dominii detti SH2 (Src Homology 2, della proteinas Src)  che innescano la trasduzione intracellulare del segnale. 


CONTROLLO DELLA TRASDUZIONE

Il sistema ligando-recettore è un equilibrio dinamico le cui condizioni sono continuamente regolate dalle stesse interazioni ligando-recettoriali. La carenza, l'eccesso o la sovraesposizione del recettore al ligando possono perturbare la risposta ed il segnale generato dal recettore.
La modulazione della trasduzione del segnale avviene a 4 distinti livelli di controllo:

  • Ricaptazione e feedback (retroazione): il ligando, una volta che si è staccatosi dal suo recettore, può essere ricaptato dalla cellula che lo ha rilasciato. La quantità di ligando ricaptato regola il rilascio successivo di ligando stesso: se la quantità ricaptata è insufficiente, verrà sintetizzato altro ligando; se invece la quantità ricaptata è eccessiva, verrà diminuito il rilascio di ligando.
  • Fosforilazione: questo segnale agisce a livello dell'interazione ligando-recettore. Le cellule, mediante processi di fosforilazione e defosforilazione recettoriale, sono in grado di modulare l'affinità del recettore per il ligando. Di solito, la fosforilazione del recettore induce una modificazione conformazionale nel recettore stesso il quale perde affinità per il proprio ligando. L'interazione è più breve, più difficile o meno duratura, perciò la risposta generata è minore.
  • Desensitizzazione, downregulation (sottoregolazione) e upregulation (sovraregolazione). La desensitizzazione è il passo che precede la downregulation. I recettori, ancora tutti presenti a livello della membrana, perdono la capacità di trasdurre il segnale. A questo fa seguito la sottoregolazione: i recettori vengono legati da proteine (come ad es. dalla proteina di rivestimento di alcune strutture intracellulari, quali la clatrina) e inglobati in specifiche vescicole all'interno della membrana. Tale processo viene definito internalizzazione e ha la funzione di diminuire il numero di recettori che possono legarsi al ligando, senza distruggere il recettore stesso. Poi, all'occorrenza, senza che così vi sia il bisogno di sintetizzarne di nuovi, i recettori potranno essere velocemente esposti sulla membrana. All'opposto della downregulation, si definisce la upregulation: in mancanza o in difetto di ligando, la cellula espone tutti i suoi recettori nel tentativo di captare tutto il ligando possibile.
  • Ultimo livello di controllo è la modulazione di secondi messaggeri. Ciò è particolarmente importante nei recettori metabotropici, così chiamati quei recettori che in seguito all' interazione con lo specifico ligando, inducono una cascata di reazioni cellulari es. recettori accoppiati alle proteine G .Variando l'attività di secondi messaggeri, è possibile regolare la risposta. L'adenilciclasi sintetizza cAMP (AMP ciclico), che è un secondo messaggero. L'attivazione della difosfodiesterasi porta alla degradazione di del cAMP; diminuendo il cAMP diminuisce la possibilità di trasdurre il messaggio.


PRINCIPALI FONTI DOCUMENTALI
Alberts  B. et al. Molecular biology of the cell. 5th ed. Garland Science, 2008.

Commins SP, Borish L, Steinke JW. Immunologic messenger molecules: cytokines, interferons, adn chemokines.  J Allergy Clin Immunol 2010;125:S53-S72.

Owen JA, Punt J, Stranford AS. Kuby Immunology, 7^ ed. W.H.Freeman&Company, New York, 2013

Pontieri GM, Russo MA, Frati L. Patologia generale. III Ed. Piccin, Padova,  2005.

Parham P. Il sistema immunitario. EdiSES, Napoli, 2011.

en.wikipedia.org

it.wikipedia.org