COMUNICAZIONE CELLULARE: TIPI, IMPORTANZA, ESEMPI - BIOLOGIA - 2025

La comunicazione cellulare , chiamata anche comunicazione intercellulare, è la trasmissione di molecole di segnale extracellulari. Queste molecole partono da una cellula che genera il segnale e si legano ai recettori sulla cellula bersaglio, producendo una risposta specifica.

La molecola segnale può essere una piccola molecola (esempio: un amminoacido), un peptide o una proteina. Pertanto, la comunicazione, che è chimica, è una caratteristica degli organismi unicellulari e multicellulari.

Fonte: pixabay.com

Nei batteri, le molecole segnale sono feromoni batterici. Questi sono necessari per funzioni quali il trasferimento genico orizzontale, la bioluminescenza, la formazione di biofilm e la produzione di antibiotici e fattori patogeni.

Negli organismi multicellulari, la comunicazione cellulare può avvenire tra cellule adiacenti o tra cellule separate. In quest'ultimo caso, le molecole del segnale devono diffondersi e percorrere lunghe distanze. Tra le funzioni dei segnali vi sono i cambiamenti nell'espressione genica, nella morfologia e nel movimento cellulare.

La comunicazione cellulare può essere effettuata anche da vescicole extracellulari (EV), chiamate ectosomi ed esosomi. Alcune funzioni degli EV sono: modulazione dei linfociti e dei macrofagi; controllo della funzione sinaptica; nei vasi sanguigni e nel cuore, coagulazione e angiogenesi; e scambio di RNA.

Tipi (sistemi / meccanismi)

Nei batteri esiste un tipo di comunicazione cellulare chiamata quorum sensing, che consiste in comportamenti che si verificano solo quando la densità della popolazione batterica è elevata. Il quorum sensing implica la produzione, il rilascio e la successiva rilevazione di alte concentrazioni di molecole segnale, chiamate autoinduttori.

Negli eucarioti unicellulari, come T. brucei, c'è anche il quorum sensing. Nei lieviti, il comportamento sessuale e la differenziazione cellulare si verificano in risposta alla comunicazione da parte dei feromoni e dei cambiamenti ambientali.

Nelle piante e negli animali, l'uso di molecole di segnale extracellulari, come ormoni, neurotrasmettitori, fattori di crescita o gas, è un tipo importante di comunicazione che coinvolge la sintesi della molecola segnale, il suo rilascio, il suo trasporto alla cellula bersaglio, il rilevamento segnale e risposta specifica.

In relazione al trasporto della molecola segnale negli animali, la distanza di azione della molecola determina due tipi di segnali: 1) autocrino e paracrino, che agiscono rispettivamente sulla stessa cellula e sulle cellule vicine; e 2) endocrino, che agisce su una cellula bersaglio distante, essendo trasportato dal flusso sanguigno.

La comunicazione cellulare da parte delle vescicole extracellulari è un tipo importante di comunicazione cellulare negli organismi eucarioti e negli Archaea.

Man mano che la popolazione unicellulare eucariotica o batterica cresce, raggiunge un numero sufficiente di cellule, o quorum, che produce la concentrazione di induttore in grado di produrre un effetto nelle cellule. Ciò costituisce un meccanismo di censimento.

Nei batteri sono noti tre tipi di sistemi di rilevamento del quorum: uno è gram-negativo; un altro in gram-positivo; e un altro sul gram negativo Vibrio harveyi.

Nei batteri gram-negativi, l'autoinduttore è il lattone omoserina acilato. Questa sostanza è sintetizzata dall'enzima di tipo LuxI e si diffonde passivamente attraverso la membrana, accumulandosi nello spazio extracellulare e intracellulare. Quando viene raggiunta la concentrazione stimolante, si attiva la trascrizione dei geni regolati dal QS.

Nei batteri gram-negativi, gli autoinduttori sono peptidi modificati, che vengono esportati nello spazio extracellulare, dove interagiscono con le proteine ​​di membrana. Si verifica una cascata di fosforilazione che attiva le proteine, che si legano al DNA e controllano la trascrizione dei geni bersaglio.

Vibrio harveyi produce due autoinduttori, designati HAI-1 e A1-2. HAI-1 è lattone omoserina acilata, ma la sua sintesi non dipende da LuxI. A1-2 è diestere furanosil borato. Entrambe le sostanze agiscono attraverso una cascata di fosforilazione simile a quella di altri batteri gram-negativi. Questo tipo di QS controlla la bioluminescenza.

Comunicazione chimica

Il legame specifico della molecola segnale, o ligando, alla proteina del recettore produce una risposta cellulare specifica. Ogni tipo di cellula ha determinati tipi di recettori. Sebbene un certo tipo di recettore possa essere trovato anche in diversi tipi di cellule e produrre risposte diverse allo stesso ligando.

La natura della molecola segnale determina il percorso che verrà utilizzato per entrare nella cellula. Ad esempio, gli ormoni idrofobici, come gli steroidi, si diffondono attraverso il doppio strato lipidico e si legano ai recettori per formare complessi che regolano l'espressione di geni specifici.

I gas, come l'ossido nitrico e il monossido di carbonio, si diffondono attraverso la membrana e generalmente attivano la guanil ciclasi ciclica che produce GMP. La maggior parte delle molecole di segnale sono idrofile.

I suoi recettori si trovano sulla superficie cellulare. I recettori agiscono come traduttori di segnali che alterano il comportamento della cellula bersaglio.

I recettori della superficie cellulare sono suddivisi in: a) recettori accoppiati a proteine ​​G; b) recettori con attività enzimatica, come la tirosin chinasi; e c) recettori dei canali ionici.

Caratteristiche dei recettori accoppiati a proteine ​​G.

I recettori accoppiati a proteine ​​G si trovano in tutti gli eucarioti. In generale, sono recettori con sette domini che attraversano la membrana, con la regione N-terminale verso l'esterno della cellula e il C-terminale verso l'interno della cellula. Questi recettori si associano a una proteina G che traduce i segnali.

Quando il ligando si lega al recettore, la proteina G viene attivata. Questo a sua volta attiva un enzima effettore che produce un secondo messaggero intracellulare, che può essere adenosina monofosfato ciclico (cAMP), acido arachidonico, diacilglicerolo o inositolo-3-fosfato, che funge da amplificatore di segnale. iniziale.

La proteina G ha tre subunità: alfa, beta e gamma. L'attivazione della proteina G comporta la dissociazione del PIL dalla proteina G e il legame di GTP alla subunità alfa. Nel complesso G _alfa- GTP si dissociano dalle subunità beta e gamma, interagendo specificatamente con le proteine ​​effettrici, attivandole.

La via cAMP può essere attivata dai recettori beta-adrenergici. CAMP è prodotto da adenilil ciclasi. La via del fosfoinositolo è attivata dai recettori muscarinici dell'acetilcolina. Attivano la fosfolipasi C. La via dell'acido arachidonico è attivata dal recettore dell'istamina. Attiva la fosfolipasi A2.

Sentiero CAMP

Il legame del ligando al recettore, la proteina stimolatrice G (G _s ), legata al PIL, causa lo scambio del PIL per GTP e la dissociazione della subunità alfa di G _s dalle subunità beta e gamma. Il complesso G _alfa- GTP si associa a un dominio di adenil ciclasi, attivando l'enzima e producendo cAMP dall'ATP.

CAMP si lega alle subunità regolatorie della protein chinasi cAMP-dipendente. Rilascia subunità catalitiche, che fosforilano le proteine ​​che regolano le risposte cellulari. Questo percorso è regolato da due tipi di enzimi, vale a dire fosfodiesterasi e fosfatasi proteiche.

Via del fosfoinositolo

Il legame del ligando al recettore attiva la proteina G (G _q ), che attiva la fosfolipasi C (PLC). Questo enzima rompe il fosfatidilinositolo 1,4,5-bisfosfato (PIP ₂ ) in due secondi messaggeri, inositolo 1,4,5-trifosfato (IP ₃ ) e diacilglicerolo (DAG).

L'IP _{3 si} diffonde nel citoplasma e si lega ai recettori nel reticolo endoplasmatico, provocando il rilascio di Ca ⁺² dall'interno. DAG rimane nella membrana e attiva la protein chinasi C (PKC). Alcune isoforme di PKC richiedono Ca ⁺² .

Via dell'acido arachidonico

Il legame del ligando al recettore fa sì che le subunità beta e gamma della proteina G attivino la fosfolipasi A ₂ (PLA ₂ ). Questo enzima idrolizza il fosfatidilinositolo (PI) nella membrana plasmatica, rilasciando acido arachidonico, che viene metabolizzato da diverse vie, come la 5 e 12-lipossigenasi e la cicloossigenasi.

Caratteristiche del recettore tirosin chinasi

Il recettore tirosina chinasi (RTK) ha domini regolatori extracellulari e domini catalitici intracellulari. A differenza del recettore accoppiato a proteine ​​G, la catena polipeptidica del recettore tirosin chinasi attraversa la membrana plasmatica solo una volta.

Il legame del ligando, che è un ormone o fattore di crescita, al dominio regolatorio fa associare le due subunità recettoriali. Ciò consente l'autofosforilazione del recettore su un residuo di tirosina e l'attivazione delle cascate di fosforilazione delle proteine.

I residui di tirosina fosforilata del recettore tirosin chinasi (RTK) interagiscono con le proteine ​​adattatrici, che collegano il recettore attivato ai componenti della via di trasduzione del segnale. Le proteine ​​adattatrici servono a formare complessi di segnalazione multiproteica.

RTK si lega a diversi peptidi, come: fattore di crescita epidermico; fattori di crescita dei fibroblasti; fattori di crescita del cervello; fattore di crescita nervosa; e insulina.

Caratteristiche generali dei ricevitori

L'attivazione dei recettori di superficie produce cambiamenti nella fosforilazione delle proteine ​​attivando due tipi di protein chinasi: tirosin chinasi e serina e treonina chinasi.

Le chinasi serina e treonina sono: protein chinasi cAMP-dipendente; chinasi proteica dipendente da cGMP; protein chinasi C; e la proteina Ca ⁺² / Calmodulina- dipendente . In queste protein chinasi, ad eccezione della chinasi cAMP-dipendente, il dominio catalitico e regolatore si trova sulla stessa catena polipeptidica.

Il secondo messaggero si lega a queste chinasi di serina e treonina, attivandole.

Caratteristiche dei recettori che sono canali ionici

I recettori dei canali ionici hanno le seguenti caratteristiche: a) conducono ioni; b) riconoscere e selezionare ioni specifici; c) si apre e si chiude in risposta a segnali chimici, elettrici o meccanici.

I recettori dei canali ionici possono essere un monomero, oppure possono essere eteroligomeri o omoligomeri, le cui regioni della catena polipeptidica attraversano la membrana plasmatica. Esistono tre famiglie di canali ionici: a) canali di gate ligando; b) canali di giunzione a gap; e c) Canali di tensione dipendenti da Na ⁺ .

Alcuni esempi di recettori del canale ionico sono i recettori della giunzione neuromuscolare dell'acetilcolina ei recettori ionotropici del glutammato, NMDA e non NMDA, nel sistema nervoso centrale.

Comunicazione tramite vescicole extracellulari

Le vescicole extracellulari (EV) sono una miscela di ectosomi ed esosomi, responsabili della trasmissione di informazioni biologiche (RNA, enzimi, specie reattive dell'ossigeno, ecc.) Tra cellula e cellula. L'origine di entrambe le vescicole è diversa.

Gli ectosomi sono vescicole prodotte dalla germinazione dalla membrana plasmatica, seguita dalla loro separazione e rilascio nello spazio extracellulare.

In primo luogo, si verifica il raggruppamento delle proteine ​​di membrana in domini discreti. Quindi le ancore lipidiche proteiche accumulano proteine ​​citosoliche e RNA nel lume, facendo crescere così la gemma.

Gli esosomi sono vescicole che si formano da corpi multivesiculari (MVB) e vengono rilasciate dall'esocitosi nello spazio extracellulare. Gli MVB sono endosomi tardivi, in cui sono presenti vescicole intraluminali (ILV). Gli MVB possono fondersi con i lisosomi e continuare il percorso degradativo o rilasciare ILVS come esosomi attraverso l'esocitosi.

Gli EV interagiscono con la cellula bersaglio in diversi modi: 1) scomparsa della membrana EV e rilascio dei fattori attivi al suo interno; 2) gli EV stabiliscono un contatto con la superficie della cellula bersaglio, che fondono rilasciando il loro contenuto nel citosol; e 3) gli EV vengono catturati interamente dalla macropinocitosi e dalla fagocitosi.

Importanza

L'ampia varietà di funzioni della comunicazione intercellulare indica da sola la sua importanza. Alcuni esempi illustrano l'importanza dei diversi tipi di comunicazione cellulare.

- Importanza del quorum sensing. QS regola vari processi come la virulenza all'interno di una specie o microrganismi di specie o generi diversi. Ad esempio, un ceppo di Staphylococcus aureus utilizza una molecola segnale nel quorum sensing per infettare l'ospite e impedisce ad altri ceppi di S. aureus di farlo.

- Importanza della comunicazione chimica. La marcatura chimica è necessaria per la sopravvivenza e il successo riproduttivo degli organismi multicellulari.

Ad esempio, la morte cellulare programmata, che regola lo sviluppo multicellulare, rimuove intere strutture e consente lo sviluppo di tessuti specifici. Tutto ciò è mediato da fattori trofici.

- Importanza dei veicoli elettrici. Svolgono un ruolo importante nel diabete, nell'infiammazione e nelle malattie neurodegenerative e cardiovascolari. I veicoli elettrici delle cellule normali e delle cellule tumorali differiscono notevolmente. I veicoli elettrici possono trasportare fattori che promuovono o sopprimono il fenotipo del cancro nelle cellule bersaglio.

Riferimenti

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. 2007. Biologia molecolare della cellula. Garland Science, New York.
2. Bassler, BL 2002. Small Talk: Cell-to-Cell Communication in Bacteria. Cella, 109: 421-424.
3. Cocucci, E. e Meldolesi, J. 2015. Ectosomi ed esosomi: eliminare la confusione tra le vescicole extracellulari. Trends in Cell Biology, xx: 1–9.
4. Kandel, E., Schwarts, JH e Jessell, T., 2000. Principles of Neural Science. McGraw-Hill USA.
5. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Biologia cellulare e molecolare. Editoriale Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Messico, Sāo Paulo.
6. Pappas, KM, Weingart, CL, Winans, SC 2004. Comunicazione chimica nei proteobatteri: studi biochimici e strutturali delle sintasi del segnale e dei recettori necessari per la segnalazione intercellulare. Molecular Microbiology, 53: 755–769.
7. Perbal, B. 2003. La comunicazione è la chiave. Comunicazione e segnalazione cellulare. Editoriale, 1-4.