SEMNALIZAREA CELULARA

Toate organismele au la baz urmtoarele aciuni fundamentale:obinerea nutrienilor din mediu i eliminarea produselor de degradareobinerea energiei prin oxidarea compuilor chimicireproducere i creteremicarerspuns la mediul nconjurtorLa organismele unicelulare (procariote) fiecare celul i realizeaz singur aceste aciuni. n organismele multicelulare, fiecare funcie este ndeplinit de celule specializate.Aceasta specializare necesit n schimb coordonarea activitilor esuturilor specializate, proces realizat prin mecanisme de semnalizare intercelular.

Controlul alosteric al metabolismului, care apare n toate celulele, procariote i eucariote, este tipul de modulare a activitii enzimatice n care metaboliii cilor biochimice controleaz prin feed-back enzimele, pe aceleai ci sau pe ci diferite control n ntregime intracelular nu pot lua decizia ce cale metabolic ar trebui urmat

de ex. o celul hepatic poate s stocheze glicogenul sau s-l consume. Celula hepatic, ea nsi, nu poate decide aceasta, procesul fiind determinat de semnalele chimice produse de alte celule, n exemplul folosit, de insulin i glucagon, produse de pancreas. Controlul metabolic este numai vrful iceberg-ului semnalelor celulare. Procesele celulare fundamentale sunt determinate de semnalul extracelular. Dac semnalele primite nu sunt acceptate, celulele normale (necanceroase) nu cresc, nu se divid i nu se difereniaz. n cazul celulelor canceroase, cile semnal opereaz ntr-un mod anormal, astfel nct celulele se divid necontrolat.

Faptul c semnalele extracelulare controleaz multe activiti vitale n numeroase celule diferite, susine potenialitatea interveniei terapeutice n multe dintre boli, numeroase medicamente fiind orientate spre semnalele celulare.

Elementele de baz ale semnalizriicelul semnalizatoare elibereaz semnalul ligand - molecul semnal eliberat de celula semnalizatoare celule int - celule echipate pentru captarea semnalului

Molecul semnal extracelular Receptor proteic Cale de semnalizare intracelular Protein reglatoare Proteine int a unei protein a a unei gene enzime metabolice citoscheletului modificarea expresiei metabolism modificarea formei genice modificat sau micrii celulare

celula int dispune de receptori proteici specifici la care se leag moleculele semnal, un rspuns biochimic n interiorul celulei. receptorii proteici specifici - pe suprafaa sau n interiorul celulei int. transducia (interpretarea) semnalului = mecanismele prin care semnalele sunt recepionate, interpretate i cile prin care mainria celular rspunde la aceste semnale. (contracie, cretere, secreie, modificri metabolice) Rspunsurile celulare includ:modularea expresiei genelor specifice efecte metabolice directe.

Fiecare tip de celul este capabil s comunice = capacitatea de a produce, recunoate, interpreta i rspunde la semnalele din mediul nconjurtor (snge, limf, celule vecine).Majoritatea semnalelor sunt molecule chimice Componentele celulare de transfer al semnalului = elemente de traducere ale semnalului n limbajul celulei.

Rspunsul celular la semnal

ntre semnalul extern i efectele celulare au loc evenimente n cascad = cascad de semnalizare. Simplificat, toate cascadele de semnalizare au obligatoriu urmtoarele etape:

ligant (semnal) receptor mesager efect celular

Rspunsurile celulare necesit:milisecunde (exemplu contracia muscular indus pe cale nervoas) implic reglarea numai a proteinelor existenteore, zile, luni (rspunsurile la semnale hormonale) implic modificri n tipul i cantitatea proteinelor.

Strategii de semnalizare Semnalizare la distan. Un exemplu n acest sens este aciunea hormonal de tip endocrin, paracrin sau autocrin.Semnalizare de contact. Realizat n cadrul adeziunii celulare, ntre 2 celule vecine sau ntre celul i matricea celular. Rspunsurile celulare au loc n urma modificrilor contactului celulei cu alte celule (adeziunea celular) sau cu matricea celular.Semnalizare direct. De exemplu, molecule semnal din citoplasma unei celule ajung n citoplasma celulei vecine prin canale de jonciune.

Principalele ci de transfer intracelular ale informaiei sunt:Modificarea funcionrii unor canale ionice transmembranare pentru Ca+2, K+, Na+, Cl-

Modificarea activitii unor receptori enzime transmembranare de exemplu receptorii cu activitate tirozin-kinazic sau sisteme JAK-STAT.

Modificarea conformaiei unor receptori transmembranari cu 7 domenii alfa -helix ce induc activarea unor enzime productoare de semnale intracelulare (mesageri secunzi). De exemplu:

Activarea transcripiei unor gene specifice prin legarea de receptori intracelulari, de exemplu semnalizarea prin hormoni hidrofobi.

Modificarea conformaiei citoscheletului celular prin intermediul receptorilor de adenozin ce leag molecule din matricea extracelular.

n jur de 30% din cele aproximativ 30.000 de gene umane codific sinteza de proteine implicate n cile semnal: receptori, proteine G, enzime productoare de mesageri secunzi, protein kinaze, proteine de desensibilizare, proteine de tip canal ionic. Aceste proteine prezint o organizare domenial cu elemente specifice comune (SH2, SH3, domenii de legare ADN, domeniu Tyr-P etc) domenii conservate de-a lungul evoluiei la majoritatea speciilor.

Tipuri de semnale Semnalele celulare = molecule chimice organice sau anorganice ce apar n mediul nconjurtor. Numrul acestora este de ordinal sutelor, i se descoper altele, practic n fiecare zi.Pot fi proteine, peptide mari, peptide mici, aminoacizi, nucleotide, steroizi, eicosanoizi, hormoni tiroidieni, epinefrine, derivai ai vitaminelor A i D, gaze (oxid nitric)Structura lor chimic nu are relevan pentru mecanismul aciunii lor, ea interesnd numai n legarea cu receptorii celulari specifici.Legtura dintre molecula semnal i receptorul su specific este o legtur necovalent, foarte specific i reversibil. Molecul semnal = orice molecul ce induce un rspuns specific la nivelul unei celule int.endocrini = hormoni, produi de glande endocrine, ce acioneaz la distan de celulele secretoare mediatori locali sau paracrini - acioneaz local asupra celulelor vecine (ex. transmiterea impulsului nervos); factorii de reglare ai inflamaiei la nivelul unui sector infecie. autocrini - anumite celule rspund la molecule semnal pe care le produc ele nsele (ex. limfocitele T rspund la stimularea antigenic prin sinteza unui factor de cretere care determin autoproliferarea lor)contactul fizic intre celule vecine care va genera un semnal contact-dependent.

Moleculele semnal hidrosolubile - neurotransmitori, hormoni derivai de AA, hormonii proteici, factorii de cretere proteici, nu pot strbate direct stratul dublu lipidic al membranei celulare. Ele se leag de domeniul exterior al receptorului membranar mesager secund. Moleculele semnal liposolubile - hormonii steroizi, hormonul tiroidian, acidul retinoic, retinoizii, vitamina D3, intr direct n celul i se leag de receptorii intracelulari (nucleari i citoplasmatici) ai celulei int.

Rspunsul la molecule semnal mediat de receptorii intracelulari1. receptori citoplasmatici - legarea H la R modificri conformaionale n complexul steroid-receptor (SR), fenomen numit activare sau transformare. Activarea/transformarea conduce la translocarea SR n nucleu unde acest complex interacioneaz cu ADN i cromatina pentru a influena sinteza proteic. 2. Receptorii nucleari au un domeniu central de legare la ADN (DBD) care orienteaz receptorul spre secvenele specifice ADN, cunoscute ca elemente de rspuns hormonal. DBD este compus din 2 regiuni nalt conservate zinc finger care difereniaz receptorii nucleari de alte proteine de legare la ADN. LBD poate fi imaginat simplu ca un comutator molecular care dup legarea ligandului transform receptorul ntr-o stare transcripional activ. Superfamilia receptorilor nucleari :familia receptorilor steroidici i familia receptorilor tiroidieni/retinoizi/vitamina D. Fiecare tip de receptor are subfamilii (de exemplu subfamilia receptorilor pentru acid retinoic). Aceste subtipuri sunt produse ale unor gene individuale (RAR, RAR, RAR) iar izoformele receptorilor apar datorit splicing-ului difereniat i/sau utilizarea unor promotori diferii (RAR1, RAR2).

Un receptor nuclear tipic conine o regiune variabil N-terminal (A/B), una conservat DBD (C), o regiune median variabil (D), una conservat LBD (E) i o regiune variabil C-terminal.

Receptorii nucleari pot fi mprii n 4 clase funcie de legarea liganzilor, a ADN i proprietile de dimerizare: receptori steroidici, heterodimeri RXR, receptori homodimeri orfani, receptori monomeri orfani. Pentru receptorii orfani nc nu se cunosc liganzii naturali. DBDLBD

Calea semnal atestosteronului

Calea semnal a glucocorticoizilor

Rspunsul la molecule semnal mediat de receptorii membranariMajoritatea cilor semnal utilizeaz receptorii membranari. Receptori membranariproteine specifice localizate pe suprafaa celulelor care acioneaz ca transductori ai semnalului transportat de o molecul ligant; leag ligandul cu mare afinitate i transform acest semnal extracelular ntr-un semnal intracelular care modific comportamentul celulei int. are un domeniu extern la care se leag molecula semnal, un domeniu transmembranar i un domeniu citoplasmatic. Cnd molecula semnal se leag de receptorul su specific, domeniul su citoplasmatic sufer o modificare conformaional (prin adugarea unui grup fosforil) care iniiaz calea semnal Calea semnal - finalitate - activarea de gene specifice i/sau sisteme metabolice de control. Cheia procesului de transmitere a semnalului celular este fosforilarea intermediarilor proteici de semnalizare de ctre proteinkinaze i defosforilarea de ctre proteinfosfataze.

Strategii de semnalizare

Clasificarea tipurilor de receptori membranari 1. receptorii tirozin-kinazici - enzime, activitatea le permite asocierea cu molecule adaptor ce iniiaz calea semnal. Funcie de tipul moleculei adaptor se iniiaz urmtoarele cai semnal:calea Ras calea fosfatidil-inozit 3-kinaza (PI 3)calea receptorilor JAK/STATLegtura moleculei semnal determin dimerizarea receptorilor, urmat de autofosforilarea gruprilor tirozin ale domeniilor lor citoplasmatice, acestea avnd ele nsele activitate tirozin-kinazic. n citoplasm exist proteine care se leag la receptorii fosforilai i acioneaz ca molecule adaptor - legtura dintre receptorii activai i cile semnal care transmit semnalul de cele mai multe ori la nucleu. n apropierea locusului fosforilat al unui receptor exist secvene de aminoacizi la care aceste proteine se leag specific, astfel c adaptorul proteic corespunztor se leag la receptorul corespunztor. La rndul lor, proteinele adaptor au locusul propriu de legare specific.

2. receptorii asociai cu proteine G - acioneaz indirect, reglnd activitatea unei alte proteine legat de membrana citoplasmatic, proteina ce poate fi o enzim sau un canal ionic. Interaciunea dintre receptori i proteina int este mediat de o a treia protein trimeric, legat de GDP sau GTP (proteina G).Acesti receptori nu dimerizeaz i nu sunt fosforilai. Legarea moleculei semnal cauzeaz o modificare conformaional a domeniului citoplasmatic al receptorului.Au de asemenea molecule adaptor care sufer prin legare modificri conformaionale i leag receptorul la calea semnalCile semnal iniiate prin acest mecanism sunt :calea AMPccalea GMPccalea fosfatidilinozitolprocesul de transmitere a vederii calea transmiterii energiei luminoaseprocesul de transmitere a gustului, mirosului celule senzoriale specifice

.

Calea Ras

Receptor tirozin kinazicimplic receptorul i o cascad de 3 proteinkinaze citoplasmatice (Raf, MEK, ERK MAP kinaze), fiecare activnd prin fosforilare urmtorul component al cii. La finalul cascadei, ultimul element (ERK activat) ptrunde n nucleu unde, prin fosforilarea unor factori transcripionali, activeaz gene specifice. n aceast cale nu exist molecule mici cu rol de mesageri secunzi, toate componentele sunt proteine.Exist peste 50 de receptori cunoscui: factorul de cretere epidermal (EGF), factorul de cretere derivat din plachete (PDGF), factorul de cretere fibroblastic (FGF), factorul de cretere hepatocitar, insulina, factorul de cretere al endoteliului vascular (VEGF).

Mecanismul comutator Ras GTP/GDPRas deine un mecanism comutator de tip nchis/deschis utilizat n mare msur n controlul cilor semnal. Ras aparine unei familii de proteine numite monomeri mici GTP-azici. Au legat o molecul de GDP sau GTP. Ras este activ n forma GTP i inactiv n forma GDP (figura 14). Pentru activarea Ras (proces n urma cruia aceasta activeaz urmtorul component) GDP trebuie schimbat cu GTP, aceast schimbare avnd loc numai cnd Ras este n contact cu complexul GRB-SOS legat la receptorul activat (n cazul de fa, numai cnd EGF este ataat la receptor). n urma schimbrii GDP cu GTP, proteina Ras-GTP trece pe poziia deschis i induce activarea urmtorului element al cii. Aceast stare activat dureaz foarte puin deoarece Ras, posednd capacitate GTP-azic, hidrolizeaz rapid GTP, revenind n starea inactiv Ras-GDP.

Inactivarea i modularea cii RasRas este inactivat de activitatea sa intrinsec GTP-azic. MEK i ERK activate sunt inactivate de protein-fosfataze specifice prin defosforilarea lor. A fost descoperit c proteinkinazele i fosfatazele corespunztoare sunt fizic legate mpreun, sugernd faptul c timpii n care proteina este sub forma fosforilat respectiv defosforilat se succed foarte rapid, proteina trecnd prin strile activ inactiv. O cale semnal scpat de sub control este caracteristic pentru celulele canceroase.Exist multiple ci similare de tipul Ras, fiecare cu o cascad de proteinkinaze terminat cu o MAP-kinaz care ptrunde n nucleu i activeaz factorii transcripionali int. Sunt astfel multiple ci de tip Ras opernd n paralel, cu proteinkinaze specifice corespunznd ca funcie la Raf, MEK i ERK i cu diferii factori transcripionali int. Acestea nu apar ca i ci liniare izolate, ntre ele existnd interconexiuni. Aceste ci multiple pot fi considerate curieri ai semnalelor de la diferii receptori la nucleu unde activeaz gene specifice fiecrui tip de semnal. Nu se cunoate cum receptori complet diferii pot activa aceiai cale Ras dar rspunsurile celulare la cele dou semnale sunt complet diferite. Este cunoscut c gruprile kinazelor din diferitele ci sunt legate mpreun prin proteinele schel (scaffold proteins) care astfel probabil aleg calea. Cile semnal diferite par s fie interconectate ntre ele, element esenial n coordonarea multiplelor semnale pe care celula le primete.

Calea PI 3-kinaza (fosfatidil-inozit-3-kinaza)

controlul proliferrii i diferenierii celulare controlul metabolic activat de receptori rspunznd la un numr foarte mare de hormoni (insulina), factori de cretere i neurotransmitori form oncogenic a PI3-kinaza.fosfatidilinozitol 3-kinaza (PI3-kinaza) - Substratul este un component membranar numit fosfatidilinozitol-4,5-bifosfatul (PI(4,5)P2) care este fosforilat, rezultnd PI(3,4,5)P3 sau PIP3 (fosfatidil inozitol trifosfat) - mesager secund. PIP3 activeaz proteinkinaze sau alte enzime

La legarea insulinei, domeniul citoplasmatic al receptorului, care este o tirozinkinaz, devine fosforilat la gruparea hidroxil ale resturilor de tirozina. Proteina adaptor IRS se leag la acest receptor fosforilat i este la rndul su fosforilat de tirozinkinaza receptorului. O enzim numit fosfatidilinozitol 3-kinaza (PI3-kinaza) se leag la IRS fosforilat, activndu-se n acest fel i apropiindu-se de membrana citoplasmatic unde se gsete substratul PI3-kinazei, un component membranar numit fosfatidilinozitol-4,5-bifosfatul (PI(4,5)P2). Sub aciunea PI3-kinazei, acesta este fosforilat, rezultnd PI(3,4,5)P3 sau PIP3 (fosfatidil inozitol trifosfat), ce constituie mesagerul secund. PIP3 atrage PKB citoplasmatic inactiv, atand-o la membran. O kinaz localizat membranar (PDK1) determin activarea proteinkinazei B (PKB) prin fosforilare PKB activat determin activarea prin fosforilare a fosfatazei glicogen sintetazei fosforilate inactive i prin urmare se stimuleaz sinteza de glicogen.PKB activeaz i transferul intracelular al glucozei (GLUT4)

Conexiuni ntre calea Ras i calea PI3-kinazeiSe constat c acelai semnal, de exemplu insulina poate declana concomitent 2 ci de semnalizare diferite, calea PI3-kinazei i calea Ras MAPK. Este o cale mediat prin tirozin kinaze cu deosebirea c nu receptorul posed activitate tirozin kinazic ci o tirozin kinaz solubil din citoplasm ce se ataeaz de receptorul modificat n urma legrii semnalului. Calea este utilizat de citokine, eritropoietin, interferon, etc.

Calea JAK/STAT

Interferonii, proteine protectoare, eliberate de celulele infectate de virusuri, citokineReceptorul specific are asociat la domeniul su citoplasmatic cte o JAK-kinaz. Legarea interferonului la receptor determin dimerizarea receptorilor i activarea JAK-kinazelor.JAK-kinazele au dou situsuri catalitice JAK-kinazele activate fosforileaz resturile tirozin ale receptorului dimer. dou STAT proteine din citosol se leag la receptorul fosforilat JAK-kinazele, rmnnd legate la receptor, fosforileaz cele 2 STAT-proteine.Proteinele STAT fosforilate migreaz n nucleu, unde mpreun cu o a 3-a component proteic GAS (-interferon activates sequence element) se asambleaz ntr-un factor transcripional activ determin transcripia genelor specifice.Spre deosebire de receptorul EGF, care este o tirozin-kinaz, n aceast cale dimerizarea receptorului activeaz tirozin-kinazele citoplasmatice (Janus kinazele sau JAK- kinazele). O trstur caracteristic a acestui tip de cale este numrul redus de intermediari: factorii citoplasmatici inactivi sunt activai i migreaz n nucleu unde acioneaz asupra genelor (calea Ras este mult mai complicat).

Receptorii cuplai cu proteina G

superfamilie de receptori folosii de numeroi hormoni i factori de cretere, neurotransmitori, neuropeptide, rodopsina, activat de lumin, receptorii olfactivi din mucoasa nazal i receptorii gustativi de la nivelul mugurilor gustativi. Jumtate din medicamentele curente au drept inte receptori cuplai cu proteine G.Din punct de vedere structural i funcional receptorii sunt proteine nrudite, cu 7 motive transmembranare, cu structura -helix, motiv pentru care au fost numii i motivul celor 7 elice. Aceti receptori au un domeniu extracelular care leag ligandul (ex. proteinele) i un domeniu citoplasmatic ce face legtura cu proteinele G.Fiecare receptor are un locus specific citoplasmatic de legare a proteinelor G heterotrimerice (, i ). Exist o mare diversitate de proteine G care se pot cupla la o mare diversitate de ci semnal.Receptorii asociai proteinei G nu au activitate enzimatic proprie. Modificarea conformaional a domeniului lor citoplasmatic, care survine n urma legrii moleculei semnal la domeniul extern al receptorului, cauzeaz interaciunea domeniului su citosolic cu proteine G asociate.

exemplu tipic: adrenalina activeaz adenilat ciclaza la nivel hepatic, via proteine G, cu producerea de AMPc i n final glicogenoliza.receptor -adrenergic: proteina G este ataat la domeniul citoplasmatic al receptorului. Dac receptorul nu este legat de hormon, la subunitatea a proteinei G este legat GDP, aceasta este inactiv. Cnd adrenalina se leag la receptor, aceasta sufer modificri conformaionale, care determin modificri de structur i la nivelul proteinei G. Proteina G, numit n acest caz Gs (s-stimulare), schimb GDP cu GTP la nivelul subunitii . Complexul subunitate -GTP se detaeaz de celelalte dou proteine i , se mic pe faa intern a membranei i se leag de o molecul de enzim, adenilat-ciclaza pe care o activeaz i care va produce AMPc. Hormonul determin producia de AMPc folosind proteina G ca intermediar.Subunitatea a proteinei G, n forma sa GTP, are activitate GTP-azic, hidroliznd GTP la GDP. Subunitatea -GDP revine la forma sa iniial, se detaeaz de adenilat-ciclaz i se reasociaz la complexul , reconstituind proteina G inactiv. Dac la receptor este legat n continuare un hormon, ntreg ciclul poate ncepe din nou. Dac receptorul nu mai are un hormon ataat, procesul nceteaz.Pentru a continua producia de AMPc, subunitatea a proteinei G oscileaz ntre receptor i adenilat-ciclaz, durata legrii la adenilat-ciclaz depinznd de rapiditatea hidrolizei moleculei GTP ataat de subunitatea .

Semnalul epinefrinic (adrenergic)1. Receptor -adrenergic - Proteina G - Gs (s-stimulare) 2. receptor 2 adrenergic - protein G a crui subunitate -GTP inhib adenilat-ciclaza, protein G notat Gi (i = inhibiie).

Astfel c un hormon (adrenalina), poate exercita diferite efecte n diferite esuturi, n funcie de tipul de receptor prezent n celulele esutului.

n holer - blocarea hidrolizei subunitii -GTP are urmri dramatice. Celulele mucoasei intestinale secret Na+ n lumenul intestinal, aceast activitate fiind controlat prin intermediul AMPc. Toxina holeric determin inhibarea activitii GTP-azice a subunitii a proteinei G. Astfel, odat ce un stimul hormonal activeaz adenilat-ciclaza, calea se blocheaz n stadiul -GTP. Prelungirea produciei de AMPc determin pierderi masive de Na+ i de ap, determinnd diaree masiv i posibil moarte prin pierderi hidro-electrolitice.

Efectele induse de AMPc sunt mediate prin activarea, ca urmtor intermediara protein kinazei dependente de AMPc (PKA). n stadiul inactiv, PKA este format din 2 subuniti reglatoare (R) - capabile s lege fiecare cte 2 molecule de AMPc i 2 subuniti catalitice (C). n stadiul activ, subunitile reglatoare care au legat 4 molecule de AMPc i schimb conformaia i se disociaz de unitile catalitice, care fosforileaz specific moleculele de substrat.Rspunsuri:rapide - n celulele musculare striate, PKA activat fosforileaz enzime implicate n metabolismul glicogenului care declaneaz simultan hidroliza glicogenului la glucoz i inhib sinteza glicogenului, crescnd cantitatea de glucoz disponibil n cteva secunde. lente - PKA activat (de creterea concentraiei AMPc n citosol) elibereaz subunitile sale catalitice, care se deplaseaz n nucleu, unde fosforileaz factorul de transcripie numit proteina de legare la elementul de rspuns la AMPc (CREB). Odat fosforilat, CREB recruteaz o protein coactivatoare CRB (protein de legare la CREB) i se leag la regiunea reglatoare a genei (CRE, element de rspuns la AMPc), stimulnd transcripia genei.

Protein-fosfatazele compenseaz efectele proteinkinazelor. Acestea inactiveaz CREB prin nlturarea fosfatului activ, blocnd rspunsul transcripional determinat de o cretere a concentraiei AMPc.

Oprirea semnalizrii i regenerarea receptorului

Oprirea semnalizrii const n desensibilizarea receptorului dup activarea produs de moleculele semnal.Dup legarea adrenalinei de receptor, modificarea conformaiei acesteia induce i legarea de o proteinkinaz -adrenergic citoplasmatic (ARK), care fosforileaz receptorul. Receptorul fosforilat dobndete capacitatea de a lega arestina (proteina arr). Legarea acesteia detaeaz receptorul de proteinele G i de membrana plasmatic printr-un proces de endocitoz, acesta trecnd ntr-o vezicul mic. Aici este defosforilat i returnat n membrana plasmatic, redevenind apt (sensibil) la aciunea unei noi molecule de receptor.

Calea cascadei fosfatidilinozitol (cu proteina G intermediar)

utilizeaz mesageri secunzi provenii din fosfolipidul membranar, fosfatidilinositol-4,5-difosfat (PIP2). Aceast cale este utilizat de numeroi hormoni i factori de cretere. Legarea hormonului la receptorul specific determin subunitatea s schimbe GDP cu GTP, apoi se detaeaz i migreaz urmnd s activeze o enzim legat membranar, fosfolipaza C (PLC) care hidrolizeaz PIP2 n 2 mesageri secunzi diferii: inositol-1,4,5-trifosfatul (IP3) i diacilglicerolul (DAG). Proteina G hidrolizeaz GTP la GDP i Pi inactivndu-se singur dup un interval de timp, asemntor cu sistemul adrenergic descris anterior.

IP3 prsete membrana citoplasmatic i difuzeaz rapid n citosol. La nivelul reticulului endoplasmatic IP3 se leag la canalele membranare dependente de IP3, care elibereaz Ca2+ in citosol. Ca2+ eliberat prin canalele deschise va crete rapid concentraia Ca2+ din citosol. Ca2+ nu se poate lega direct la enzime, ci la o protein receptoare din citoplasm numit calmodulin (4Ca2+) modificri conformaionale complex activ Ca2+/calmodulin. Ca2+/calmodulina activeaz numeroase proteinkinaze, principalele fiind kinaza lanurilor uoare a miozinei, care induce contracia muchiului neted i fosforilaz-kinaza, care activeaz fosforilaza i apoi scindarea glicogenului cu eliberarea glucozei. Activarea calmodulinei are, printre alte efecte, stimularea permeabilitii membranei RE pentru Ca2+, care revine n lumenul reticulului endoplasmatic, prin pompa Ca2+ /ATP-aza.

IP3 poate fi defosforilat de ctre fosfataze specifice cu formare de IP2 sau fosforilat la IP4 (alt mediator intracelular), compui inactivi.

Ca2+ - important mesager secund n celula muscular creterea nivelului citosolic al Ca2+ declaneaz contracia, n celulele secretorii declaneaz secreia, n neuroni declaneaz eliminarea de neurotransmitori n celula ou iniiaz dezvoltarea embrionului. activeaz unele enzimeConcentraia Ca2+ din citoplasm, din RE i mitocondrie se menine la valori sczute fa de Ca2+ din lichidele extracelulare (10000 x), un gradient ce dirijeaz trecerea Ca2+ prin membran din exterior spre citosol. Un semnal deschide canalele de Ca2+ din cele 2 membrane, citoplasmatic si RE Ca2+ revine n citoplasm i activeaz proteinele celulare sensibile la Ca2+.

DAG rmne la nivelul membranei citoplasmatice unde exercit 2 funcii: 1. poate fi clivat acidul arahidonic eicosanoizii cu rol de mesageri secundari i hormoni tisulari. 2. activeaz o serin/treonin kinaz, proteinkinaza C (PKC), pe care o transloc din citoplasm pe faa citoplasmatic a membranei citoplasmatice. Acolo, PKC este activat de Ca2+ i DAG. DAG i Ca2+ sunt amndoi necesari pentru activarea maxim a PKC.

PKC activat fosforileaz proteine int care difer funcie de tipul celulei, fiind implicate n fosforilarea factorilor transcripionali din nucleu cu rol control n reglarea diviziunii celulare. Efectele DAG pot fi mimate de esterii forbol, analogi cu DAG, capabili s activeze direct PKC conducnd la diviziune celular. Diferena dintre DAG i esterii forbol este aceea c DAG este rapid distrus i activarea PKC se realizeaz numai cnd este necesar, pe cnd esterul forbol are via lung i efect protumoral. Croton tiglium ulei de croton conine forbol (diterpena) i forbolesteri

GMPc ca mesager secund

GMPc este analog cu AMPc i poate fi obinut din GTP sub aciunea a 2 guanilat ciclaze (GC1, GC2) diferite Aceast cale este utilizat de unii hormoni (factor natriuretic atrial, guanilina, acetilcolina, bradichinina) i de oxidul nitric.GMPciclic este un mesager secund care induce efecte importante n diferite esuturi:n intestin i rinichi modific transportul ionilor i reinerea apei.n muchiul cardiac induce relaxare.n creier este un element important n procesele funcionale.

Hormoni - se ataeaz la receptorul membranar specific al crui domeniu intracelular este o guanilat-ciclaz. modificare conformaional la nivelul receptorului cu activarea guanilat ciclazei membranare. GMPc GMPc activeaz unele proteinkinaze specifice (PKG). Hidroliza GMPc de ctre fosfodiesteraze confer reversibilitate procesului. Un exemplu este receptorul guanilatciclazei din intestin care regleaz secreia Cl n intestin. Receptorul are ca agonist endotoxina produs de E. coli sau alte bacterii gram negative. Aciunea acesteia menine constant un nivel ridicat al secreiei de Cl fapt ce reduce reabsorbia apei de ctre intestin, producnd diaree.

2. Oxidul nitric - rol n comunicarea intercelular n sistemele nervos, imun i circulator. exist o a 2-a guanilat ciclaz complet diferit, prezent n citoplasm. NO este produs la nivelul endoteliului vascular de ctre NO-sintetaza, activat nervos (acetilcolina). Arginin + NADPH,H+ ------> citrulin + NO + NADP+

NO difuzeaz rapid n celulele musculare netede din peretele vascular unde se leag la fierul din situsul activ al guanilat ciclazei citoplasmatice GMPcrelaxarea musculaturii netede din peretele vascular i vasodilataia

Alte efecte ale NOantiagregant plachetarmediaz aciunea antibacterian i antitumoral a macrofagelorneurotransmitor n creier

Efecte similare medicamente - nitroglicerina i viagraNitroglicerina (tratamentul anginei pectorale) NO relaxeaz coronarele i reduce sarcina muchiului cardiac. Viagra (sildenafil) inhib fosfodiesteraza care distruge GMPc poteneaz efectul NO, a crui producie este crescut de stimularea sexual.Vasodilataia vaselor de snge peniene menin penisul n erecie.

Aciunea NO pe musculatura neted

Receptori transmembranari de tip canalele ionice dependente

Excitabilitatea celulelor senzoriale, neuronilor i a miocitelor este dependent de prezena canalelor ionice la nivelul crora are loc convertirea semnalelor care dirijeaz transportul transmembranar al unor ioni anorganici, precum Na+, K+, Ca2+ i Cl-, ca rspuns la o mare varietate de stimuli. Aceste canale ionice transmembranare se numesc dependente deoarece pot fi nchise sau deschise n funcie de activarea receptorului asociat prin legarea substratului su specific:un neurotransmitormodificri ale potenialului electric transmembranar (Vm).

Receptorul nicotinic colinergic este un canal ionic ligand-dependent

Canalul receptorului nicotinic colinergic se deschide ca rspuns la aciunea neurotransmitorului acetilcolin (i al nicotinei). Acest receptor se gsete n membrana postsinaptic a neuronilor de la nivelul anumitor sinapse i n fibrele musculare (miocite) de la nivelul jonciunilor neuromusculare.Acetilcolina eliberat de ctre un neuron depolarizat interacioneaz cu receptorul pentru acetilcolin i determin modificarea conformaiei receptorului din deschis n nchis. Influxul de Na+ sau Ca2+ va depolariza membrane plasmatic, iniiind efecte specifice care variaz n funcie de tipul de esut:potenialul de aciune la nivelul neuronului postsinaptic depolarizarea fibrei musculare la nivelul jonciunii neuromusculare cu declanarea consecutiv a contraciei musculare.Concentraia acetilcolinei la nivelul fantei sinaptice va fi redus rapid de ctre enzima acetilcolinesteraz, prezent la nivelul sinapsei. Cnd nivelul acetilcolinei rmne crescut pentru mai mult de cteva milisecunde, receptorul este desensibilizat, canalul ionic este nchis i acetilcolina este puternic legat.

2. Neuronii au canale receptor care rspund la aciunea diferiilor neurotransmitori

Neurotransmitorii, cum ar fi 5-hidroxitriptamina (serotonina), glutamatul i glicina i pot exercita aciunea prin intermediul canalelor receptor care au o structur asemntoare cu cea a receptorului acetilcolinei. Canalele cationice conin resturi de Glu i Asp, ncrcate negativ. n cazul n care aceti aminoacizi acizi sunt nlocuii cu aminoacizi bazici, canalul cationic este transformat n canal anionic.n funcie de ionul care trece printr-un canal, ligandul (neurotransmitorul) pentru acel canal fie depolarizeaz fie hiperpolarizeaz celula int.Iniial, membrana plasmatic a neuronului presinaptic este polarizat (ncrcat negativ n interior) prin aciunea ATP-azei Na+K+ care determin efluxul a 3 Na+ consecutiv influxului a 2 K+.

(1) Un stimul care acioneaz asupra neuronului determin declanarea potenialului de aciune care se deplaseaz de-a lungul axonului (sgeata alb). Deschiderea unui canal de Na+ voltaj-dependent permite influxul de Na+, iar depolarizarea local astfel rezultat determin deschiderea canalelor de Na+ adiacente. Procesul se repet n mod similar. Direcia deplasrii potenialului de aciune este meninut de o perioad refractar scurt care se instaleaz n urma deschiderii fiecrui canal de Na+ voltaj-dependent.(2) Cnd unda de depolarizare ajunge la captul distal al axonului, canalele de Ca2+ voltaj-dependente se deschid, permind influxul de Ca2+ n poriunea presinaptic a neuronului.(3) Concentraia intraneuronal crescut de Ca2+ favorizeaz eliberarea, prin exocitoz, a neurotransmitorului acetilcolin n fanta sinaptic.(4) Acetilcolina se leag de un receptor de la nivelul neuronului postsinaptic, stimulnd astfel deschiderea canalului ionic ligand-dependent. (5) Ionii de Na+ i Ca2+ extracelulari intr prin acest canal, depolariznd neuronul postsinaptic. Astfel, semnalul electric a ptruns n corpul neuronului postsinaptic i se va deplasa de-a lungul axonului acestuia, prin aceleai mecanisme, spre un al treilea neuron.

Recepia fascicolului luminos la nivelul ochiului vertebratelor Vederea proces dependent de un receptor cuplat cu o protein G

Fascicolul luminos care ptrunde prin pupil este dirijat ctre retin care reprezint o reea de neuroni nalt specializai pentru recepionarea i prelucrarea semnalelor luminoase.Neuronii fotosenzoriali primari (celulele receptoare) sunt reprezentai de:celulele cu bastona (aprox. 109/retin), responsabile de vederea nocturn (scotopic), dar care nu ofer detalii ale obiectelor i nu sunt implicate n procesul de difereniere a culorilor celulele cu conuri (aprox. 3 X 106/retin) care sunt mai puin sensibile la lumin, dar sunt responsabile de procesul de discriminare a culorilor (vederea diurn = fotopic). Exist 3 tipuri de celule cu conuri. n funcie de pigmenii pe care i conin, acestea sunt responsabile de recepia celor 3 culori fundamentale: rou, verde i albastru. Lipsa unuia dintre pigmeni genereaz discromatopsii, cea mai cunoscut fiind daltonismul.

Att celulele cu conuri ct i cele cu bastona sunt formate din 2 componente: segmentul extern care conine un numr mare de discuri membranoase ncrcate cu proteina membranar, rodopsin, segmentul intern care conine nucleul i mitocondriile care genereaz moleculele de ATP necesare n procesul de fotoconversie. Celulele cu bastona i cele cu conuri formeaz sinapse cu o reea de neuroni intermediari (celule bipolare) care transmit informaia referitoare la activitatea electric ctre neuronii ganglionari (celule multipolare) localizai n profunzimea retinei. Neuronii ganglionari integreaz i transmit influxurile nervoase prin nervul optic ctre cortexul occipital.

Celula cu bastona (fotoreceptorul cu prelungire n form de bastona) are 3 seciuni:partea central care conine nucleul, mitocondriile, etc. un capt al celulei care realizeaz o sinaps cu o celul bipolar conectat la nervul optic cellalt capt - segmentul extern - sub forma unui bastona cilindric, coninnd aparatul fototransduciei : > 2000 de discuri suprapuse. Fiecare disc conine 15 000 molecule de rodopsin (fotoreceptorul).Rodopsina are legat 11-cis retinal, capabil s absoarb fotonulProteina G asociat este transducina (TF) care are legat GDP Membrana plasmatic care nconjoar segmentul extern conine canale de Na+, Ca2+ GMPc dependente.

Mecanismele declanate ca urmare a absorbiei de fotoni mediat de rodopsin la nivelul segmentului extern al celulei cu bastona

Receptorul luminos din discuri este rodopsina - proteina opsin i 11-cis-retinal. Ca i ali receptori asociai proteinei G are 7 helixuri transmembranare. Cnd rodopsina absoarbe un foton (molecula semnal), are loc o modificare conformaional n structura acesteia prin transformarea lui 11-cis-retinal n trans-retinal. Astfel molecula de rodopsin devine activat. Rodopsina activat determin modificri n alctuirea transducinei, o protein G trimeric, care schimb GDP n GTP i detaarea subunitii -GTP.-GTP migreaz la nivelul membranei citoplasmatice unde activeaz o fosfodiesteraz, GMPc-fosfodiesteraza, care va hidroliza GMPc. scade nivelul GMPc din citosol care va determina o scdere a cantitii de GMPc legat la canalele de Na+,Ca2+ din membrana plasmatic a segmentului extern al celulei cu bastona. Canalele de Na+ se nchid, nceteaz afluxul de Na+ i Ca2+ iar potenialul membranar crete la 70mV. Astfel semnalul luminos este transformat n semnal electric cu formarea unui impuls nervos ce strbate nervul optic pn la centrul vederii din SNC. subunitateai -GTP este inactivat prin activitatea sa GTP-azic. Transducina revine astfel la stadiul inactiv

Scderea [Ca2+] determin activarea guanilciclazei (GC) i inhibarea PDE; [GMPc] crete depind nivelul de ntuneric, cu redeschiderea consecutiv a canalelor cationice i revenirea Vm la valoarea anterioar stimulrii. Rodopsin kinaza (RK) fosforileaz rodopsina; nivelul sczut al [Ca2+] i recoverinei (Recov) stimuleaz aceast reacie. Arestina (Ar) inactiveaz rodopsina prin legarea de captul carboxi-terminal fosforilat al acesteia. Arestina se disociaz, rodopsina este defosforilat, i trans-retinal este nlocuit cu 11-cis-retinal. Astfel, rodopsina este pregtit pentru un nou ciclu de fotoconversie

Transmiterea gustului i mirosului

Are loc similar cu cel al transmiterii semnalului luminos. Receptorii sunt proteine de tipul receptorilor membranari cu 7 elici, Receptorii transmit semnale prin intermediul unor proteine trimerice de tip G la nivelul adenilatciclazei ce genereaz AMPc. G olfactiv pentru miros gustducin pentru gustAMPc va deschide canalele ionice depolariznd celula.

Modificri ale cilor de semnalizare n cancer

Genele ce codific proteine implicate n procesul de cretere i diviziune celular pot fi considerate protooncogene.Aceste proteine pot fi diferite elemente ale cilor de semnalizare: factori de cretere, receptori proteine G, protein kinaze sau factori de transcripie implicai n progresia ciclului celular.Sub aciunea diferiilor factori: ageni virali, ageni mutageni chimici sau fizici, rearanjri cromozomiale, protooncogenele sufer mutaii n urma crora se pot transforma n oncogene. Produsul oncogenei, proteina, prezint modificri care altereaz funcia normal, amplificnd sau meninnd permanent activ calea de semnalizare implicat n creterea sau diviziunea celular.De exemplu, n cancerul de sn, mutaia genei ErbB, ce codific receptorul pentru factorul de cretere epidermal (EGFR) produce o form mutant a receptorului ce menine activ tirozin kinaza indiferent de prezena EGF. Astfel calea de semnalizare specific factorului de cretere genereaz continuu semnal de diviziune celular.Un alt exemplu este al mutaiei genei ce codific proteina Ras n urma creia aceasta pierde capacitatea GTP-azic. ca urmare Ras GTP rmne permanent activat genernd un semnal permanent. Mutaiile proteinelor Ras se ntlnesc n 30 50% din cancerele de plmn i peste 90% n cele de pancreas.