FUNCTIA MEMBRANEI CELULARE IN TRANSFERUL DE INFORMATIE

MESAGERI PRIMARI (LIGANZI EXTRACELULARI)

Celulele din organism genereaza si primesc informatii care le modifica starea functionala. In cazul celulelor alaturate, informatiile se transmit prin sisteme specifice, de cuplaj intercelular. In cazul celulelor care nu stabilesc contacte directe, informatia circula prin intermediul unor semnale chimice produse de celule sursa, care ajung in mediul extracelular si isi exercita actiunea asupra celulelor tinta.

Mesagerii primari (mesageri de ordinul I, liganzi extracelulari) constituie un ansamblu de substante biologic active care sunt recunoscute si interactioneaza cu receptorii specifici din membrana sau din interiorul celulei tinta.

In raport cu originea lor, mesagerii primari pot fi:

endogeni - produsi de structuri apartinand organismului;

exogeni - agentii farmacologici.

In functie de natura chimica exista:

mesageri primari liposolubili - strabat bistratul lipidic membranar, patrund in celula unde se leaga de:

- receptori citoplasmatici (ex. hormoni steroizi)

- receptori nucleari (ex. hormonii tiroidieni);

mesageri primari hidrosolubili - nu pot strabate membrana, fixandu-se pe receptorii membranari (ex. hormonii polipeptidici).

RECEP 555b13f TORII MEMBRANARI

Definitie: Receptorii membranari = structuri complexe macromoleculare care capteaza, amplifica si moduleaza informatia primita de la mesagerii primari.

Caracteristici structurale comune tuturor receptorilor membranari

un situs extern de recunoastere si de ancorare a ligandului;

o regiune hidrofoba care fixeaza receptorul in stratul lipidic al membranei;

un situs de activitate care interactioneaza cu alte proteine de semnalizare, fie membranare, fie din interiorul celulei.

- Partile componente sunt sintetizate in ribozomi, sunt asamblate la nivelul membranei si degradate la nivelul lizozomilor.

- Receptorii sunt, in general, proteine glicozilate, care prezinta o structura subunitara si se caracterizeaza printr-o mobilitate deosebita in ul membranei. In prezenta ligandului specific, receptorii pot conglomera in zone cu sensibilitate maxima, iar in absenta acestuia se pot raspandi difuz pe suprafata celulei.

- Numarul de receptori de pe suprafata unei celule-tinta 10⁴-l0⁵ receptori. Acest numarul depinde de: raportul sinteza/degradare

starea functionala a celulei

concentratia de lunga durata a ligandului.

- Numarul receptorilor se poate modifica prin doua mecanisme:

internalizare (down-regulation) - scaderea numarului de receptori cand celula este expusa la concentratii crescute de ligand; mecanismul asigura scaderea sensibilitatii celulei fata de ligand;

externalizare (up-regulation) - cresterea numarului de receptori cand celula este expusa la concentratii scazute de ligand; mecanismul asigura cresterea sensibilitatii celulei la actiunea ligandului.

Clasificare receptori membranari

In raport cu modalitatea de semnalizare intracelulara se descriu receptori:

a. proteina-canal ionic - ligandul atasat de receptor deschide un canal ionic, determinand un flux ionic depolarizant sau hiperpolarizant.

Exemplu

- acetilcolina deschide canalele de Na⁺ ale receptorului nicotinic si determina un influx de Na⁺ cu efect depolarizant;

- GABA deschide un canal de Cl- si determina un influx de Cl^- hiperpolarizant;

b. cuplati cu o enzima - ligandul atasat de receptor va induce activarea unei enzime situata pe fata interna a membranei si sintetiza unui mesager secundar intracelular. Exemplu - acetilcolina se fixeaza de receptorul muscarinic si determina activarea guanilatciclazei cu formare de GMPc;

c. cuplati cu proteina G - ligandul determina activarea proteine G care apoi se cupleaza fie cu alta enzima (adenilatciclaza, guanilatciclaza, fosfolipaza A, fosfolipaza C), fie cu un canal ionic (canale de Ca²⁺ , K⁺);

d. catalitici - ligandul se fixeaza de un receptor cu activitate enzimatica intrinseca si moduleaza activitatea unor proteine semnalizatoare intracelulare:

receptorii tirozin-kinazici - fosforileaza resturile specifice de tirozina ale proteinelor semnalizatoare intracelulare;

receptorii tirozin-fosfatazici - indeparteaza gruparile fosfat de pe resturile tirozinice ale proteinelor semnalizatoare intracelulare;

receptorii serin/treonin-kinazici - fosforileaza resturile serinice sau treoninice specifice ale unor proteine intracelulare.

Interactiunea ligand - receptor

Moleculele semnal care intra in contact cu receptorul sunt generic numite liganzi. Aceste specii moleculare sunt de regula micromolecule, dar in cazul polipeptidelor pot ajunge la dimensiuni abile cu receptorul propriu-zis. In conditii fiziologice, liganzii sunt endogeni (produsi de organism) sau exogeni (agenti farmacologici).

Interactiunea ligand - receptor se desfasoara in doua etape succesive.

1)Formarea ligand-receptor activat

Complexul ligand-receptor activat determina activarea mecanismului de semnalizare intracelulara si amplificarea informatiei transmise de mesagerii primari.

1)Formarea ligand-receptor activat - Situsul de legare al receptorului prezinta o mare specificitate in recunoasterea ligandului si o mare afinitate in fixarea acestuia, ceea ce ofera receptorului posibilitatea de a recunoaste concentratii foarte mici de ligand, de ordinul nano- si picogramelor.

- Formarea complexului ligand-receptor activat presupune atat selectia ligandului, cat si interactiuni fizico-chimice care se desfasoara foarte rapid (10^-9 sec).

- Fortele implicate in legarea ligandului de receptor sunt slabe (Ex. de tip hidrofob, punti de hidrogen, forte Van der Waals si punti saline) care permit disocierea cu usurinta a complexului ligand pe masura ce acesta se formeaza.

- Astfel, desi cinetica interactiunii este complexa, ea poate fi reprezentata ca o reactie bimoleculara, reversibila, in cadrul careia constanta de disociere (K1/K2) a complexului ligand-receptor este de 10^-8 - 10^-l2 mol/l.

- Moleculele semnal se comporta ca efectori alosterici. Fixandu-se pe receptor, ligandul determina o modificare a conuratiei tertiare a acestuia ceea ce are ca urmare activarea sa. La randul sau, ligandul sufera modificari complexe la scara moleculara. Prin acest proces se formeaza complexul ligand-receptor activat, care porneste etapa a doua a mecanismului biologic de transmitere a semnalului.

Modul de interactiune ligand-receptor poate fi clasificat in:

agonism - legarea ligandului de receptor este urmat de raspunsul fiziologic specific in proportie de 80-l00%;

agonism partial - legarea ligandului de receptor este urmata de raspuns fiziologic de tip agonist numai in proportie de 10-40%.

antagonism - legarea ligandului de receptor nu mai permite ca raspunsul fiziologic sa aiba loc (agonism 0%).

competitiv - antagonistul se fixeaza cu mare afinitate pe situsul agonistului, impiedicand formarea complexului agonist-receptor;

alosteric - antagonistul se fixeaza pe un alt situs decat cel al agonistului, dar modifica conformatia spatiala receptorului, urmata de perturbarea proceselor moleculare care asigura formarea complexului agonist-receptor activat.

2) Activarea sistemelor de semnalizare intracelulara

- Informatia biologica continuta in complexul ligand-receptor activat este transmisa intracelular prin semnale mediate de sistemul de mesageri

secundari, care pot determina reactii imediate (milisecunde)(ex. cresterea Ca²⁺ citosolic induce contractia musculara).

tertiari, care pot determina reactii lente (secunde, minute).

Informatia transmisa prin mesagerii primari sufera la nivel intracelular doua amplificari succesive.

- Prima amplificare (10 x) are loc la nivelul receptorului - semnalul purtat de mesagerul primar este exprimat printr-un numar considerabil de mesageri secundari (AMPc, GMPc, Ca²⁺, IP3 si DAG).

- A doua amplificare (100 x) se realizeaza prin activarea sistemului de proteinkinaze intracelulare (PK) care fosforileaza proteine efectoare intr-o cantitate ce asigura masa critica pentru declansarea unui raspuns celular multiplu si eficient.

Cele mai importante sisteme de semnalizare intracelulara sunt:

a. Sistemul adenilatciclaza - AMPc este cel mai cunoscut sistem de semnalizare intracelulara, dependent de proteinele G. AMPc, format din ATP sub actiunea adenilatciclazei, actioneaza asupra proteinkinazelor-AMPc dependente numite proteinkinaze A (PKA). Acestea activeaza mai departe proteine intracelulare responsabile de o gama larga de raspunsuri celulare. Nivelul AMPc este reglat de interventia AMPc-fosfodiesterazei care degradeaza AMPc.

b. Sistemul guanilatciclaza - GMPc este mai putin cunoscut, fiind asociat indeosebi cu actiunea acetilcolinei asupra receptorilor muscarinici. GMPc, format din GTP sub actiunea guanilatciclazei, actioneaza asupra unor canale de K⁺ membranare sau asupra proteinkinazelor GMPc-dependente numite proteinkinaze G (PKG). Sistemul este inactivat de o GMPc-fosfodiesteraza.

c. Sistemul Ca²⁺ - calmodulina este cel mai complex sistem de semnalizare intracelulara care presupune o crestere initiala a Ca²⁺ citosolic prin diverse mecanisme.

In general, cresterea Ca²⁺ citosolic are loc prin doua mecanisme:

influx de Ca²⁺ prin canale ionice membranare (voltaj-dependente, operate mecanic, operate de liganzi extracelulari sau liganzi intracelulari);

eliberarea din reticulul sarcoplasmatic prin canale de Ca²⁺ (voltaj-dependente sau operate de IP3).

Scaderea Ca²⁺ citosolic are loc, de asemenea, prin doua mecanisme:

eflux de Ca²⁺ prin pompa de Ca²⁺ si schimbatorul Na⁺/Ca²⁺ de la nivelul membranei celulare;

restocare in depozite prin pompa de Ca²⁺ din membrana reticulului sarcoplasmatic.

Cresterea Ca²⁺ liber citosolic este urmata de activarea calmodulinei si cuplarea acesteia cu 4 ioni de Ca²⁺ in cadrul complexului de semnalizare intracelulara, numit Ca²⁺-calmodulina. Acesta influenteaza activitatea enzimelor intracelulare implicate in diverse sisteme de semnalizare (ex. adenilatciclaza, guanilatciclaza etc), dar si activitatea proteinkinazelor Ca²⁺- calmodulin dependente (ex. MLCK = mzosin light chain kinase/ kinaza lantului usor al miozinei).

d. Sistemul derivatilor de fosfatidilinozitol membranar - este alcatuit din inozitoltrifosfat (IP3) si diacilglicerol (DAG), rezultati in urma actiunii fosfolipazei C asupra inozitoldifosfatului (PIP2) membranar. Fosfolipaza C este componenta a liniei de semnalizare mediate de proteinele Gq, asociate mai ales cu receptorii a - adrenergici si receptorii muscarinici.

In cadrul acestui sistem de semnalizare, cei doi mesageri secundari indeplinesc urmatoarele functii:

IP3 se fixeaza pe receptori specifici din structura membranei reticulului sarcoplasmatic, cuplati cu canale de Ca²⁺ pe care le deschide.

DAG activeaza sistemul proteinkinazelor C (PKC) care determina fosforilarea unor proteine celulare cu rol in modularea contractiei muschiului neted.

Sistemul proteinelor G

Definitie

Proteinele G sunt proteine-transductoare (proteine de legatura) intramembranare care cupleaza receptorii membranari cu efectorul reprezentat fie de o enzima, fie de un canal ionic.

Structura

Proteinele G sunt heterotrimeri formati din 3 subunitati:

subunitatea a - este o GTP-aza care asigura functia si specificitatea proteinei (Tab.nr.I); este inactiva cand fixeaza o molecula de GDP si se activeaza cand fixeaza o molecula de GTP;

subunitatile b si g - formeaza un complex care poate media unele actiuni ale proteinelor G (ex. activarea unor canale de K⁺ )

Tabel nr.I. Tipuri de proteine G

Mecanism

Formarea complexului ligand-receptor activat

Complexul ligand-receptor activat interactioneaza cu subunitatea a Þ modificarea conformatiei subunitatii a

Afinitatea subunitatii a: - va creste pentru GTP

- va scade pentru GDP si complexul bg

Subunitatea a activata cedeaza GDP, fixeaza GTP si se disociaza de complexul bg

Disocierea a de complexul bg are ca urmare activarea GTP-azei care permite subunitatii a active sa se deplaseze si sa activeze efectorul (enzima sau canal ionic).

Cand hidroliza GTP-ului este completa, subunitatea a trece in forma inactiva (GDP) si revine in pozitia sa initiala.