Controllo del ciclo cellulare: complessi ciclina-Cdk

La nascita di una nuova cellula necessita di numerosi e accurati controlli che vengono effettuati da enzimi specifici durante le diverse fasi del ciclo cellulare.

Le diverse fasi del ciclo cellulare. Immagine da Operatore e Tecnico dei Servizi Sociali - corso di igiene, anatomia e fisiologia.

I passaggi da una fase all’altra dipendono dall’attivazione di alcuni ENZIMI chiamati chinasi ciclina-dipendente o semplicemente Cdk. 

Procedere nella fase S? Fermarsi? Ritirarsi nella fase Go? Si dice che le cellule che hanno smesso di dividersi, si trovano in uno stato di quiescenza, chiamato fase G0. Le cellule nervose, ad esempio, rimangono in questa fase per tutta nostra vita.

COSA SONO GLI ENZIMI
Un enzima è una proteina che ha il compito di consentire le reazioni chimiche nel nostro organismo, catalizzandole, ovvero aumentandone la velocità.
Alcuni enzimi, detti enzimi coniugati, possiedono, legato alla loro catena proteica, un co-enzima; si tratta di un fattore che ha la funzione di facilitare l’azione dell'enzima stesso. 
Il co-enzima può avere una diversa natura chimica:

• Può essere uno ione: ad esempio, uno ione di ferro (Fe), di zinco (Zn) o di cobalto (Co).

• Può essere una vitamina, ad esempio il Co-enzima A, derivato dalla vitamina A. 

Struttura chimica del Co-enzima A. Immagine da wikipedia.

• Può essere rappresentato da una molecola più complessa, come i  cofattori il Nicotinamide-Adenin-Dinucleotide, NAD, e il Flavin-Adenin-Dinucleotide, FAD, coinvolti nella respirazione cellulare. Qui un interessantissimo video sulla respirazione cellulare, ovvero il meccanismo che porta alla produzione di energia nel nostro organismo. Il video è in inglese ma, grazie alle immagini, è di facile comprensione.

Struttura chimica del FAD. Immagine da wikipedia.

Struttura chimica del NAD rappresentata con un modello 3D. Immagine da wikipedia.  

L’attività di un enzima è altamente specifica per il tipo di reazione che esso catalizza e per il tipo di reagente (chiamato anche substrato che interviene nella reazione chimica.

Gli enzimi sono molto specifici: possono legarsi solo a  certi substrati. L'immagine mostra chiaramente come  I due enzimi (in giallo) possano legarsi solo a substrati che presentino una conformazione tridimensionale compatibile con il loro sito attivo. Immagine da http://www.chem4kids.com

Il meccanismo d'azione di molti enzimi viene interpretato secondo il cosiddetto modello "chiave e serratura": gli enzimi hanno una regione, chiamata sito attivo, specifica e conformata in modo da adattarsi solo alla struttura del substrato con il quale devono reagire.

Meccanismo chiave-serratura: l'enzima si adatta al proprio substrato, come una chiave si adatta in modo specifico ad una serratura. Immagine da http://www.chem4kids.com

Alcuni enzimi,  invece, funzionano secondo il modello dell'"adattamento indotto": è il substrato stesso che determina una variazione nella conformazione del sito attivo dell'enzima, nel momento in cui l'enzima ed il substrato si uniscono.

Meccanismo dell'adattamento indotto: quando il substrato entra a contatto con l'enzima ne modifica il sito attivo. Immagine di wikipedia.

Indipendentemente dal meccanismo d'azione, l'enzima non modifica la reazione chimica, si limita a velocizzarla; al termine della reazione l'enzima non viene modificato e può catalizzarne una nuova. Naturalmente l'azione catalitica di un enzima è finemente regolata da vari fattori, ad esempio: la temperatura, il pH, ma anche la presenza di sostanze che attivano l'enzima o lo inibiscono.
GLI ENZIMI CHE CONTROLLANO IL CICLO CELLULARE: Complessi Ciclina-Cdk
I passaggi da una fase all’altra dipendono dall’attivazione di alcuni enzimi chiamati chinasi  ciclina dipendente (Cdk). Ne esistono diverse e, per differenziarle, si utilizzano i numeri; ad esempio, Cdk1. Questi enzimi catalizzano la fosforilazione di proteine bersaglio, cioè il trasferimento di un gruppo fosfato dall’ATP alla  proteina stessa.

ATP. Immagine da wikipedia.

La reazione di fosforilazione cambia la carica elettrica, la forma e la funzione della proteina: tali cambiamenti consentono al ciclo cellulare di procedere.

Le proteine chinasi per diventare  attive si legano ad un secondo  tipo di proteine, le cicline; esistono diverse cicline contraddistinte con le lettere dell'alfabeto. L'unione tra la ciclina e la chinasi forma un complesso proteico che induce il passaggio da una fase all'altra. Dopo aver svolto il suo compito la proteina ciclina si stacca dalla chinasi, che torna ad essere inattiva.  I complessi ciclina-Cdk funzionano da check point, ovvero punti di controllo nei quali viene verificato lo stato di salute della cellula, prima di passare alle fasi successive.

Punti di controllo del ciclo cellulare:

1. Passaggio dalla fase G1 alla fase S.
2. Passaggio dalla fase G2 alla mitosi.
3. Completamento della mitosi.

Il grafico mostra la concentrazione delle cicline nelle diverse fasi del ciclo cellulare. Immagine di Wikipedia.

• Le cicline D agiscono nei momenti iniziali della fase G1; si legano con le CdK4 e 6; il loro compito è quello di guidare la transizione tra la fase G1 e la fase S.

• Le cicline E, invece,  agiscono più tardivamente nella fase G1 legandosi alle Cdk2. Anche il loro legame è richiesto per la transizione dalla fase G1 alla fase S.

• Le cicline A si legano alle Cdk1 e Cdk2; queste cicline stimolano la duplicazione dei cromosomi e partecipano alla regolazione delle prime fasi della mitosi.

• Le cicline B sono le cicline mitotiche e formano un complesso con le CdK1. Queste cicline stimolano l'ingresso nella mitosi.

Come potete vedere è sempre la chimica protagonista anche nella divisione cellulare e, quindi, nella nascita di nuove cellule!
 Tania Tanfoglio