Biosignaliziranje

Funkcije proteinov

• Transport/skladiščenje določenih molekul (ligandov, npr. Hb, Mb)

• Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini) • Oporna funkcija (strukturni proteini, npr keratini, kolagen ...)• Kontraktilni proteini • Membranski proteini, vključeni v transport molekul/ionov preko

bioloških membran• Proteini, vključeni v prenos signala (receptorji, G-proteini,

kinaze ...)• Obramba pred tujki/invazivnimi organizmi (Ig)• Kataliza biokemijskih reakcij (encimi)

Biosignaliziranje/prenos signala (“signal transduction”)

informacija (molekula iz okolja ...)

celični odziv (kemični proces)

celica zreceptorjem

Biosignaliziranje

• Biološki signali so zelo raznoliki (nekaj primerov: antigeni, oligosaharidi, signali razvoja, komponente EM, rastni faktorji, hrmoni, svetloba, mehanski dotik, nevrotransmiterji, hranila, dišeče molekule, feromoni ...)

• Celični odgovori so različni

• Celice imajo le nekaj mehanizmov prenosa in spreminjanja signalov (signal transduction)

• Mehanizmi signaliziranja so evolucijsko ohranjeni

• Primeri signaliziranja - prenos živčnih signalov - odziv na hormone in rastne faktorje - zaznava slike (vid), vonja (voh), okusa - uravnavanje celičnega cikla

Značilnosti prenosa signala

• Specifičnost: molekulska komplementarnost med molekulo-signalom in receptorsko molekulo

• Ojačenje signala

• Izguba občutljivosti (“desensitization”) - prilagoditev na signal (“adaptation”)

• Integriranje signalov

Specifičnost interakcije signalne molekule z receptorjem

Specifičnost vezave:

– signalna molekula in vezavno mesto na receptorju sta komplementarna– selektivna vezava– visoka afiniteta → Kd <10-9 M

Rec + S1 ↔ Rec·S1 Kd1

Rec + S2 ↔ Rec·S2 Kd2

Kd1 < < Kd2S1 – molekula, komplementarna z vezavnim mestom receptorjaS2 – molekula, ki ni komplementarna z vezavnim mestom

Ojačenje signala: encimska kaskada

Ojačenje signala lahko poteče za nekaj redov velikosti v msek

Izguba občutljivosti/prilagoditev (“desnzitisation/adaptation”)

Aktivacija receptorja sproži povratni odgovor, ki “zapre” receptor ali ga odstrani s celične površine (endocitoza)

Seštevanje (integration) signalov

Če imata dva dražljaja nasprotni učinek na metabolične karakteristike, npr. koncentracija sekundarnega obveščevalca [X] ali membranski potencial Vm , je končni učinek (odziv) vsota obeh dražljajev na receptor 1 in receptor 2

odgovor

Evkariontske celice: 6 splošnih vrst mehanizmov prenosa signala

1 2

3

65

4

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

6 splošnih vrst mehanizma prenosa signala:(nadaljevanje)

1. ionski kanalčki z zaporo (npr. nikotinski receptor, acetilholinski receptor)

2. membranski receptorski encimi (npr. receptor za inzulin)

3. membranski receptorji, povezani z G proteini (npr receptor za adrenalin)

4. jedrni receptorji (vežejo steroidne hormone, tiroidne hormone in vitamin D) delujejo kot transkripcijski faktorji

5. membranski receptorji, ki privlačijo in aktivirajo topne proteine (npr. proteinske kinaze) iz citoplazme

6. adhezijski receptorji, ki posredujejo informacijo med ekstracelularnim matriksom in citoskeletom

Primeri mehanizma prenosa signala: 1. ionski kanalčki z zaporo

Ionski kanalčki so osnova za električno signaliziranje vzdražnih celic - ionski kanalčki, odvisni od napetosti primer: Na+ kanalček v živčnih in v živčno-mišičnih sinapsah

- ionski kanalčki, odvisni od liganda primera: nikotinski receptor acetilholinski receptor

Transmembranski električni potencial

(a) K+Na+ATPaza ustvarja transmembranski potencial -60 mV

(b) Ioni težijo h gibanju v smeri elektrokemijskega gradienta skozi polarizirano membrano- spremembe transmembranskega potenciala

depolarizacija

hiperpolarizacija

depolarizacija

depolarizacija


Primer: ionski kanalček, odvisen od napetosti: Na+ kanalček v živčnih in v živčno-mišičnih sinapsah

• Na+ kanalčki so selektivni (K+ in Ca2+ 100 x slabše prehajata)• Hitrost pretoka > 107 ionov/sek• Kanalčki se odprejo kot odziv na zmanjšanje membranskega

potenciala (“voltage-gated”)• Hitro se inaktivirajo• Kanalček sestavlja membranski protein (1 840 ak ostankov)

Primer: ionski kanalček, odvisen od napetosti: Na+ kanalček nevrona, uravnavan s

transmembransko napetostjo

α-podenota kanalčka – domene I, II, III, IV


Na+ kanalček nevrona, uravnavan s transmembransko napetostjo


Primer: ionski kanalček, odvisen od liganda:nikotinski acetilholinski receptor

• Receptor je bistvena komponenta električnega signala, ki se prenese od motoričnega nevrona do mišičnega vlakna (v živčno-mišični sinapsi)

• Naravni ligand – acetiholin (ACh) (ligand je tudi nikotin)

• Vezava ACh na receptor povzroči konformacijsko spremembo receptorja → odpre se ionski kanalček

• Kationi prehajajo v notranjost celice → depolarizacija membrane

• Ionski kanalček je prepusten za Na+, Ca2+ in K+

• Na+ prehaja v smeri nižje konc. (2 x 10-7 ionov/s)

Primer, ionski kanalček, odvisen od liganda: acetilholinskega receptorja -

Podenote: 2α, β, γ, δ; na α podenotah vezavno mesto za ACh


Konformacijska sprememba ionskega kanalčka po vezavi acetilholina (AcH)

zaprt ionski kanalček hidrofobni –R ak levcinpreprečuje pretok ionov

odprt ionski kanalček – konformacijska sprememba hidrofobni –R ak levcina se je umaknil, v notranjost kanalčka se izpostavijo polarne ak

Leu

Polarni ak ostanki

Leu


Tri stanja ACh receptorja

Neaktivno(mirovanje)

Aktivno(aktivacija)

Neobčutljivo(desenzitizacija)


- Električni impulz (akcijski potencial) potuje od živčne celice po aksonu preko sinaps do naslednje celice

- Tri vrste ionskih kanalčkov, odvisnih od napetosti: Na+, K+ in Ca2+ kanalčki

- Na+ in K+ kanalčki se zaporedno odpirajo - enosmerna depolarizacija membrane

- Ca2+ kanalčki se odprejo, Ca2+ sproži eksocitozo ACh

- ACh se sprosti v sinaptično režo, aktivira Na+ / Ca2+ kanalčke na postsinapričnem nevronu ...

- acetilholin-esteraza (AChE) katalizira hidrolizo AChE → utišanje signala

dve vrsti kanalčkov:-odvisni od napetosti-odvisni od liganda

hiperpolarizacija

depolarizacija

Prenos živčnega impulza

Utišanje signala: razgradnja liganda acetilholina (ACh) z encimom acetilholin-esterazo

↔ CH3COOH + HOCH2CH2N+(CH3)3+ H2O

ocetna kislina holin acetilholin

Naravni strupi, ki delujejo na ionske kanalčke – interferirajo s prenosom živčnega impulza

• Tetrodotoksin (riba), veže se na Na+ kanalčke in prepreči prenos impulza

• Saksitoksin (dinoflagelati v južnih morjih), veže se na Na+ kanalčke

• Dendrotoksin (mamba – afriška kača) inhibira K+ kanalčke

• Tubokurarin, (aktivni strup kurare-ja, s katerim so ob Amazonki zastrupljevali puščice), veže se na ACh receptor

• Kobratoksin in bungarotoksin (kačja strupa), vežeta se na ACh-receptor z visoko afiniteto (Kd = 10-15 M) in inhibirata prenos impulza

Tetrodotoksin

Strukture nekaterih naravnih strupov, ki inhibirajo ionske kanalčke

Bolezni, ki izvirajo iz okvar ionskih kanalčkov


Nevroni vsebujejo ionske kanalčke, ki se odzivajo na različne nevrotransmiterje – primeri:

ACh Na+, Ca2+

glicin Cl-

serotonin Na+, K+, Ca2+

glutamat Na+, K+, Ca2+

nevrotransmiter ionski kanalček


1 2

3

65

4

inzulinski receptor – tetramer 2α, 2β

zunajcelični del α – vezavno mesto za inzulin

znotrajcelični del β –kinazna encimska aktivnost, sledi fosforilacija subatrata IRSin nadaljnje interakcijemed proteini

Tyr

Po vezavi inzulina se izvrši avtofosforilacija inzulinskega receprtorja na Tyr podenote znotraj celice

Primeri mehanizma prenosa signala: 2. membranski receptorski encimi – receptor za inzulin


Aktiviranje inzulinskega receptorja – tirozinske kinaze z avto-fosforilacijo→sprememba konformacije

Neaktivna domena tirozinske kinaze


Aktivna domena – 3 tyr ostanki fosforilirani

Osnovni učinki inzulina• Hitri (sekunde): pospešen transport glukoze, ak in K+ v celice, občutljive na

inzulin

• Srednje hitri (minute): - stimulacija sinteze, inhibicija razgradnje glikogena - stimulacija sinteze, inhibicija razgradnje proteinov - stimulacija razgradnje, inhibicija sinteze glukoze

• Zapozneli (ure): povišana koncentracija encimov, ki sintetizirajo lipide

inzulin

Inzulin uravnava prenos prenašalca glukoze v miocitu (hitri učinek inzulina)

Nelson DL, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

Uravnavanje ekspresije gena z inzulinom (počasni učinek)

inzulinski receptorRafMEKERK

kinaze

IRS-1 insulinreceptor substrat

Ras G protein

transkripcijski faktor

trankripcija genov, ki kodirajo encime, vključene v metabolizem glukoze

adaptorski protein



1 2

3

65

4

Primeri mehanizma prenosa signala: 3. membranski receptorji, sklopljeni z G proteini

Sestavine signaliziranja preko receptorjev, sklopljenih z G proteini• Receptor s 7 transmembranskimi α-vijačnicami zazna signalno

molekulo S• Protein, ki veže gvanozinski nukleotid - heterotrimerni G protein

(podenote Gα, Gβ, Gγ)• Encim v membrani, ki katalizira reakcijo nastanka sekundarnega

obveščevalca, npr. adenilatna ciklaza (AC) → cAMP, fosfolipaza C (PLC) → IP3

encim

substrat

produkt -sekundarniobveščevalec

S

3. membranski receptorji, sklopljeni z G proteini - ojačenje signala (kaskadna reakcija)

AC, PLC ...

cAMP, cGMP ...

fosforilacija

aktivni encimi

G protein

receptor

•Vezava signala na receptor aktivira več molekul G proteinov•Vsaka G podenota aktivira več encimov (efektorjev)•Vsak encim katalizira nastanek več molekul sek. obveščevalcev•Vsak sek. obveščevalec aktivira več encimov kinaz•Vsaka kinaza fosforilira (aktivira) več encimov, vlkjučenih v določeno metabolično pot

3. membranski receptorji, povezani z G proteini

• cAMP, cGMP - delovanje nekaterih hormonov, npr. adrenalin - delovanje svetlobe (molekulske osnove vida) - delovanje dišečih molekul (molekulske osnove vonja) - delovanje okusnih molekul (molekulske osnove okusa)

• diacilglicerol (DAG), inozitol-3-fosfat (IP3) in Ca2+

Sekundarni obveščevalci, si se sintetizirajo po aktivaciji G-proteinov - nekaj primerov

β-adrenergični receptor veže adrenalin → cAMP → aktivirana proteinske kinaze → aktivirana metabolična pot (razgradnja glikogena) kot celični odgovor

Primer signaliziranja preko G proteinov: signal adrenalin


Nastanek sekundarnega obveščevelca cAMP

ATP → cAMP + PPi

ATP

cAMP

Utišanje signala, ki ga je sprožil adrenalin in ki deluje preko cAMP

1. Hidroliza cAMP s fosfodiesterazo2. Hidroliza GTP z endogeno GTPazno aktivnostjo Gα podenote3. Desenzitizacija receptorja z arestinom

1. hidroliza cAMP s fosfodiesterazo

cAMP

adenozin 5‘-monofosfat(AMP)

2. Hidroliza GTP z endogeno GTPazno aktivnostjo Gα podenote


3. Desenzitizacija signaliziranja β-adrenergičnega receptorja z arestinom

arestin

-adrenergična arestinska kinaza (-ARK)

endocitoza


Signali, ki uporabljajo cAMP kot sekundarni obveščevalec

kortikotropin


•Kortikotropin•Adrenalin•Glukagon•Histamin•Lutenizirajoči hormon•Dišeče molekule•Prostaglandini•Somatostatin•Molekule okusa•Hormon, ki stimulira ščitnico

Inozitol-3-fosfata (IP3) kot sekundarni obveščevalec

Aktiviranje fosfolipaze C (PLC) s hormonom in delovanje IP3 na ionske kanalčke za Ca2+ vmembrani endoplazmatskega retikuluma

Encim: fosfolipaza C


Primer signaliziranja preko G proteinov

Dražljaji, ki se prenašajo preko fosfolipaze C in IP3

• Peptid, ki sprošča gastrin• Glutamat (signaliziranje v možganih)• Gonadotropin-sproščujoči hormon (hipofiza)• Histamin • Oksitocin• Vazopresin• Serotonin• Tirotropin-sproščujoči hormon

Kalmodulin – proteinski posrednik pri mnogih encimskih reakcijah, ki jih stimulira Ca2+

• Adenilil-ciklaza (možgani)• Ionski kanalčki za Ca2+ v

sarkoplazmatskem retikulumu• cAMP fosfodiesteraza• Ionski kanalčki, odvisni od cAMP pri

sprejemanju vonja• Miozinske kinaze • Sintaza NO• Ca2+ ATPaza v plazemski membrani

Aktivnost nekaterih proteinov uravnavata Ca2+ in kalmodulin


Primer signaliziranja preko G proteinov:Sprejem svetlobe v očesu vretenčarjev

Struktura očesa

Struktura paličnicdiski

Protein rodopsin v membrani diska

citosol

notranjost retinal

Indukcija hiperpolarizacije celic paličnic s svetlobo → → → razgradnja cGMP → zaprtje ionskih kanalčkov

Paličnica, za svetlobo občutljiva čutna celica v mrežnici, ki sestoji iz paličke, perikariona in nevrita

stanje mirovanjaaktiviranje s svetlobo


Interakcija med rodopsinom (receptor za svetlobo) in transducinom (G protein)


Vitamin A in njegovi produkti

izomerizacija 11-cis-retinala v trans retinal pod vplivom svetlobe - prvi v zaporedju dogodkov v vidnem ciklu →konformacijska sprememba rodopsina ...

Molekulski dogodki, ki jih sproži svetloba v diskih


Absorpcijski spektri rodopsina in rdečih, zelenih in modrih receptorjev celic čepkov


Konzervirane Daltonove oči

John Dalton ni razlikoval barv. Po njegovi smrti 1844 so konzervirali njegove oči in leta 1990 analizirali DNA – primerjava nukleotidnih zaporedij različnih opsinov (barvnih pigmentov). Ugotovitev: ni bilo gena za pigment za absorpcijo svetlobe zelene barve


Značilnosti sistemov signaliziranja kot odziv na hormone, svetlobo, vonj in okus


Inaktiviranje G proteinov z bakterijskimi toksini: ADP-ribozilacija G podenote → inhibicija signalne poti

Bakterijski toksini – encimi, ki katalizirajo ADP-ribozilacijo G proteinov – povzročijo oslovski kašelj (Pertussis toxin) in kolero (Cholera toxin)

Nekatere skupne značilnosti signalnih poti, ki vključujejo sekundarni obveščevalec:

• Vezava signalne molekule na receptor v plazemski membrani sproži interakcije protein-protein (sodelujoči proteini so receptorji, adaptorji, encimi (kinaze) →

• → nastanek majhne molekule – sekundarnega obveščevalca (“second messenger”)

- hidrofilni sekundarni obveščevalci: cAMP, cGMP, IP3, Ca2+

- hidrofobni sekundarni obveščevalci: diacilglicerol, fosfatidil-inozitol fosfati

• → aktivacija določene signalne poti – biološki odgovor celice

• Kaskadne reakcije (ojačanje signala) znotraj celice po vezavi signalne molekule na receptor v membrani


1 2

3

65

4

Primeri mehanizma prenosa signala: 4. jedrni receptorji, ki vežejo steroidne in tiroidne

hormone, vitamin D in retinoide

• Hormon sproži biološki odgovor v odzivnih tkivih, ki vsebujejo jedrne receptorje za hormon

• Hormon se veže na receptor z visoko afiniteto (Kd ≈ 10-9 M) in specifičnostjo v kompleks hormon-receptor

• Ob vezavi hormona se receptor konformacijsko spremeni, na njem se odkrije vezavno mesto za DNA, kompleks se veže na specifična mesta na DNA (HRE, hormone responsive element) in s tem uravnava (aktivira) prepisovanje določenih genov; s hormonom aktivirani receptor deluje kot transkripcijski faktor, RNA-polimeraza sintetizira mRNA

• Informacija se prenese do ribosomov, kjer se sintetizira določen protein kot odgovor na signal - hormon

Uravnavanje ekspresije genov z jedrnimi receptorji

1,25 dihidroksi-holekalciferol

tiroksin

Ligandi, ki aktivirajo jedrne receptorje


Mehanizem delovanja steroidov

genomsko delovanjepreko steroidnih receptorjevznotraj celice (“klasična” signalna pot steroidov)

negenomsko delovanjepreko steroidnih receptorjevv plazemski membrani(v novejšem časuodkrita signalna pot steroidov)

Motnje v biosignaliziranju: izražanje onkogenov• Onkogeni so mutirane oblike genov, ki kodirajo proteine, ki

uravnavajo celični cikel

• Odkriti v virusih, ki povzročajo tumorje

• Virusni onkogeni zelo podobni genom v živalih – gostiteljicah virusov, protoonkogenenom

• Protoonkogeni kodirajo proteine, ki uravnavajo celično rast

• Med virusno infekcijo se lahko protoonkogen vgradi v virusni genom in se spremeni (mutacije, skrajšanje gena)

• Ob naslednji infekciji virusa se mutirani protoonkogen – onkogen - izrazi v celici-gostiteljici, kjer prepreči normalno uravnavanje rasti celice → rakava rast

Onkogeni: pretvorba regulatornega gena v virusni onkogen


Vzroki za pretvorba protoonkogenov v onkogene

• Virusna infekcija

• Prerazporeditev kromosomov

• Kemične učinkovine

• UV sevanje

• Mutacija, ki privede do onkogenov, je genetsko dominantna

Primer onkogena, ki kodira okrnjen receptor za epidermalni rastni faktor (EGF) – motnja v odzivu na zunanji stimulus - stalno aktivirana signalna pot


Signaliziranje, ki uravnava mitozo

• Vse evkariontske celice – ohranjen mehanizem uravnavanja mitoze

• Intenzivna delitev celic poteka med med embrionalnim razvojem; v odraslem organizmu počasna delitev celic

• Celično delitev uravnavajo zunanji rastni faktorji

• Vstop celice v celično delitev (celični cikel) in prehod iz ene v drugo fazo cikla uravnavajo proteinske kinaze/ fosforilacija proteinov

• Če so regulatorni mehanizmi, ki uravnavajo delitev celic okvarjeni, sledi nekontrolirana rast → rakava rast

Mitóza je proces pri delitvi jedra somatskih celic, sestavljen iz niza faz, ki zagotavljaohranitev enakega števila kromosomov in množine DNA v na novo nastalih jedrih, sledi delitev citoplazme (citokineza), Slovenski medicinski slovar 2004

Biosignaliziranje

Documents

Transcript of Biosignaliziranje