Přenos signálů - informační metabolismus Přenos signálů - informační metabolismus

1.1. ÚvodÚvod

2.2. Sedm transmembránových helixových Sedm transmembránových helixových receptorů mění svoji konformaci po receptorů mění svoji konformaci po

vazbě ligandu za současné aktivace G vazbě ligandu za současné aktivace G proteinůproteinů

3.3. Hydrolýza fosfatidylionositolbisfosfátů Hydrolýza fosfatidylionositolbisfosfátů fosfolipasou C vede ke tvorbě dvou fosfolipasou C vede ke tvorbě dvou

poslůposlů

4.4. Vápenatý iont jako univerzální Vápenatý iont jako univerzální cytosolární poselcytosolární posel

5.5. Dimerizace receptorů jako odezva na Dimerizace receptorů jako odezva na vazbu ligandu vazbu ligandu

6.6. Důsledky defektů přenosu signálůDůsledky defektů přenosu signálů

Formy transdukce signáluFormy transdukce signálu • Receptory na membráně přenáší informaci z okolí

do buňky. Některé nepolární signální molekuly (např. steroidní hormony) pronikají do buněk a tam se váží na protein nebo přímo na DNA.

• Častější interkace ligand – receptor. Receptor je obvykle integrální protein membrány. Uvnitř buňky se tvoří druhý posel. Ireversibilní.

• Obecnou cestou přenosu informace je fosforylace - kinasy. Zasaženými místy na enzymech jsou Ser, Thr a Tyr. Reversibilní.

• Terminace přenosu informace – proteinfosfatasy.

Princip přenosu signáluPrincip přenosu signálu

The second messengers – druzí poslové uvnitř buněk. The second messengers – druzí poslové uvnitř buněk.

Fosforylace proteinů – obecný princip přenosu informace. Fosforylace proteinů – obecný princip přenosu informace. Terminace signálu - proteinfosfatasyTerminace signálu - proteinfosfatasy

• Sedm transmebránových helixů – 7TM

• Receptory tohoto typu přenáší signály fotonů, odorantů, chutí, hormonů a neurotransmiterů.

Příkladem hormonu, který se váže na sedm transmembránový Příkladem hormonu, který se váže na sedm transmembránový receptor je adrenalin.receptor je adrenalin.

Biologické funkce zprostředkované receptory 7TM

VůněChuť Vidění Přenos nervových vzruchůUvolňování hormonůChemotaxe – je pohyb vyvolaný chemikáliemiExocytosa - proces zajišťující vylučování látek z buněk do extracelulárního prostoru. Kontrola tlaku krveEmbryogeneze – vývoj zárodku (embrya)Růst a diferenciace buněk Virální infekce Karcinogeneze

Schematický obrázek transmembránového 7TM Schematický obrázek transmembránového 7TM

Třírozměrná struktura rhodopsinu a 7TM receptoru.Třírozměrná struktura rhodopsinu a 7TM receptoru.

Schéma přenosu signálu přes receptor a G- Schéma přenosu signálu přes receptor a G- proteiny. proteiny.

Heterotrimerní G proteinHeterotrimerní G protein

Konformační změny GKonformační změny Gaa po výměně nukleotidů. Aby mohlo dojít po výměně nukleotidů. Aby mohlo dojít k výměně nukleotidů dochází vlivem vstupu signálu na k výměně nukleotidů dochází vlivem vstupu signálu na

receptor přes 7TM ke třem konformačním změnám (změna, receptor přes 7TM ke třem konformačním změnám (změna, přepnutí). přepnutí).

Rodiny G-proteinů a jejich funkce

Gs -Adrenergní aminy, Stimulujíglukagon, parathyreoidní hormon,

adenylátcyklasumnoho dalších

Gi Acetylcholin, -adrenergní aminy, Inhibují mnoho neurotransmiterů adenylátcyklasu

Gt Fotony Stimulují cGMP fosfodiesterasy

G13 Thrombin, další agonistéStimulují Na+ a

H+ výměnu

Gq Acetylcholin, -adrenergní aminy, Zvyšují IP3 a mnohé neurotransmiteryintracelulární

Ca2+

Adrenergní Adrenergní

Adrenergní – nerv, buňka nebo buněčný receptor (adrenoreceptor) aktivovaný adrenalinem nebo noradrenalinem a analogickými látkami.

-adrenergní – pořadí citlivosti na agonisty: adrenalin noradrenalin isoprenalin (isoproterenol). Stimulační efekt svalových kontrakcí Citlivost na antagonisty: fentolamin propranolol.

-adrenergní – aktivace adenylátcyklasy. Zase různé pořadí agonistů: Tři třídy: 1. 1 – receptory – isoprenalin noradrenalin adrenalin 2. 2 – pořadí isoprenalin adrenalin noradrenalin 3. 3 – noradrenalin adrenalin

Isoprenalin (isoproterenol)

• Conceptual insights – Signál – přenos

Aktivace adenylátcykalsy GAktivace adenylátcykalsy Gss.. A)Adenylátcyklasa je integrální membránový (12 helixů) A)Adenylátcyklasa je integrální membránový (12 helixů)

protein. Katalyticky aktivní jsou dvě intracelulární domény. protein. Katalyticky aktivní jsou dvě intracelulární domény. B) GB) Gss s navázaným GTP se váže na katalytickou část cyklasy. s navázaným GTP se váže na katalytickou část cyklasy.

Obnova GObnova G– GTPasová aktivita hydrolyzuje GTP a – GTPasová aktivita hydrolyzuje GTP a GGaa se znovu spojí s podjednotkami se znovu spojí s podjednotkami a a . .

Terminace signálu (např. adrenalin). A) Disociace signální Terminace signálu (např. adrenalin). A) Disociace signální molekuly z receptoru. B) Fosforylace cytoplasmatického C molekuly z receptoru. B) Fosforylace cytoplasmatického C

terminálního konce receptoru a následná vazba terminálního konce receptoru a následná vazba -arrestinu. -arrestinu.

Cyklický AMPCyklický AMP • V eukaryotních buňkách aktivuje proteinkinasu A

(PKA).• PKA je složena ze dvou regulačních a dvou

katalytických řetězců. Za nepřítomnosti cAMP je komplex katalyticky inaktivní. Po vazbě cAMP na regulační řetězce je PAK aktivována – katalyzuje fosforylaci specifických Ser a Thr proteinů, které jsou takto aktivovány.

• Např. aktivace štěpení glykogenu (glykogenfosforylasa a-aktivni a glykogenfosforylasa b - inaktivni) a současně inhibuje syntézu glykogenu.

Inhibitory fosfodiesterasyInhibitory fosfodiesterasy

• Purinové alkaloidy – kofein, theobromin, theofylin.

• Vyskytují se v kávě a čaji.

N

N N

N

O

CH3

CH3

O

CH3

1, 3, 7- trimethylxanthin (kofein, caff eine)

1, 3- dimethylxanthin (thofyline, theophylline)

3, 7- dimethylxanthin (theobromin, theobromine)

Hydrolýza fosfatidylinositolbisfosfátu (membránový lipid) Hydrolýza fosfatidylinositolbisfosfátu (membránový lipid) fosfolipasou C vede ke tvorbě dvou druhých poslů. fosfolipasou C vede ke tvorbě dvou druhých poslů.

Např. po vazbě vasopressinu (antidiuretický hormon, ADH) na Např. po vazbě vasopressinu (antidiuretický hormon, ADH) na 7TM. 7TM.

Dva poslové: inositol-1,4,5-trifosfát (IPDva poslové: inositol-1,4,5-trifosfát (IP33) a diacylglycerol) a diacylglycerol

Cys S S Cys

Tyr

Phe Glu

Asn

Pro Arg Gly (NH2)

Arg vasopressin, ADH, vasokonstrikce, urychluje reabsorbci vody v ledvinách

Inositol 1,4,5-trisfosfát otevírá kanály a uvolňuje tak Inositol 1,4,5-trisfosfát otevírá kanály a uvolňuje tak CaCa2+2+ z intracelulárních prostor. z intracelulárních prostor.

• Působením IP3 dochází k uvolnění Ca2+ endoplasmatického retikula, buněk hladkého svalstva a sarkoplasmatického retikula.

• Zvýšená hladina Ca2+ v cytosolu vede např. ke kontrakci hladkého svalstva a štěpení glykogenu.

• Jak se signál IP3 vypíná ? IP3 se velmi rychle přeměňuje na další derifáty inositolfosfátů a na inositol (fosfatasy). Jeho délka života ve většině buněk je několik sekund.

• Recyklaci IP3 inhibuje Li+ !!!

Metabolismus IPMetabolismus IP33: Tvorba a odbourávání fosfátových derivátů : Tvorba a odbourávání fosfátových derivátů inositolu. inositolu.

Diacylglycerol aktivuje proteinkinasu C (PKC) – Diacylglycerol aktivuje proteinkinasu C (PKC) – ta fosforyluje mnoho cílových proteinů. ta fosforyluje mnoho cílových proteinů.

Metabolismus diacylglycerolu. Diacylglycerol je buď Metabolismus diacylglycerolu. Diacylglycerol je buď fosforylován na fosfatidát nebo hydrolyzován na glycerol a fosforylován na fosfatidát nebo hydrolyzován na glycerol a

mastné kyseliny. mastné kyseliny.

Vápenatý iont je univerzální cytosolární posel. Vápenatý iont je univerzální cytosolární posel. Na obr. je vazba CaNa obr. je vazba Ca2+2+ na kalmodulin. na kalmodulin.

Proč je CaProč je Ca2+2+ univerzálním druhým poslem ? univerzálním druhým poslem ?

• 1. Vápenatý iont vytváří komplexy s řadou buněčných složek. Komplexy jsou nerozpustné. Proto je nutné udržovat hladinu Ca2+ na nízké hladině. To zajišťují transportní kanálové systémy.

• U eukaryot jsou nejdůležitější Ca2+ ATPasa a Na+ - Ca2+ výměny.

• Díky těmto pumpámje cytosolární koncentrace Ca2+ udržována u neexcitovaných buněk na 100 nM !! To je několika řádově nižší koncentrace ve srovnání s krví (5 mM).

• 2. Vápenaté ionty se váží pevně na proteiny. Vazba na vedlejší řetězce Glu a Asp a kyslík bez náboje (karbonyly řetězce a kyslíkové atomy Asn a Gln.

• Jakým způsobem lze měřit koncentraci Ca2+ v buňkách ??

Fluorescenční spektrum barviva vážícího vápenaté ionty (Fura-Fluorescenční spektrum barviva vážícího vápenaté ionty (Fura-2). Měří se tak koncentrace v buňkách i v prostředí. 2). Měří se tak koncentrace v buňkách i v prostředí.

Vápenaté ionty aktivují regulační protein Vápenaté ionty aktivují regulační protein calmodulin, který stimuluje mnoho enzym a calmodulin, který stimuluje mnoho enzym a

přenašečů. přenašečů.

• Calmodulin je 17 kd protein (CaM), obsahujícíčtyři vazebná místa pro Ca2+.

• Calmodulin je aktivován, když se intracelulární hladina Ca2+ zvedne nad 500 nM !!!

• Calmodulin patří do rodiny EF-ruky proteinů. EF-ruka je vazebný motiv Ca2+.

• Calmodulin s navázanými Ca2+ aktivuje řadu enzymů,

iontových pump a dalších cílových proteinů.• Calmodulin dependentní kinasa

EF ruka. EF ruka.

Dimerizace receptorů jako odezva na vstup ligandu Dimerizace receptorů jako odezva na vstup ligandu a přenos signálu křížovou fosforylací. a přenos signálu křížovou fosforylací.

• Jako příklad uvedeme lidský růstový hormon. Monomerní protein, 217 aminokyselin, čtyři helixy.

• Receptor je protein 638 aminokyselin – dělí se na část extracelulární (250 aminokyselin), jednoduchý helix přes membránu a intracelulární doména (350).

Křížová fosforylace JAKů (proteinkinasa, Janusova kinasa 2). Křížová fosforylace JAKů (proteinkinasa, Janusova kinasa 2). Obě fosforylasy se navzájem fosforylují a tím se aktivují. Obě fosforylasy se navzájem fosforylují a tím se aktivují.

Některé receptory obsahují tyrosinkinasovu doménu Některé receptory obsahují tyrosinkinasovu doménu mimo kovalentní struktury. mimo kovalentní struktury.

• Růstové faktory jako např. insulin, epidermální růstový faktor (EGF- cytokin)) mají tyrosinkinasovou doménu mimo intracelulární domény. Stimulace růstu epithelu a epidermu.

• Mechanismus působení je obdobou jako je tomu u receptoru růstového hormonu. Aktivuje se MAPkinasa (mitogen-activated proteinkinasa-přenos signálu z plasmové membrány do jádra).

Onemocnění v souvislosti s poruchami Onemocnění v souvislosti s poruchami heterotrimerních G proteinů. heterotrimerních G proteinů.

• Nadměrný signál • Cholera• Karcinomy žláz – hypofýza a štítná žláza • Karcinomy nadledvinek a vaječníků• Primární hypertenze

• Slabý signál • Šeroslepost • Černý kašel