View
119
Download
2
Category
Tags:
Preview:
Citation preview
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
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
Na+ kanalček nevrona, uravnavan s transmembransko napetostjo
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
Tri stanja ACh receptorja
Neaktivno(mirovanje)
Aktivno(aktivacija)
Neobčutljivo(desenzitizacija)
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
- 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
Bolezni, ki izvirajo iz okvar ionskih kanalčkov
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
Aktiviranje inzulinskega receptorja – tirozinske kinaze z avto-fosforilacijo→sprememba konformacije
Neaktivna domena tirozinske kinaze
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
3. Desenzitizacija signaliziranja β-adrenergičnega receptorja z arestinom
arestin
-adrenergična arestinska kinaza (-ARK)
endocitoza
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
Signali, ki uporabljajo cAMP kot sekundarni obveščevalec
kortikotropin
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
•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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
Interakcija med rodopsinom (receptor za svetlobo) in transducinom (G protein)
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
Absorpcijski spektri rodopsina in rdečih, zelenih in modrih receptorjev celic čepkov
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
Značilnosti sistemov signaliziranja kot odziv na hormone, svetlobo, vonj in okus
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
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
Recommended