PROTEINI POVEZANI S PRENOSOM SIGNALOV Funkcije proteinovibk.mf.uni-lj.si/teaching/biokemija1/predavanja/... · 2010. 5. 12. · 3. membranski receptorji, povezani z G proteini •

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)

PROTEINI POVEZANI S PRENOSOM SIGNALOV

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, hormoni, 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

Ojačenje signala: encimska kaskada

Ojačenje signala za nekaj redov velikosti lahko poteče v msek

Izguba občutljivosti/prilagoditev (“desenzitisation/adaptation”)

Aktivacija receptorja sproži

povratni odgovor, ki “zapre”

receptor ali ga odstrani s

celične površine (endocitoza)

Seštevanje (integration) signalov

Če imata dva dražljaja neodvisen (npr. 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

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 vežejo in aktivirajo topne proteine (npr. proteinske kinaze) iz citoplazme

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

Evkariontske celice: 6 splošnih vrst mehanizmov prenosa signala

1 2

3

65

4

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

S = signalna molekula

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

primer: 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


ob odprtju

kanalčka

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


veliko Arg

Vm=-60mV

Vm=+30mV

Primer: ionski kanalček, odvisen od liganda:acetilholinski receptor (nikotinski tip)

• Receptor je bistvena komponenta 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 107 ionov/s)

Primer, ionski kanalček, odvisen od liganda: acetilholinski receptor

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


Konformacijska sprememba ionskega kanalčka po vezavi acetilholina (AcH)

zaprt ionski kanalček hidrofobni levcin

preprečuje pretok ionov

odprt ionski kanalček –konformacijska sprememba hidrofobni levcin 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 (akcijskipotencial) potuje od živčnecelice po aksonu preko

sinaps do naslednje celice

- Tri vrste ionskih kanalčkov,odvisnih od napetosti:

Na+, K+ in Ca2+ kanalčki

- Na+ in K+ kanalčki se zaporednoodpirajo - 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 fugu) in saksitoksin (dinoflagelati- školjke) se vežeta na Na+ kanalčke in prepreči prenos impulza

• Dendrotoksin (črna mamba) inhibira K+ kanalčke

• Kalcikludin (zelena mamba) inhibira Ca2+ kanalčke

• Tubokurarin, (aktivni del strupa kurare, s katerim so ob Amazonki zastrupljevali puščice, Kd ≈ 10-7 M), kobratoksin in bungarotoksin (kobra, kreit; Kd ≈ 10-15 M) se vežejo na ACh receptor

Dendrotoksin

Chondrodendron tomentosum

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

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

Nelson DL, Cox MM, Lehninger

Principles of Biochemistry, 2005

Tyr

inzulinski receptor –

tetramer 2α, 2β

zunajcelični del α –2 vezavni mesti za 2 inzulina

znotrajcelični del β –kinazna encimska aktivnost

Po vezavi inzulina se izvrši

avtofosforilacija inzulinskega

receptorja na Tyr β podenote znotraj celice, sledi fosforilacija

subatrata IRS in nadaljnje

interakcije med proteini.PI-3K

premik transporterja

za glukozaaktivacija

encimov

aktivacija genov

(sinteza proteinov)

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

• Kasnejši (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 Gα 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, vključenih v določenometabolično 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, ki 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 fosfodiesterazo

2. Hidroliza GTP z endogeno GTPazno aktivnostjo Gα podenote

3. 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

β-adrenergična arestinskakinaza (β-ARK)

endocitoza


Signali, ki uporabljajo cAMP kot sekundarni obveščevalec

k

o

r

t

i

k

o

t

r

o

p

i

n


•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 IP3na 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

Primer signaliziranja preko G proteinov:Sprejem svetlobe v očesu vretenčarjev

Struktura očesa

Struktura paličnic

diski

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 Gαααα podenote → vpliv na signalno pot

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 znotraj celice (sodelujoči proteini so receptorji, G-protenin, adaptorji, encimi (kinaze) →

• → nastanek majhne molekule v celici – 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

Signaliziranje, ki uravnava mitozo (celični cikel)

• 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 (tumor).

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

Motnje v biosignaliziranju: izražanje onkogenov

• Onkogeni so mutirane oblike genov, ki kodirajo okvarjene proteine, ki uravnavajo celični cikel.

• Onkoproteini so tako spremenjeni signalni proteini, da stalno oddajajo signal za celično delitev in s tem povzročajo tumorje.

• Onkogeni so genetsko dominantni.

• Onkogeni lahko kodirajo defektne receptorje, rastne faktorje, G-proteine, proteinske kinaze ali regulatorje transkripcije.

• Tumor supresorski geni kodirajo proteine, ki zavirajo celično delitev. Mutacije v teh genih so recesivne, a tudi lahko privedejo do nastanka tumorjev

Primer onkogena, ki kodira okrnjen receptor za

epidermalni rastni faktor (EGF) – motnja v odzivu na zunanji stimulus - stalno aktivirana signalna pot


Permanenten signal za

delitev povzroči, da se celicanekontrolirano deli!

Vzroki za nastanek onkogenov

• Prerazporeditev kromosomov

• Kemične učinkovine

• UV sevanje

• Virusna infekcija

Motnje v biosignaliziranju: izražanje onkogenov

• Pri prenosu onkogenov lahko posredujejo tudi virusi

• 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


Documents

PROTEINI POVEZANI S PRENOSOM SIGNALOV Funkcije proteinovibk.mf.uni-lj.si/teaching/biokemija1/predavanja/... · 2010. 5. 12. · 3. membranski receptorji, povezani z G proteini •