Molekulární biologie pro informatiky - 8 Molekulární mechanismy signalizace Signální molekuly Signál •zprostředkovává a předává informaci •extracelulární - ligand reagující s buňkou pomocí receptoru •intracelulární Extracelulární signály •proteiny, peptidy, aminokyseliny, nukleotidy, lipidy, steroidy, mastné kyseliny, plyny •hormony - odvozené od aminokyselin (adrenalin, thyroxin) - peptidy a proteiny (inzulín, glukagon, oxytocin) - steroidní (testosteron, estrogen, kortizol) - vitamín D, kyselina retinová •cytokiny - interleukiny, interferony - nádorové nekrotické faktory (TNF-α, TNF-β, TNF-γ) - růstové faktory (EGF, PDGF, IGF-1, GM-CSF, GHF, NGF) •nervové mediátory (acetylcholin, GABA) •lokální mediátory (histamin, oxid dusnatý) Signály hydrofilní: vazba na membránové receptory, krátkodobá odpověď Signály lipofilní: vazba na intracelulární receptory, dlouhodobá odpověď Extracelulární signalizace Přenos signálu ze zdrojové buňky na receptor buňky cílové 1.endokrinní - buňky vzdáleny, přenos signálu krví (př. hormony) 2.autokrinní - stejná buňka 3.parakrinní - produkce signálu do tělních tekutin, lokální účinek (př. histamin, NO) 4. dutý spoj - buňky v těsném kontaktu, tubulární struktura (př. Ca2+, cAMP) 5. přímý kontakt - ligand i receptor na povrchu buněk v přímého kontaktu (př. FasL) 6. synapse - nervová soustava, permeabilita membrán (př. acetylcholin) 1. 2. 3. 4. 5. 6. https://www.boundless.com/biology/textbooks/boundless-biology-textbook/cell-communication-9/signali ng-molecules-and-cellular-receptors-83/forms-of-signaling-380-11606/ https://www.alz.org/braintour/synapses_neurotransmitters.asp https://www.studyblue.com/notes/note/n/chapter-11-cell-communication/deck/13660625 Signalizace Intracelulární signalizace •přenos signálu na cílovou molekulu uvnitř buňky Odpověď buňky •genová exprese, aktivita metabolických enzymů, konfigurace cytoskeletu, permeabilita membrány, syntéza DNA, indukce apoptózy •přítomnost receptorů a výbava buňky rozhoduje o tom, na který signál bude buňka reagovat •stejný signál může mít různé účinky u různých buněk (např. acetylcholin) •rychlost reakce - změna funkce proteinů (s - min), změna v expresi genů (min - hod) Vazba ligandu na receptor Ligand Receptor CYTOPLAZMA Převod signálu Buněčná odpověď JÁDRO Změna exprese genů srdeční svalovina buňka slinných žláz kosterní svalstvo snížená frekvence a míra kontrakce sekrece kontrakce acetylcholin receptor Signální dráhy První přenašeč signálu: prvotní signál zachycený buňkou Druhé přenašeče signálu: malé molekuly produkované uvnitř buňky po vazbě ligandu na receptor Intracelulární signalizace zahrnuje •přenos signálu a jeho převod do srozumitelné podoby •zesílení, rozdělení signálu •propojení signálních drah Po přijetí signálu se rovnováha signálních molekul velmi rychle obnovuje. Dráha #1 Dráha #2 Dráha #1 Dráha #2 Jedna dráha http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/14_02.jpg http://www.slideshare.net/mousvi786/hormones-lecture-h02 Intracelulární receptory •receptory steroidních a tyroidních hormonů, vitamínu D, kyseliny retinové, oxidu dusnatého •difuze ligandu cytoplazmatickou membránou → vazba na receptor → změna konformace receptoru → regulace transkripce cílových genů Funkční domény receptorů •doména pro vazbu ligandu •doména pro dimerizaci •aktivační doména - vazba k TFIID, TFIIB •DNA vazebná doména - motiv dvou zinkových prstů File:Human androgen receptor and androgen binding.svg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Human_androgen_receptor_and_androgen_binding.svg 1. Cytoplazmatické receptory •steroidní hormony, glukokortikoidy, testosteron •vazba HSP90 •tvorba homodimeru, přechod do jádra, aktivace příslušných genů •př. androgenní receptor Intracelulární receptory 1. Cytoplazmatické receptory •dvoustupňová reakce na steroidní hormony 2. jaderné receptory •tyroidní hormony, vit D, kyselina retinová •tvoří heterodimery (RXR) •př. vitamín D - v krvi vázán na DBP protein - jaderný receptor VDR primární odpověď sekundární odpověď receptor hormon komplex hormon-receptor aktivuje primární geny proteiny primární odpovědi potlačení exprese primárních genů aktivace exprese sekundární genů proteiny sekundární odpovědi http://d3fscbzjxjshr5.cloudfront.net/content/ajprenal/289/1/F8/F1.large.jpg http://jofem.org/index.php/jofem/article/viewFile/23/32/224 cílové proteiny translace mRNA CYTOPLAZMA JÁDRO http://27.109.7.67:1111/econtent/cell-communication/principles-part-2.php; http://ajprenal.physiology.org/content/289/1/F8; ttp://jofem.org/index.php/jofem/article/view endotelová buňka buňky hladké svaloviny aktivované nervové zakončení acetylcholin aktivovaná NO syntáza arginin NO RYCHLÁ DIFÚZE NO MEMBRÁNAMI RELAXACE HLADKÉ SVALOVINY vazba NO na guanylátcyklázu Intracelulární receptory Oxid dusnatý (NO) •parakrinní signál, volný průnik přes membrány buněk •NO syntáza - deaminace argininu •rychlý, lokální účinek •vazodilatátor - aplikace nitroglycerinu při angíně pektoris - prodloužení účinku NO po aplikaci viagry •acetylcholin → vznik a uvolnění NO z endotelových buněk → difuze k buňkám hladké svaloviny → aktivace guanylátcyklázu → relaxace svalové buňky Kapitola 10 - 02-13 http://www.thompson-lab-fzco.com/images/malegel.jpg http://27.109.7.67:1111/econtent/cell-communication/principles-part-2.php; http://fblt.cz/skripta/x-srdce-a-obeh-krve/2-krevni-obeh/; www.thompson-lab-fzco.com Přehled proteinkináz •fosforylace - vazba fosfátové skupiny na AK •jako donor fosfátové skupiny slouží ATP, vznik ADP •tyrosinkinázy - vazba fosfátu na fenolickou skupinu Tyr •serin/treoninkinázy - vazba fosfátu na hydroxylovou skupinu Ser či Thr https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/48/PKARII.svg/1020px-PKARII.svg.png https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PKARII.svg chemwiki.ucdavis.edu Výsledek obrázku pro ATP fosforylace http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/2497/=image088.png?revision=1&size=bestfit&width=350&he ight=180 SERIN / TREONIN KINÁZY 1.proteinkináza A, PKA •cAMP dependentní protein kináza •homodimer, regulační (R) a katalytická (C) doména •po vazbě cAMP na R jsou C uvolněny a mohou fosforylovat cílové proteiny •př. rozklad glykogenu ve svalových vláknech, syntéza somatostatinu v D-buňkách Přehled proteinkináz 2. proteinkináza G, PKG •cGMP dependentní protein kináza, homodimer •regulační doména: dimerizace, vazba cGMP, blok aktivního místa •katalytická doména: fosforylace •PKG-I - hladká svalovina, trombocyty, endotely, kardiomyocyty •PKG-II - buňky ledvin, střevní mukóza, pankreas http://www.highlights-in-neurobiology.com/gallery-the-kinases-pka-pkg-and-pkc/ 3. proteinkináza C, PKC •monomer v blízkosti plazmalemy, aktivace účinkem DAG, PtdSer a Ca2+ •regulační doména - vazba DAG, PtdSer a Ca2+, blok aktivního místa •katalytická doména - fosforylace Přehled proteinkináz http://www.highlights-in-neurobiology.com/gallery-the-kinases-pka-pkg-and-pkc/ http://www.nature.com/nrn/journal/v3/n3/fig_tab/nrn753_F3.html 4. Ca2+/kalmodulin dependentní proteinkináza II (CaMKII) •regulována komplexem Ca2+/kalmodulin, autofosforylace •katalytická doména - fosforylace •regulační doména - pseudosubstrát, vazba monomerů do multimerů •specializované CaMKII - př. kináza lehkého řetězce myozinu http://www.highlights-in-neurobiology.com/wp-content/uploads/2012/02/pkc1.gif Struktura PKA, PKC a PKG je vysoce příbuzná Regulační doména •pseudosubstrát blokující aktivní místo •leucinový zip pro dimerizaci •vazebná místa pro ligandy Katalytická doména •aktivní místo enzymu s kinázovou aktivitou •vazba ATP The molecular basis of CaMKII function in synaptic and behavioural memory The molecular basis of CaMKII function in synaptic and behavioural memory Přehled proteinkináz http://www.ijbs.com/v08p1385.htm http://www.angelfire.com/sc3/toxchick/molbiocancer/molbiocancer12.html TYROSIN KINÁZY •kinázová doména SH1 •receptorové - vázané na plazmatickou membránu, součást receptorů •nereceptorové - asociují s receptory, děleny do rodin: 1. proteinkinázy Src-rodiny •SH1; regulační domény SH2, SH3; ukotvení k membráně přes SH4 •c-Src - inaktivní: fosforylace Tyr-527, vazba SH2, blok SH1 - aktivace: defosforylací či vyvázáním fosfátu na Tyr-527, fosforylace Tyr-416 •asociace s receptory - receptorové tyrosinkinázy, receptory vázané s G-proteiny, adhezní receptory http://www.angelfire.com/sc3/toxchick/images/S/src05.gif International Journal of Biological Sciences 08: 1385 image No. 01 International Journal of Biological Sciences 08: 1385 image No. 02 2. proteinkinázy Jak-rodiny •přímá aktivace receptory pro interferon, Jak/STAT signální dráha 3. proteinkinázy Syk-rodiny Přehled proteinkináz http://www.stylepinner.com/protein-receptor-map/cHJvdGVpbi1yZWNlcHRvci1tYXA/ MAP-PROTEINKINÁZY •proteinkinázy aktivované mitogeny 1. MAP-kinázakinázakinázy (MAPKKK) •aktivace MAPKK přes Ser či Thr •př. Raf-proteinkináza přímo aktivovaná Ras proteinem 2. MAP-kinázakinázy (MAPKK) •aktivace MAPK fosforylací Thr a Tyr (Thr-X-Tyr) •př. MAP/ERK-proteinkináza (MEK-proteinkináza) 3. MAP-kinázy (MAPK) •po své aktivaci migrují k cílovým molekulám http://classconnection.s3.amazonaws.com/149/flashcards/2181149/jpg/kinase_cascade1351370321642.jpg SERIN / TREONIN KINÁZY •proteinkináza A (PAK) •proteinkináza G (PKG) •proteinkináza C (PKC) •Ca2+/kalmodulin d. proteinkináza II (CaMKII) NERECEPTOROVÉ TYROSIN KINÁZY •proteinkinázy Src-rodiny •proteinkinázy Jak-rodiny •proteinkinázy Syk-rodiny Další enzymy signálních drah Adenylátcykláza •ATP → bisfosfát + cyklický adenosinmonofosfátu (cAMP) http://proteopedia.org/wiki/images/thumb/2/23/CAMP_synthesis.png/400px-CAMP_synthesis.png http://static-content.springer.com/image/prt%3A978-1-4419-0461-4%2F8/MediaObjects/978-1-4419-0461-4 _8_Part_Fig1-434_HTML.gif http://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1385%2F0-89603-298-1%3A129/MediaObjects/978-1-592 59-528-0_12_Fig1_HTML.jpg cAMP-fosfodiesteráza, cGMP-fosfodiesteráza •hydrolýza cAMP / cGMP na AMP / GMP cs.wikipedia.org http://proteopedia.org/wiki/index.php/Adenylyl_cyclase wikirecent.in link.springer.com Guanylátcykláza •GTP → bisfosfát + cyklický guanosinmonofosfát (cGMP) Typ 1 - homodimer, receptor pro různé ligandy - domény: extracelulární, transmembránová kinázová, cyklázová - př. ANF: vyloučení Na+ a vody z ledvin Typ 2 - rozpustný heterodimer (α, β) - aktivace vazbou NO - domény: vazebná (hem), cyklázová https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6c/CGMP.svg/200px-CGMP.svg.png cGMP Další enzymy signálních drah Fosfolipáza C (PLC) hydrolyzuje PIP2 na DAG a Ins(1,4,5)P3 https://cardiovascres.oxfordjournals.org/content/82/2/286 https://d2npw7jqx38emt.cloudfront.net/content/cardiovascres/82/2/286/F1.large.jpg PI fosfatidylinositol PIP fosfatidylinositol-4-fosfát PIP2 fosfatidylinositol-4,5-bisfosfát PIP3 fosfatidylinositol-3,4,5-trisfosfát DAG diacylglycerol Ins(1,4,5)P3 inositol-1,4,5-trisfosfát Fosfolipáza C PI(4)-kináza PI(5)-kináza PI(3)-kináza Povrchové receptory Signalizace zprostředkovaná povrchovými receptory 1.mimobuněčný signál (ligand) 2.povrchový receptor 3.sekundární přenašeč 4.cílová molekula (efektor) http://www.datehookup.com/Thread-690622.htm Typy povrchových receptorů 1.Receptory spojené s iontovými kanály •průchodnost kanálů dle přítomnosti ligandu •změna permeability membrány •rychlá signalizace na synapsích 2. Katalytické receptory •zisk katalytické schopnosti po vazbě ligandu •transmembránové proteiny s PTK aktivitou 3. Receptory vázané na G protein •přes G-protein ovlivňují aktivitu enzymů nebo průchodnost kanálů Receptory spojené s iontovými kanály Katalytické receptory Receptory vázané na G-protein Intracelulární receptory Receptory spojené s iontovým kanálem •iontový kanál v plazmatické membráně •vazba ligandu → konformační změna receptoru → otevření kanálu → pohyb iontů → disociace ligandu z receptoru → uzavření kanálu •ligandy - neurotransmitery, peptidové hormony •molekuly procházející kanálem - ionty Na+, K+, Ca2+, Cl- Signalizace na synapsích •převod chemických signálů na elektrické •excitovaný presynaptický neuron vypouští neurotransmiter, který se váže na receptor spojený s iontovým kanálem •otevřeným kanálem proudí ionty, které vyvolají excitaci postsynap-tického neuronu •př. receptor pro serotonin receptor pro GABA (γ-aminomáslená kyselina) http://www2.cedarcrest.edu/academic/bio/hale/bioT_EID/lectures/tetanus-synapse.jpg ion channel receptors https://hodnett-ap.wikispaces.com/Chapter+11+Cell+Communication http://www2.cedarcrest.edu/academic/bio/hale/bioT_EID/lectures/tetanus-neuron.html Katalytické receptory TYROSINPROTEINKINÁZOVÉ RECEPTORY •tyrosinproteinkinázová aktivita regulovaná ligandy •společné strukturní rysy •extracelulární doména - N-konec, glykosylována - vazba ligandu - určuje typ signálu, na který bude buňka citlivá •transmembránová doména - krátká, hydrofobní, α-šroubovice •cytoplazmatická doména - C-konec, tyrosinproteinkinázová aktivita - určuje typ signální dráhy a tím i buněčnou odpověď •kolem 50 receptorů •14 rodin podle motivu v extraceluárních doménách http://themedicalbiochemistrypage.org/signal-transduction.php#receptors Katalytické receptory Aktivace tyrosinproteinkinázových receptorů •vazba ligandu v extracelulární doméně •změna konformace a dimerizace receptoru •stimulace tyrosinproteinkinázové aktivity, autofosforylace •P-Tyr jsou vazebnými místy pro intracelulární proteiny, které předávají signál dál http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/14_16.jpg http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/CB14.html http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/mike/spring2003/lect07.htm http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/mike/spring2003/tk01.jpg http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/mike/spring2003/tk02.jpg Katalytické receptory RECEPTORY S PŘIDRUŽENOU TYROSINPROTEINKINÁZOVOU AKTIVITOU •po vazbě ligandu dimerizují, aktivují nereceptorové tyrosinproteinkinázy •imunoglobulínové receptory -BCR, TCR, vazba antigenů -asociace s kinázami Src- a Syk-rodin •receptory pro cytokiny - př. Epo, GM-CSF, HGF, IL2-10, interferony http://www.ijbs.com/v08p1385.htm http://www.slideshare.net/many87/micr-304-s2010-lecture-10-b-ly-plasma-memppt www.europeanmedical.info/haemolytic-anaemia/erythropoietin-and-the-erythropoietin-receptor.html International Journal of Biological Sciences 08: 1385 image No. 02 Receptory asociované s proteinkinázami Src-rodiny •po dimerizaci receptoru aktivována Src-kináza •vazba adaptorových molekul na P-Tyr-416 Receptory asociované s proteinkinázami Jak-rodiny •po dimerizaci receptoru aktivována Jak-kináza •fosforylace receptoru •vazba a fosforylace STAT SH2 doména •Src Homology 2 •strukturní doména (cca 100 AK) u většiny eukaryotických organizmů •vazba na P-Tyr mění konformaci a aktivitu proteinu s SH2 •podíl na interakcích signálních molekul - spojuje katalytické receptory s dalšími molekulami signálních drah - součástí enzymů (Src, Jak, Lck, Fyn, Syk, PLCG, PI3K) adaptorových molekul (Grb2) transkripčních faktorů (STAT) regulátorů signalizace (SOCS) •signální dráha přes proteiny Ras = příklad zapojení SH2 domény do signalizací https://commons.wikimedia.org/wiki/File:1lkkA_SH2_domain.png http://www.cellsignal.com/common/content/content.jsp?id=domains-sh2 File:1lkkA SH2 domain.png http://media.cellsignal.com/www/images/resources/protein-domains/sh2g.gif •monomerní GTPázy, vazba GDP/GTP •vazba k plazmatické membráně •aktivace - GEF faktor, uvolnění GDP •Ras váže GTP a přenášejí signál na své efektory •inaktivaci - GAP protein, hydrolýza GTP •nadrodina proteinů Ras - rodiny Ras (růst a diferenciace buněk) Rho (morfologie a pohyb buněk) Rab a Arf (transport měchýřků) Ran (jaderný transport) Signalizace přes Grb2-Sos •Grb2 - SH2: aktivovaný tyrosinproteinkinázový receptor - SH3: vazba k Sos •Sos funguje jako GEF a zajišťuje aktivaci Ras Rodina proteinů Ras http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/CB14.html http://www.pha.jhu.edu/%7Eghzheng/old/webct/note6_4.files/15_054.jpg http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/14_17.jpg http://www.pha.jhu.edu/%7Eghzheng/old/webct/note6_4.files/15_054.jpg http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/14_17.jpg Rodina proteinů Ras MAPK dráha zahájená aktivací Raf •Raf - Ser/Thr MAPKKK - v inaktivním stavu udržuje faktor 14-3-3 konformaci blokující katalytické místo - vazba Ras-GTP indukuje disociaci 14-3-3 http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/14_17.jpg •MAPKK - MEK •MAPK - ERK, transport do jádra, aktivace transkripčních faktorů •transkripční faktory indukují transkripci specifických genů •přenos signálů od mitogenů •dominantní při signalizaci určující růst, vývoj a diferenciaci buněk Flexibilní oblast Proteinkinázová doména Vazba Ras-GTP Vazba 14-3-3 Vazba 14-3-3 Blok autoinhibiční doménou Skryté aktivní místo N C http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/CB14.html https://commons.wikimedia.org/wiki/File:C-Raf-architecture.png •Transkripce •Proliferace •Přežívání buněk •Růst buněk •Buněčná migrace •Proliferace •Transkripce •Endocytóza •Cytoskelet •Buněčná migrace •Ca2+ signalizace •Endocytóza Rodina proteinů Ras Efektory proteinů Ras http://www.nature.com/nrc/journal/v11/n11/fig_tab/nrc3151_F1.html Nádorová onemocnění •stále aktivní Ras-GTP, nemůže se vypnout (blok hydrolýzy GTP, mutace GAP proteinů) •H-Ras, K-Ras a N-Ras nejčastější onkogeny nádorových onemocnění (u 20 - 30 % nádorů) •inhibitory Ras proteinů předmětem protinádorové léčby Přímá aktivace transkripčních faktorů Signální dráha Jak/STAT •Jak - asociuje s receptorem •STAT - transkripční faktory (SH2), translokace cytoplazma → jádro •vazba cytokinu → dimerizace receptoru → fosforylace Jak, fosforylace receptoru → vazba a aktivace STAT → dimerizuje STAT → translokace do jádra → aktivace cílových genů •negativní regulace dráhy - fosfatáza SHP1: vazba na P-Tyr receptoru (SH2), defosforylace Jak - proteiny SOCS: vazba na P-Tyr receptoru (SH2), blok struktury vazba ubikvitin ligázy, degradace Jak v proteazomu Stats: transcriptional control and biological impact http://www.nature.com/nrm/journal/v3/n9/fig_tab/nrm909_F1.html http://www.sp.uconn.edu/~ttc02001/MCB3201/Study%20Guide/%5BVII%5D%20Signal%20Transduction.ppt Sekundární přenašeče 3´, 5´-cyklický adenosinmonofosfát (cAMP) Aktivuje proteinkinázu A (PKA) 3´, 5´-cyklický guanosinmonofosfát (cGMP) Aktivuje proteinkinázu G (PKG) 1,2-diacylglycerol (DAG) Aktivuje proteinkinázu C (PKC) Inositol-1,4,5-trisfosfát (Ins(1,4,5)P3) Otevírá Ca2+ kanály ER •nízká molekulová hmotnost •dobře rozpustné •krátký poločas rozpadu •intracelulární signály •Funkce: přenos, amplifikace a rozdělení signálu z receptorů •po přijetí signálu aktivovány enzymy zodpovědné za jejich tvorbu •jejich koncentrace v buňce stoupá a klesá v závislosti na přítomnosti mimobuněčného signálu •vyvolávají rychlou změnu aktivity enzymů nebo jiných proteinů Receptory vázané na G-protein G-proteiny (trimerní) http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio211/chap16/figure_16_02_labeled.jpg Vazba hormonu na receptor Receptor aktivuje G-protein G-protein aktivuje adenlyátcyklázu Adenlyátcykláza mění ATP na cAMP Přenos signálu na cílovou strukturu cAMP aktivuje proteinkinázu A Podjednotka α - vazba GDP/GTP, GTPáza Podjednotky βγ - ukotvení v plazmatické membráně Základní stav •asociace αβγ podjednotek, GDP na α Aktivace •vazba ligandu na receptor vede k výměně GDP za GTP •disociace α od βγ •α a βγ regulují aktivitu specifických cílových proteinů Inaktivace •po hydrolýze GTP na GDP, návrat do trimerního stavu http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio211/chap16/chap16.htm https://courses.washington.edu/conj/bess/gpcr/gpcr.htm https://courses.washington.edu/conj/bess/gpcr/7TM-protein.png Receptory vázané na G-protein figure 15-21 Efektory •adenylátcykláza - nárůst cAMP - aktivace PKA, regulace iontových kanálů •fosfolipáza C - vznik DAG, Ins(1,4,5)P3 - aktivace PKC, otevření Ca2+ kanálů •Ca2+ kanál Gαs α aktivace adenylátcyklázy, Ca2+ kanálů Gαi α inaktivace adenylátcyklázy, aktivace fosfolipázy C a cGMP fosfodiesterázy βγ aktivace K+ kanálů a fosfolipázy C Gαq α aktivace fosfolipázy C Gα12 α aktivace Rho http://www.sp.uconn.edu/~ttc02001/MCB3201/Study%20Guide/%5BVII%5D%20Signal%20Transduction.ppt http://cc.scu.edu.cn/G2S/Template/View.aspx?courseType=1&courseId=17&topMenuId=113301&menuType=1&ac tion=view&type=&name=&linkpageID=113472 Receptory vázané na G-protein Robert J. Lefkowitz, Brian K. Kobilka 2012 NC za chemii https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Brian_Kobilka_and_Robert_Lefkowitz_1_2012.jpg http://themedicalbiochemistrypage.org/signal-transduction.php •hormony - př. serotonin, epinefrin, glukagon, tyrotropin, kalcitonin, ACTH, prostaglandiny •ztráta citlivosti vlivem přetrvávající přítomnosti ligandu Receptory vázané na G-protein http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio211/chap16/chap16.htm Biologické účinky •růst a diferenciace buněk, chemotaxe •přenos signálů z chuťových, pachových a světelným vjemů •nervová signalizace •regulace krevního tlaku, funkce endokrinních žláz •embryogeneze a vývoj organismu • Z toho vyplývá, že jeden extracelulární podnět indukuje různou odpověď v závislosti od cílové buňky. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c7/HIV_attachment.gif http://www.nature.com/nrgastro/journal/v8/n12/images/nrgastro.2011.174-f2.jpg Nemoci spjaté s G-proteiny •nádorová onemocnění (1/5 nádorů) •infekce virem HIV (CXCR4 a CCR5) •cholera (Vibrio cholerae) - choleratoxin z podjednotek A a B - podjednotka B: vazba na povrch buněk (GM1) - podjednotka A: ADP-ribosylace Gαs, ne hydrolýza GTP - hyperaktivace adenylátcyklázy → vysoká koncentrace cAMP v epitelu střeva → propustnost iontových kanálů → únik vody a iontů do lumen střeva → prudké průjmy Nitrobuněčné signální dráhy Cyklický adenosinmonofosfát (cAMP) •koncentrace závislá na aktivitě: adenylátcyklázy cAMP fosfodiesterázy •aktivace PKA → fosforylace cílových substrátů i) transkripční faktor CREB: vazba k sekvencím CRE, aktivace příslušných genů ii) receptory steroidních hormonů iii) kináza lehkého řetězce myozinu (MLCK) v buňkách hladké svaloviny 3´, 5´-cyklický adenosinmonofosfát (cAMP) Adenosin 5´- trifosfát (ATP) Adenosin 5´- monofosfát (AMP) Adenylát- cykláza cAMP fosfodiesteráza Transkripce je aktivní cAMP responzivní element Lehké řetězce myozinu Těžké řetězce myozinu MLCK Vazebná místa pro aktin https://www.studyblue.com/notes/note/n/2-section-6-atp-synthesis-and-atp-synthase-part-4/deck/68961 87 http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/CB23.html Nitrobuněčné signální dráhy Cyklický adenosinmonofosfát (cAMP) •objeven při studiu metabolismu glykogenu •glykogen - zásobárna glukózy •při stresu se do krve produkuje adrenalin, který stimuluje svalové a jaterní buňky k uvolnění a štěpení glykogenu http://www.glico.co.jp/en/material/bioglycogen/image/top/img1a.gif Mechanismus •vazba adrenalinu na β-adrenergní receptory svalových buněk •aktivace G-proteinu → aktivace adenylátcyk-lázy → zvýšení hladiny cAMP → aktivace PKA •fosforylace/aktivace fosforylázové kinázy •fosforylace/aktivace glykogenové fosforylázy •štěpení glykogenu na glukóza-1-fosfát, která je po defosforylaci uvolněna do krve •PKA zároveň fosforyluje/inaktivuje glykogen syntázu http://namrataheda.blogspot.cz/2013/02/signal-transduction-pathway-camp-pathway.html http://www.glico.co.jp/en/material/bioglycogen/ Glykogen syntáza Glykogenová fosforyláza Fosforylázová kináza Katalytická podjednotka PKA http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/14_23.jpg Signalizace přes inzulínový receptor Inzulín - heterodimer, B buňky Langerhansových ostrůvků slinivky břišní - snižuje hladinu glukózy v krvi, podporuje její využití buňkami a přeměnu na glykogen Inzulínový receptor - IR, tyrosinproteinkinázový receptor, heteroteramer Signální dráha •vazba inzulínu → autofosforylace/aktivace IR → fosforylace/aktivace IRS-1 •na IRS-1 se přes SH2 domény váží i) Grb2-Sos → Ras-Raf-MAPK dráha ii) PI(3)K → tvorba PIP3 → aktivace Akt - translokace glukózového transportéru GLUT4 k membráně - aktivace glykogen syntázy http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/14_23.jpg http://www.123rf.com/photo_13207592_human-insulin-stylized-chemical-structure.html http://previews.123rf.com/images/splinex/splinex1204/splinex120400010/13207592-Human-Insulin-Styliz ed-chemical-structure--Stock-Vector-insulin-amino-acid.jpg Nitrobuněčné signální dráhy Cyklický guanosinmonofosfát (cGMP) •koncentrace závislá na aktivitě guanylátcyklázy a cGMP fosfodiesterázy •aktivuje PKG - stimulace iontových kanálů (Ca2+, Na+) - uvolnění hladké svaloviny, dilatace tepen, sekrece Na+ a vody v trávicí soustavě •mění propustnost iontových kanálů v tyčinkách oční sítnice - tma: guanylátcykláza tvoří cGMP, iontové kanály otevřeny - světlo: absorpce fotonu → aktivace rodopsinu → aktivace G-proteinu → aktivace fosfodiesterázy → hydrolýza cGMP → zavření iontových kanálů → hyperpolarizace membrány → vizuální signál http://openwetware.org/images/4/40/CGMP.jpg http://book.bionumbers.org/wp-content/uploads/2014/08/295-f1-RodCellSignaling-11.png http://namrataheda.blogspot.cz/2013/02/signal-transduction-pathway-camp-pathway.html http://www.glico.co.jp/en/material/bioglycogen/ Nitrobuněčné signální dráhy http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/14_12.jpg http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/14_13.jpg http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/CB14.html https://www.studyblue.com/notes/note/n/chapter-9-muscles/deck/5997793 F-aktin Tropomyozin Troponin Odhalené vazebné místo pro myozin Ca2+ vázaný k troponinu Ca2+ signální vlna v oplozeném vajíčku Nitrobuněčné signální dráhy http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/14_14.jpg http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/CB14.html Kalmodulin Ca2+/kalmodulin komplex Cílový protein Vazba čtyř iontů Ca2+ Změna konformace/aktivace kalmodulinu Ovinutí vazebného místa v cílovém proteinu Nitrobuněčné signální dráhy Dráha inositolových fosfolipidů •PLCβ aktivována G-proteinem z rodiny Gαq •PLCγ aktivována po vazbě na tyrosinproteinkinázový receptor (SH2 doména) •Ins(1,4,5)P3 uvolňuje Ca2+ z buněčných zásob •DAG aktivuje PKC, PI3K PIP2 DAG Ins(1,4,5)P3 inositol-1,4,5-trisfosfát diacylglycerol fosfatidylinositol-4,5-bisfosfát + PLC https://droualb.faculty.mjc.edu/Course%20Materials/Physiology%20101/Chapter%20Notes/Fall%202007/fig ure_05_17_labeled.jpg https://droualb.faculty.mjc.edu/Course%20Materials/Physiology%20101/Chapter%20Notes/Fall%202007/cha pter_5%20Fall%202007%20for%202011%20with%20figures.htm Oxid dusnatý při vazodilataci - mechanismus účinku Nervová zakončení signalizující uvolnění hladké svaloviny uvolňují acetylcholin Buňky endotelu •vazba acetylcholinu na receptor vázaný na G-protein, aktivace Gαq •aktivace PLCβ, produkce Ins(1,4,5)P3 •uvolnění Ca2+ z endoplazmatického retikula, tvorba komplexu Ca2+/kalmodulin •aktivace NO syntázy, produkce NO, který difunduje k buňkám hladké svaloviny Buňky hladké svaloviny •prostup NO membránou, aktivace rozpustné guanylátcyklázy, produkce cGMP •aktivace PKG, fosforylace řady svalových proteinů, relaxace svalové buňky https://classconnection.s3.amazonaws.com/587/flashcards/1781587/png/smooth1350524977973.png https://www.studyblue.com/notes/note/n/unit-3/deck/4896946 http://www.lookfordiagnosis.com/mesh_info.php?term=Vasodilatateurs&lang=4 http://images.slideplayer.fr/2/496795/slides/slide_56.jpg http://images.slideplayer.fr/2/496795/slides/slide_56.jpg vazodilatace Lumen cévy Buňky hladké svaloviny Relaxace svalové buňky Buňky endotelu Buňky hladké svaloviny Utlumení signálních drah •snížení hladiny hormonů, defosforylace složek signálních drah, degradace sekundárních přenašečů •nitrobuněčné negativní regulátory (SOCS) •odstranění receptorů z povrchu buňky endocytózou - př. pohlcení EGFR do klatrinových váčků, degradace v lysozomu EGFR Adaptorový protein Klatrin Tvorba klatrinových váčků Degradace v endolyzozomech •přítomnost mutantních složek signálních drah - př. dominantně negativní mutace receptoru pro FGF •sekrece proteinů, které vychytávají hormony - př. kontrola resorpce kostí http://www.wormbook.org/chapters/www_intracellulartrafficking/intracellulartrafficking.html Tvorba kostí u savců •osteoklasty: odbourávání kostní hmoty, receptor RANK •osteoblasty: tvorba mezibuněčné hmoty produkce ligandu RANKL a osteoprotegerinu (OPG) •osteocyty: klidová forma osteoblastu •vazba RANKL na RANK aktivuje diferenciaci osteoklastů, resorpci kostí •útlum resorpce kosti přes sekreci OPG, který brání vazbě RANKL na RANK •poruchy tvorby kostí u člověka i) osteoporóza: přílišná resorpce kosti, nedostatečná denzita kostní tkáně, zvýšená křehkost kostí ii) osteopetróza: abnormálně nízká resorpce kosti, zvýšená denzita kostní tkáně lámání kostí, poškození kostní dřeně Normální stav Osteoporóza Lakuna Osteoblast Osteoklast Osteocyt Lamely Kanálky Makrofág Nezralý osteoklast Zralý osteoklast Aktivovaný osteoklast Tvorba kosti Resorpce kosti http://www.nature.com/nrg/journal/v13/n8/fig_tab/nrg3228_F2.html https://www.studyblue.com/notes/note/n/1c-osseous-tissue-images/deck/3142177 Zvídavé otázky Buňka dokáže rychle odpovědět na extracelulární signál pokud: A. buňka nevyžaduje receptor pro signální molekulu B. odpověď nevyžaduje, aby se změnily proteiny v cílové buňce C. odpověď nevyžaduje, aby se spustila exprese genů či syntéza proteinů Co potřebuje cílová buňka, aby mohla odpovědět na extracelulární signální molekulu? A. přístup k signální molekule B. přítomnost odpovídajícího receptoru C. odpovídající intracelulární signální dráhu D. vše z uvedeného Po vazbě ligandu se tyrosinproteinkinázové receptory aktivují dimerizací, což umožňuje: A. každý polypeptidový řetězec dimeru fosforyluje sám sebe na tyrosinu cytoplazmatické domény B. každý polypeptidový řetězec dimeru fosforyluje druhý řetězec na tyrosinu cytoplazmatické domény C. internalizaci receptoru, což umožní fosforylaci a aktivaci různých intracelulárních signálních proteinů Jaká je funkce diacylglycerolu (DAG) v dráze inositolových fosfolipidů? A. Aktivuje fosfolipázu C (PLC) B. Sám o sobě váže a aktivuje proteinkinázu C (PKC) C. Spolu s Ca2+ váže PKC z cytosolu k plazmatické membráně a aktivuje ji D. Váže se k Ca2+ kanálům, otevírá je a umožňuje extracelulárními Ca2+ dostat se do buňky Mutantní Ras protein, který se často vyskytuje u nádorů, nemůže hydrolyzovat GTP na GDP a proto: A. se nemůže zapnout B. se nemůže vypnout C. nemůže být degradován D. je schopný přímo aktivovat MAPK dráhu Zvídavé otázky Každý extracelulární signál indukuje podobnou odpověď v rozdílných cílových buňkách (ANO / NE) Jaká je funkce inositol-1,4,5-trisfosfátu (Ins(1,4,5)P3 )v dráze inositolových fosfolipidů? A. vytváří díry do membrány endoplazmatického retikula (ER), čímž vypouští Ca2+ z ER do cytoplazmy B. váže se k Ca2+ kanálům v membráně ER, čímž je otevírá a vypouští Ca2+ z ER do cytoplazmy C. Přímo aktivuje proteinkinázu C (PKC) D. Aktivuje fosfolipázu C (PLC) Když je adenylát cykláza aktivována přes receptor vázaný na G-protein, tak: A. mění AMP na cAMP B. mění ADP na cAMP C. mění ATP na cAMP D. mění cAMP na AMP Protein Ras je aktivován Ras-aktivačním proteinem, který: A. způsobuje vazbu Ras ke G-proteinu B. fosforyluje Ras C. defosforyluje Ras D. vyvolává u Ras výměnu GDP za GTP Paralelní intracelulární signální dráhy mohou interagovat mimojiné proto, že proteinkinázy z jedné dráhy mohou fosforylovat a regulovat proteiny z jiných drah (ANO / NE) Která z následujících molekul není malou intracelulární signální molekulou (sekundárním přenašečem)? A. cAMP B. Fosfolipáza C C. Inositol-1,4,5-trisfosfát D. Diacylglycerol