•Hormony, neurotransmitery. Obecné mechanismy účinku. •Ó Biochemický ústav LF MU 2018 (MK, ET) • •2 •Komunikace mezi buňkami. Obecné mechanismy účinku hormonů a neurotransmiterů. •Typy signálních molekul v neurohumorálních regulacích: Působek Zdroj HORMONY vylučované endokrinními žlázami, rozptýlenými žlázovými buňkami NEUROHORMONY vylučované neurony do krevního oběhu NEUROTRANSMITERY vylučované neurony na synaptických zakončeních CYTOKINY, RŮSTOVÉ FAKTORY, IKOSANOIDY vylučovány mnoha typy buněk, zpravidla ne z endokrinních žláz •3 •Účinky signálních molekul Název účinku Charakter účinku endokrinní Působek je přenášen krví na cílovou buňku, která je většinou vzdálena od místa vzniku. Typicky hormony. parakrinní Působek je secernován do bezprostředního okolí buňky (lokální mediátory). Působkem jsou ovlivněny jen buňky v nejbližším okolí. autokrinní Buňka secernuje působek a je současně cílem. Rysy jsou obdobné parakrinnímu působení. •4 •Hormony vs. neurotransmitery •Působí prostřednictvím receptorů •Často shodné struktury •(noradrenalin jako neurotransmiter i hormon) •Vznik v endokrinní buňce •Transport krví •Působení na cílové tkáně •Vznik v nervové buňce •Působení z buňky na buňku na synapsích • •5 Zdroj Hormon Chemický typ Přední lalok hypofýzy TSH, FSH, LH glykoproteiny ACTH polypeptid Zadní lalok hypofýzy Vassopresin (ADH), oxytocin peptidy Hypothalamus Hypofýzotropní hormony (TRH, GnRH, CRH, somatostatin, somatoliberin) peptidy Epifýza Melatonin derivát AK Štítná žláza T3, T4 deriváty AH Kalcitonin polypeptid Příštitná tělíska Parathormon polypeptid Kůra nadledvin Glukokortikoidy, mineralokortikoidy steroidy Dřeň nadledvin Adrenalin derivát AK Pankreas Insulin, glukagon polypeptidy Vaječníky Estrogeny, progesteron steroidy Varlata Testosteron steroid GIT Gastrin, sekretin polypeptidy Srdce ANP, BNP polypeptid •Příklady hormonů •6 •Transdukce signálu •Jak buňka převezme informaci nesenou chemickým signálem (neurotransmiterem, hormonem)? •Reakce signální molekuly s receptorem •Membránové receptory •Hormony i neurotransmitery •Proteiny a menší signální molekuly (peptidy, aminokyseliny, biogenní aminy, ikosanoidy) •Intracelulární receptory •Pouze hormony •Nepolární signální molekuly (steroidy, jodtyroniny, retinoáty) •7 •Receptory hormonů a neurotransmiterů •membránové •nitrobuněčné (cytoplasma, jádro) •iontové kanály •působící prostřednictvím 2. posla •polární látky, které neprochází membránou (polypeptidy, deriváty aminokyselin ........) •hydrofobní látky, mohou procházet membránou (steroidy, thyroidální hormony) •Amplifikace signálu: •Jedna molekula hormonu (mediátoru) je schopna vyvolat buněčnou odezvu s 104 – 105 vyšší intenzitou (např. tvorbu 104 – 105 molekul 2. poslů) •8 •Membránové receptory typu iontových kanálů – ionotropní receptory •9 •Receptorem je iontový kanál, který se otevírá po navázání neurotransmiteru • • •neurotransmiter •Po navázání neurotransmiteru proudí ionty dovnitř nebo ven z buňky, mění se membránový potenciál, to vyvolá určitou změnu v buňce • • • • • •10 • •Na+ •Příklad: Acetylcholinový receptor nikotinového typu – ionotropní receptor •Výskyt: např. neuromotorická ploténka v buňkách kosterního svalu • •vazba acetylcholinu • •Po navázání neurotransmiteru (acetylcholinu) se otevře kanál pro ionty Na+, •Na+ proudí kanálem po koncentračním spádu do buňky. •11 •Membránové receptory působící prostřednictvím nitrobuněčných signálů Receptory aktivující G-proteiny Receptory s vlastní katalytickou (tyrosinkinasovou) aktivitou Receptory spolupracující s nereceptorovými tyrosinkinasami •12 •Vazba hormonu nebo neurotransmiteru na receptor vyvolá v buňce tvorbu nových sloučenin - nitrobuněčných signálů (druhých poslů) •Hormon (neurotransmiter) je „první posel“. •Receptory nejčastěji spolupracují s membránovými G-proteiny. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •H2N •-COOH •Vazebné místo pro agonistu •receptor •G-protein • •G-protein aktivuje/inhibuje enzym, který vytváří druhého posla. •13 •Proteinkinázy – enzymy, které katalyzují fosforylaci proteinů pomocí ATP •Protein-OH + ATP protein – P + ADP •Druhými posly jsou často aktivovány proteinkinázy •Fosforylace proteinů pomocí proteinkináz je jedním z častých prostředků regulace • •cAMP aktivuje proteinkinasu A, ta fosforyluje nějaký enzym a tím ho aktivuje •Často kaskáda reakcí •14 Příklad: Receptory působící přes Gs-protein na adenylátcyklázu •Adenylátcykláza - membránový enzym katalyzující reakci ATP ® cAMP + PPi ; • cAMP je druhým poslem. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •AMP-cykláza •receptor • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •receptor •GaS •bg •Gai •bg • • •ligand •ligand •ATP •cAMP •proteinkináza A •inaktivní (R2C2) •aktivní proteinkináza A •2 C + 2 R(cAMP)2 •fosforylace proteinů •x •G-protein •G-protein •15 •cAMP - typický II. posel •Vznik působením adenylátcyklasy: •ATP → cAMP + P~P • •Odbourání působením fosfodiesterasy: •cAMP + H2O → AMP • •Inhibice: kofein, theofylin •Aktivuje proteinkinasu A •16 •Typy typy G-proteinů Typ podjednotky Ga Příklady receptoru Účinek aktivované Ga na cílový protein Gas (stimulační) glukagonový parathyrinový b-adrenergní Stimulace adenylátcyklázy cAMP Gai (inhibiční) somatostatinový a2-adrenergní acetylcholinový M2, M4 Inhibice adenylátcyklázy ¯ cAMP Gaq (aktivující PI kaskádu) vazopresinový V1 acetylcholinový M1, M3 a1-adrenergní Stimulace fosfolipázy C dalších typy druhých poslů (IP3 + DG) •17 Ø Glukagon se váže na membránový receptor Ø Aktivuje se Gs protein spřažený s receptorem ØAktivní a-podjednotka receptoru působí na adenylátcyklasu Ø Tvoří se cAMP Ø cAMP aktivuje proteinkinasu A ØDochází k sérii fosforylačních reakcí a aktivuje se enzym pro štěpení glykogenu fosforylasa Ø fosforylasa začne štěpit glykogen na glc-1-P • •Příklad: Princip aktivace štěpení glykogenu v játrech glukagonem prostřednictvím receptoru spřaženého s Gs proteinem •18 •18 •Receptory s tyrosinkinázovou aktivitou • na fosforylovaný receptor a substráty fosforylované receptorem se váží další proteiny, tzv. adaptorové molekuly • adaptorové proteiny reagují s dalšími molekulami a signál je dále přenášen kaskádou fosforylačních/defosforylačních reakcí, výměnou guaninových nukleotidů, změnami konformací atd. – startují různé signální dráhy • • • • • • • • • • • • • • • • • • •-P •-P •P- •P- •ATP •ADP •-P •-P • • • • •Po navázání působku na receptor dochází ke konformační změně • aktivuje se tyrosinkinázová aktivita receptoru (fosforylace tyrosinu) • dochází k autofosforylaci tyrosinů na receptoru, případně dalších proteinů •P •P • •-P •Příklady působků: insulin, růstové faktory •19 •Receptory spolupracující s nereceptorovými tyrosinkinasami •ligand •dimerizace •–P • •STAT • •STAT • •STAT •JAK-STAT receptory (Janus Kinase – Signal Transducer and Activator of Transcription) • •–P • •STAT •Receptor nemá kinasovou aktivitu, ale je asociován s tyrosinkinasou JAK. •Po navázaní ligandu receptory dimerizují, tím se aktivují JAK. •Aktivované JAK fosforylují tyrosinové zbytky na receptoru. •Na fosforylovaná místa se vážou adaptorové proteiny STAT. •STAT jsou fosforylovány a dimerizují. •Dimery STAT se přemisťují do jádra, kde působí jako transkripční faktory. •20 •JAK-STAT receptory •Receptory pro cytokiny* (intreleukiny, interferony) •Různorodé účinky cytokinů jsou způsobeny existencí velkého množství STAT proteinů – receptory pro různé cytokiny vážou různé STAT •Tak je umožněno, že různé cytokiny ovlivňují různé geny •Receptory pro hormony prolaktin, erythropoetin, leptin ad. •*Cytokiny – malé signální proteiny, účastnící se významně imunitní odpovědi. Jsou produkovány buňkami imunitního systému a jsou schopné navodit například rychlé dělení a diferenciaci určitých typů buněk, které se účastní boje proti infekci, a další rysy imunitní obrany. •21 •Intracelulární receptory •Receptory pro steroidní a thyroidální hormony, kalcitriol •- hormon je nepolární, proniká membránou •- v cytoplasmě nebo v jádře se váže na receptor •- komplex hormon - receptor působí na DNA, aktivuje určitý gen a indukuje syntézu specifických proteinů • • • Dna Double Helix Recolored 2 Clip Art • • • • •22 •Nervový systém – přenos signálu pomocí neurotransmiterů •Integrace a přenos nervových podnětů prostřednictvím neuronů •Dráždění nervové buňky - elektricky, chemicky, mechanicky • nervový podnět (akční potenciál) • • vedení signálu do nervového zakončení • • uvolnění synaptického neurotransmiteru • •23 •Neuron •tělo •dendrity •axon •Ranvierův zářez •nervové zakončení (synapse) •Nervový systém •myelinová pochva (izolace vlákna) •24 •Myelin vytváří pochvy většiny axonů, •oddělení Ranvierovými zářezy zrychluje vedení nervového vzruchu (saltatorní vedení). •Perikaryon (tělo) - metabolické centrum, •velmi bohaté na proteosyntetický aparát, mimořádně citlivé na přísun dikyslíku •Dendrity •s receptory pro neurotransmitery jiných neuronů •Axon •primární aktivní transport Na+ a K+axolemmou a napětím ovládané iontové kanály umožňují vznik a vedení akčního potenciálu •anterográdní a retrográdní axonální transport proteinů, mitochondrií a synaptických váčků usnadňuje výměny mezi tělem buňky a vzdáleným zakončením neuronu. •Synaptická zakončení •neurotransmitery jsou exocytózou vylučovány • do synaptické štěrbiny. •Neuron •25 •Uvolňují se na nervových zakončeních - synapsích • •Komunikace mezi: • nervovou buňkou a nervovou buňkou • nervovou buňkou a svalem • nervovou buňkou a tkání • •Neurotransmitery (mediátory) •26 •Synapse – obecné schéma •Neurotransmitery - chemické signály, umožňují převod •nervového vzruchu mezi neurony nebo mezi neuronem a cílovou buňkou •. •synaptická štěrbina •postsynaptická •membrána •receptor •synaptické váčky •(synaptosomy) •napěťově řízený Ca2+ kanál •depolarizační vlna •Ca2+ •Neurotransmitery se vážou na membránové receptory •Dva typy receptorů (viz též začátek přednášky): •Neurotransmiter se váže k iontovému kanálu (ionotropní receptor) ® elektrický signál (neuron – neuron, neuron – kosterní sval) •Neurotransmiter se váže k membránovému receptoru, který generuje druhého posla (metabotropní receptor) ® chemický signál (např. hladký sval) •27 •Cholinergní synapse (mediátor je acetylcholin) •V nervosvalové ploténce jeden nervový vzruch uvolní přibl. 300 váčků, v jednom je asi 40 000 molekul acetylcholinu; koncentrace acetylcholinu v synaptické štěrbině vzrůstá až 10 000x. Mediátor je rychle hydrolyzován acetylcholinesterázou. •acetylcholinové receptory postsynaptické membrány •ACETYLCHOLIN •membránová •acetylcholinesteráza •cholin •acetát •depolarizační vlna •Ca2+ •Na+ •zpětné •vychytávání •28 •Nikotinové cholinergní receptory •jsou acetylcholinem řízené kanály pro Na+, •v periferní části nervového systému se nacházejí •– v dendritech téměř všech periferních eferentních neuronů – v sarkolemmě buněk kosterních svalů, v nervosvalové ploténce. •nikotinové a muskarinové. •Acetylcholinové receptory •Muskarinové cholinergní receptory •M1-M5 •působí přes G-proteiny: M1,3,5 - Gq • M2,4 - Gi. •Alkaloid atropin je na muskarinových receptorech antagonistou, brání vazbě acetylcholinu. •29 •Degradace acetylcholinu • krátce po navázání na receptor je acetylcholin odbourán • enzym acetylcholinesterasa jej štěpí na cholin a kyselinu octovou •acetylcholin •30 •botulotoxin (Clostridium botulinum) inhibuje uvolnění acetylcholinu • prodlužují účinek acetylcholinu • •irreversibilní (nevratné) inhibitory - organofosfáty - insekticidy, herbicidy, bojové chemické látky • •reversibilní (vratné) inhibitory • používají se jako léčiva- např. při myastenia gravis (autoimunitní onemocnění - protilátky) • karbamáty - neostigmin, fysostigmin • •Inhibitory acetylcholinesterasy •31 •Adrenergní synapse (mediátor je noradrenalin) •většina postgangliových sympatických neuronů •depolarizační vlna •Ca2+ •adrenergní receptory •membrán cílových buněk •NORADRENALIN •Varikosity postgangliových sympatických axonů • jsou analogické synaptickým zakončením (šńůrka perel). •Adrenergní receptory jsou metabotropní, spolupracují s G-proteiny a produkují druhé posly •32 •Další příklady neurotransmiterů Působení v: Název typ Chemický typ CNS glutamát excitační aminokyselina acetylcholin Derivát AK dopamin Derivát AK serotonin Derivát AK histamin Derivát AK aspartát aminokyselina noradrenalin Derivát AK GABA inhibiční Derivát AK glycin aminokyselina Periferní NS acetylcholin excitační Derivát AK noradrenalin Derivát AK