1
Strukturní biologie + signalizace
Jaromír MAREK,
Centrum strukturní biologie,
CEITEC MU
Obsah
• Přenos signálu
• G-proteiny a GPCR
• Fosforylace
• Signální dráhy
2
Přenos signálu
• Strukturovaný a diferencovaný systém
• Přenos informace „na dálku“
• Přenos „přes rozhraní“
• Konverze signálu
• Specifický/modulovaný přenos
• Nosič signálu (molekula)
• Vysílač + přijímač, vypínač/přepínač
Receptory signálu
• Přenos informace přes membránu
• Receptory spojené s G proteiny
• Receptory-membránové kanály
• Katalytické receptory
3
Přenos signálu GPCR
• G-proteiny (guanine nucleotide-binding proteins) –
molekulární přepínače
• Alfred G. Gilman + Martin Rodbell (N.C. – fyziologie - 1994)
• Externí signál řídí funkci = konverzi GTP na GDP
• Aktivace G-proteinů – pomocí integrálních membránových
receptorů GPCR (G protein-coupled receptor)
• Brian Kobilka + Robert Lefkowitz (N.C. – chemie - 2012)
GPCR signální dráhy
• Široké spektrum přenášených signálů (sensorické dráhy,
hormony, neurotransmitery, …)
• Vlastní objev GP – reakční dráha adrenalinu
• Háďátko (Caenorhabditis elegans) – 5%DNA jsou GPCR
• Lidský genom - přinejmenším 800 GPCR (~ 4% DNA
kódující proteiny)
4
G-proteiny a strukturní biologie
Popis atomárních detailů GPCR - krystalografie
GPCR - struktura
• Rhodopsin (oční pigment, objev
Franz Christian Boll - 1876)
• Vzruch = fotony -> strukturní změna
(cis -> trans) v retinalu (vitamín A)
• George Wald (N.C. – fyziologie -
1967)
5
Sekundární struktura GPCR
Sekundární struktura GPCR
• 7 α-šroubovic
• nízká 1D homogie
• Flexibilní struktura
6
G-proteiny
• GTP fosfohydrolázy
• Heterotrimer/heterodimer
αβγ, βγ komplex
Aktivace enzymů
AC –adenyl cykláza
cAMP – cyklický AMP
(+vypnutí = PDE,
fosfodiesteráza)
7
Regulace iontových kanálů
Fosforylace
• Post translační modifikace proteinové struktury
• 30% proteinů může být modifikováno
• Reverzibilní fosforylace - Edmond Fischer and Edwin Krebs
(N.C. – fyziologie - 1994)
• Kovalentní vazba fosfátu na O-H (Ser, Thr, Tyr)
• Kovalentní vazba fosfátu na N-H (His)
• Kinázy/fosfatázy
• Lidský genom ~ 500 kináz
Protein OH + ATP Protein O P
O
O−
O−
+ ADP
Pi H2O
kináza
fosfatáza
H3N
+
C COO
−
CH OH
CH3
H
threonine (Thr)
8
Dvoustupňová fosforylace
Kinázy
• Modifikace (doménové/dimerické) struktury
• Enzym – změna aktivity katalytické domény
• Vazebné místo pro přenos signálu
• Dimerní struktura
9
Transmembránové kinázy
Model – nerealistické poměry velikostí protein:přenašeč,
nerealisticky velké změny struktury (pákový přenos)
Fosforylační kaskády
• modifikace + zesílení signálu
• „Druhý posel“- Earl Wilbur Sutherland (N.C. – fyziologie - 1971)
10
Směšování a ovlivňování signál. drah
2 signály: kinázy a G-proteiny
• „Druhý posel“
• cAMP-dependentní kináza
• cAMP – cyklický AMP
• cAMP - deaktivuje fosfodiesteráza
• C – katalytická doména, R – přijímač
11
Přenos signálu a centrální dogma