Podstata přenosu
signálů
• Představuje zákonitě koordinovanou souslednost reakcí
(odvíjející se od specifické chemické struktury, podstatou je změna
konformace) vedoucích od vnější plasmatické membrány (návázání
regulátoru na tuto membránu anebo průchod regulátoru touto membránou)
přes cytosol k jádru (expresi genetické informace).
• Tohoto procesu se účastní řada regulátorů různé chemické povahy.
• Výsledkem je zapezpečení všech fyziologických funkcí buněk a
organismu včetně regulace cytokinetiky.
• Jeden z principiálních rozdílů spočívá zejména v tom, zda má daný
regulátor povahu hydrofilní (lipofóbní) anebo Hydrofóbní (lipofilní)
Transdukce (přenos) signálů
2
receptory
růstové signály
hydrofilní povahy
(proteiny, katecholaminy, apod.)
molekuly
signálové
transdukce
molekuly
zesilovací
kaskády
regulátory
transkripce
cykliny
CDKs
p27
p21
p16
p15
Lipofilní regulátory
3
Transdukce
(přenos) signálů
PŘÍKLADY - ENZYMY
4
Podstatou je
změna konformace
Nekovalentní pevné interakce mezi dvěma
makromolekulami s komplementárními
povrchy
• Nejjednodušší způsob
reakce
• Může však spolupůsobit
celá škála chemických
vazeb silné i slabé povahy
a jejich kombinace
5
Substrát přesně zapadne do lůžka v molekule enzymu.
V tomto lůžku ho poutají různé typy sil:
hydrofobní (modrá), přitahování opačně nabitých skupin
(zelená v substrátu a červená v lůžku), vodíkové můstky.
Štěpená vazba se tím dostane mezi „nůžky“ silně
polárních skupin (např. karboxylů).
Při „vyvolaném přizpůsobení“ je
enzym teprve domodelován silami, které
poutají substrát k jeho lůžku.
Jak vzniká komplex substrát – enzym
6
Alosterická aktivace enzymu.
Enzym sám není
schopen rozštěpit
substrát,
neboť jeho molekula
nemá správný tvar.
Teprve naváže-li se na
jiné místo regulační
molekula (hnědá
zprava),
než se váže substrát,
získá funkční formu.
regulační
molekula
substrát
enzym
7
Regulační molekula se připojuje opět na jiném místě molekuly enzymu,
než kam se váže substrát.
Tím se liší od pouhého blokování lůžka, které může způsobit látka podobná
substrátu (soutěživá čili kompetitivní inhibice).
Alosterická inaktivace patří k regulačním pochodům. Může ji vyvolat jen
zcela určitá látka, ta, která svými vlastnostmi přesně odpovídá místu, na
které se váže.
enzym
Regulační molekula
Alosterická inaktivace enzymu.
8
Četné molekuly se štěpí, vstoupí-li do jejich
struktury molekula vody při hydrolýze.
Jako příklad uvádíme hydrolýzu bílkoviny, kdy mezi atom
dusíku (zelený) a uhlíku s vázaným kyslíkem vstoupí
molekula vody. Vzniká tak aminoskupina a karboxyl.
Chemicky takovou reakci zaznamenáváme:
-NH-CO- + H2O = -NH2 + -COOH
Samovolná reakce by probíhala velmi pomalu. Katalyzátor
ji urychluje působením na elektronové oblaky (oranžová).
Elektrony se vzájemně odpuzují, zatímco kladně nabité
atomy (protony) je přitahují.
Šipky naznačují, jak katalyzátor svými dvěma funkčními
skupinami vyvolá pohyb elektronů, čímž se oslabí vazby
mezi atomem dusíku a uhlíku, takže se přeruší.
Vlastní tělo katalyzátoru udržuje funkční skupiny v přesné
poloze, nezbytné k vyvolání naznačených změn
v elektronových oblacích štěpené vazby. „Umí“ však i
leccos jiného, zejména „připoutat“ látku, která má být
štěpena. Katalyzátor umožní, aby reakce proběhla
„efektivněji“, po jejím proběhnutí a nezměněn může
opakovaně vstupovat do reakce.
9
Katalyzátor
Katalyzátor
H2O
Některé energie důležité pro buňky
10
Stavy A a C se od sebe liší obsahem energie,
který se může uvolnit jako volná energie Ev.
Přesto přeměna A–C neproběhne samovolně.
Musí projít stavem B, který má vyšší obsah energie než A. Aby se mohla
uvolnit volná energie Ev, musíme stavu A „půjčit“ energii Ea; jen tak se
dostane na mezistupeň B.
Chemické reakce, syntézy a štěpení,
nahodilost a zákonitost dějů
11
KYSELINA FOSFOREČNÁ JE TROJSYTNÁ KYSELINA (H3PO4),
TZN. ŽE V JEJÍ STRUKTUŘE JSOU TŘI HYDROXYLOVÉ SKUPINY SCHOPNÉ ODŠTĚPIT PROTON.
JEDEN ATOM KYSLÍKU JE VÁZANÝ PŘÍMO.
TVAREM JE PRAVIDELNÝ ČTYŘSTĚN NEBOLI TETRAEDR.
TYP HYBRIDIZACE ATOMOVÝCH ORBITALŮ JE SP3;
12
A. Kyselina fosforečná/ortofosforečná
B. Kyselina pyrofosforečná
C. Kyselina trifosforečná
Tyto kyseliny jsou nejdůležitějšími sloučeninami v přeměnách
a úschově energie v živých systémech.
13
Vznik a činnost cAMP. V membráně buňky je bílkovina, která má dvě funkce: na
vnější straně membrány je specifickým receptorem (přijímačem) signální molekuly
(hnědá kulička) a na vnitřní straně membrány se po přijetí signálu mění v enzym,
který převádí ATP na cAMP a pyrofosfát.
Legenda:
hnědá kulička – signální molekula
žlutá – adenylátcykláza
modrá – alosterická bílkovina
(molekula neaktivní)
tyrkysová – (aktivní enzym)
Oranžová – inhibitor
cAMP
1, 2, – dva způsoby aktivace
Pomocí cAMP
14
(„kofaktor“)
Jeden z hlavních významů popsaných
reakcí – značný stupeň zesílení
Stupně zesílení:
• Každá adenylátcykláza vyrobí mnoho molekul cAMP
• Každá molekula cAMP aktivuje jednu proteinkinázu, ta má za úkol
především připojit kyselinu fosforečnou na enzym syntetizující
glykogen z glukózy, a tím jeji vyřadit z provozu. Tak zablokuje
mnoho molekul enzymu
• Současně naváže kyselinu fosforečnou na kinázu enzymu
rozkládajícího glykogen. Tím uvede v činnost mnoho molekul kinázy.
• Jedna molekula kinázy však aktivuje mnoho molekul enzymu
rozkládajícího glykogen.
Kdyby každé zesílení bylo jen desetinásobné, pak výsledkem
je 10 000 násobné zesílení rozkladu, podpořené
zablokováním syntézy.
15
16
změna konformace
(rychlost reakcí)
P. Cohen: TIBS, 17 (10), 408–413, 1992
Pět základních signálních systémů, které
fungují v eukaryotických buňkách
17
18
Pět mezibuněčných paralelních signálních drah
aktivovaných receptory svázanými s G-proteiny,
tyrozin kinázovými receptory nebo oběma typy
HLAVNÍ ROZDÍL V PŮSOBENÍ MEZI
REGULÁTORY HYDROFILNÍ (LIPOFÓBNÍ)
A HYDROFÓBNÍ (LIPOFILNÍ) POVAHY
19
Struktura membrány může však obsahovat některé funkční prvky, třeba kanálek
(dole) s hydrofilním vnitřkem.
Kanálek může měnit svůj rozměr, a tím regulovat průchodnost látek. Většinou však
v roli regulátorů vystupují membránové bílkoviny.
Jak procházejí látky
membránami?
Polární látky (například ionty) jsou ve
vodě obvykle obklopeny několika
molekulami vody (hydratovány).
To znemožňuje jejich průchod
hydrofobní mezivrstvou v membráně.
Když se však obalí hydrofobním
(lipofilním) pláštěm,
snadno přes membránu projdou.
20
receptory
růstové signály
hydrofilní povahy
(proteiny, katecholaminy, apod.
molekuly
signálové
transdukce
molekuly
zesilovací
kaskády
regulátory
transkripce
cykliny
CDKs
p27
p21
p16
p15
Lipofilní regulátory
21
22
Tři třídy
buněčných
povrchových
receptorů
Superodina jaderných receptorů
23
PŘÍKLADY
Změna konformace na úrovni membrán a cytosolu
24
Lipidomics reveals membrane lipid remodelling and release of
potential lipid
mediators during early stress responses in a murine melanoma
cell line
Gábor Balogh a, Mária Péter a, Gerhard Liebisch b, Ibolya
Horváth a, Zsolt Török a, Enikő Nagy a,
Andriy Maslyanko a, Sándor Benkő c, Gerd Schmitz b, John L.
Harwood d,⁎, László Vígh a,⁎Biochimica et Biophysica Acta
xxx (2010) xxx–xxx
Přehled možných drah uvolnění kyseliny arachidonové (AA),
použitývh inhibitorů a detekovaných lipidových meziproduktů
(podtrženo)
26
Tvorba vazebných míst inositol fospholipidu PI 3-kinázou
27
Jedna z cest podpory buněčného přežití přes PI 3-kinázu
28
3-D struktura proteinové kinázy
PLA2: fosfolipáza A2, 5-LOX: 5-lipoxygenáza, 5HETE: 5 hydroxykyselina, LTA4, C4: leukotrien A4, C4, PKC:
protein kináza C, DAG: diacylglycerol, PIP2: fosfoinositoldifosfát, PLC: fosfolipáza C, Tyr K: tyrosin kináza
Ca 2+
Ca 2+
Ca 2+
Ca 2+
AA 5HETE LTC4LTA4 PIP2DAG
Tyr-K Tyr-K
PLA2 5-LOX
PKC PLC
+
Nuclear responses
EGF EGF
29
Přenos signálu přes receptor pro epidermální růstový faktor (EGF)
se zapojením drah metabolismu kyseliny arachidonové (AA)
Transport vápníkových iontů pumpou Ca2+
30
Kaskáda proteinových kináz v přenosu signálu
Ca 2+ Ca 2+
Ca 2+
ATPase
PIP2
DAG
Ca 2+
PLC
RSRS
G C
K
sm
ACTIVATION OF CELLULAR TARGET PROCESSES
protein
phosphorylation
kinase
kinase kinase
kinasekinasekinasekinase
31
A. Basu: Pharmacol. Ther., 59 (3), 257-280, 1993
32
Struktura izoforem protein kinázy C (PKC)
A. Basu: Pharmacol. Ther., 59 (3), 257-280, 1993
33
Model aktivace protein kinázy C
Figure 3–65. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition.
34
Evoluční strom vybraných proteinových kináz
35
Fosforylace proteinů
!!
GTP-vazebné proteiny jako molekulární
spouštěče
36
37
Cdk protein funguje jako nástroj integrace
38
Protein kináza typu Src funguje jako nástroj
integrace
Proteinové
kinázy a
fosfatázy
39
INHIBICE B. DĚLENÍ
Změna konformace jako podstata řízení cytokinetiky
40
Science 262, 1644, 1993
STIMULACE B. DĚLENÍ
Změna konformace jako podstata řízení cytokinetiky
42
R. A. Laskey et al.: Science 246, 609, 1989
43
Schema eukaryotické replikační vidličky ukazující
sehrané působení DNA polymeráz a a d na opačných
stranách vidličky
J. O. Funk and D. A. Galloway: TIBS, 23, 337–341, 1998
44
Model blokace inhibice komplexů cyklin dependentní
kináza – cyklin prostřednictvím p21
PODSTATA – ZMĚNA
KONFORMACE
45
Receptorem zprostředkovaná dráha aktivace
46
PŘÍKLADY
Změna konformace na úrovni genomu
47
48
Alosterický “walking” protein
49
Aktivace NF-kB TNF-a
50
Tvorba signálních proteinů s PH doménami k plasma
tické membráně během aktivace B buněk
Některé signální proteiny fungující přes
cytokinové receptory a signální dráhu Jak-STAT
51
52
Jak-STAT signální dráha aktivovaná a-interferonem
Model Smad-dependentní signální dráhy
aktivované TGF-b
53
Kontrola transkripce genů environmentálními
signály
54
55
Aktivace protein kinázy typu Src dvěma
následujícími ději
Srovnání dvou hlavních vnitrobuněčných
signálních mechanismů u eukaryotických buněk
56
Velké konformačmí změny v EF-Tu způsobené
hydrolýzou GTP
57
informace
materiální zázemí,
finanční zdroje, atd.
potenciál
informace
materiální zázemí,
finanční zdroje, atd.
informace
materiální zázemí,
finanční zdroje, atd.
informace
materiální zázemí,
finanční zdroje, atd.
informace
materiální zázemí,
finanční zdroje, atd.
Plýtvání
Lenost
Nižší
efektivita
Nižší
efektivita
Vysoká
efektivita
(Lenost)
Lepší var.
58
VŠECHNY HLAVNÍ KOMPONENTY
SPOLUPŮSOBÍ
59
60
61
62