Přenos signálů - informační metabolismus Úvod

1. Přenos signálů - informační metabolismus Úvod Sedm transmembránových helixových receptorů mění svoji konformaci po vazbě ligandu za současné aktivace G proteinů Hydrolýza fosfatidylionositolbisfosfátů fosfolipasou C vede ke tvorbě dvou poslů Vápenatý iont jako univerzální cytosolární posel Dimerizace receptorů jako odezva na vazbu ligandu Důsledky defektů přenosu signálů

2. Formy transdukce signálu • Receptory na membráně přenáší informaci z okolí do buňky. Některé nepolární signální molekuly (např. steroidní hormony) pronikají do buněk a tam se váží na protein nebo přímo na DNA. • Častější interkace ligand – receptor. Receptor je obvykle integrální protein membrány. Uvnitř buňky se tvoří druhý posel. Ireversibilní. • Obecnou cestou přenosu informace je fosforylace - kinasy. Zasaženými místy na enzymech jsou Ser, Thr a Tyr. Reversibilní. • Terminace přenosu informace – proteinfosfatasy.

3. Princip přenosu signálu

4. The second messengers – druzí poslové uvnitř buněk.

9. Fosforylace proteinů – obecný princip přenosu informace. Terminace signálu - proteinfosfatasy

10. Sedm transmebránových helixů – 7TM • Receptory tohoto typu přenáší signály fotonů, odorantů, chutí, hormonů a neurotransmiterů.

11. Příkladem hormonu, který se váže na sedm transmembránový receptor je adrenalin.

12. Biologické funkce zprostředkované receptory 7TM Vůně Chuť Vidění Přenos nervových vzruchů Uvolňování hormonů Chemotaxe – je pohyb vyvolaný chemikáliemi Exocytosa - proces zajišťující vylučování látek z buněk do extracelulárního prostoru. Kontrola tlaku krve Embryogeneze – vývoj zárodku (embrya) Růst a diferenciace buněk Virální infekce Karcinogeneze

13. Schematický obrázek transmembránového 7TM

14. Třírozměrná struktura rhodopsinu a 7TM receptoru.

15. Schéma přenosu signálu přes receptor a G- proteiny.

16. Heterotrimerní G protein

17. Konformační změny Ga po výměně nukleotidů. Aby mohlo dojít k výměně nukleotidů dochází vlivem vstupu signálu na receptor přes 7TM ke třem konformačním změnám (změna, přepnutí).

18. Rodiny G-proteinů a jejich funkce Gasb-Adrenergní aminy, Stimulují glukagon, parathyreoidní hormon, adenylátcyklasu mnoho dalších Gai Acetylcholin, a-adrenergní aminy, Inhibují mnoho neurotransmiterů adenylátcyklasu Gat Fotony Stimulují cGMP fosfodiesterasy Ga13 Thrombin, další agonisté Stimulují Na+ a H+ výměnu Gaq Acetylcholin, a-adrenergní aminy, Zvyšují IP3 a mnohé neurotransmitery intracelulární Ca2+

19. Adrenergní Isoprenalin (isoproterenol) Adrenergní – nerv, buňka nebo buněčný receptor (adrenoreceptor) aktivovaný adrenalinem nebo noradrenalinem a analogickými látkami. a-adrenergní – pořadí citlivosti na agonisty: adrenalin noradrenalin isoprenalin (isoproterenol). Stimulační efekt svalových kontrakcí Citlivost na antagonisty: fentolamin propranolol. b-adrenergní – aktivace adenylátcyklasy. Zase různé pořadí agonistů: Tři třídy: 1. b1 – receptory – isoprenalin noradrenalin adrenalin 2. b2 – pořadí isoprenalin adrenalin noradrenalin 3. b3 – noradrenalin adrenalin

23. Conceptual insights – Signál – přenos

24. Aktivace adenylátcykalsy Gas.A)Adenylátcyklasa je integrální membránový (12 helixů) protein. Katalyticky aktivní jsou dvě intracelulární domény. B) Gas s navázaným GTP se váže na katalytickou část cyklasy.

25. Obnova Ga– GTPasová aktivita hydrolyzuje GTP a Ga se znovu spojí s podjednotkami b a g.

26. Terminace signálu (např. adrenalin). A) Disociace signální molekuly z receptoru. B) Fosforylace cytoplasmatického C terminálního konce receptoru a následná vazba b-arrestinu.

27. Cyklický AMP • V eukaryotních buňkách aktivuje proteinkinasu A (PKA). • PKA je složena ze dvou regulačních a dvou katalytických řetězců. Za nepřítomnosti cAMP je komplex katalyticky inaktivní. Po vazbě cAMP na regulační řetězce je PAK aktivována – katalyzuje fosforylaci specifických Ser a Thr proteinů, které jsou takto aktivovány. • Např. aktivace štěpení glykogenu (glykogenfosforylasa a-aktivni a glykogenfosforylasa b - inaktivni) a současně inhibuje syntézu glykogenu.

28. Inhibitory fosfodiesterasy • Purinové alkaloidy – kofein, theobromin, theofylin. • Vyskytují se v kávě a čaji.

29. Hydrolýza fosfatidylinositolbisfosfátu (membránový lipid) fosfolipasou C vede ke tvorbě dvou druhých poslů. Např. po vazbě vasopressinu (antidiuretický hormon, ADH) na 7TM. Dva poslové: inositol-1,4,5-trifosfát (IP3) a diacylglycerol

31. Inositol 1,4,5-trisfosfát otevírá kanály a uvolňuje tak Ca2+ z intracelulárních prostor. • Působením IP3 dochází k uvolnění Ca2+ endoplasmatického retikula, buněk hladkého svalstva a sarkoplasmatického retikula. • Zvýšená hladina Ca2+ v cytosolu vede např. ke kontrakci hladkého svalstva a štěpení glykogenu. • Jak se signál IP3 vypíná ? IP3 se velmi rychle přeměňuje na další derifáty inositolfosfátů a na inositol (fosfatasy). Jeho délka života ve většině buněk je několik sekund. • Recyklaci IP3 inhibuje Li+ !!!

32. Metabolismus IP3: Tvorba a odbourávání fosfátových derivátů inositolu.

33. Diacylglycerol aktivuje proteinkinasu C (PKC) – ta fosforyluje mnoho cílových proteinů.

34. Metabolismus diacylglycerolu. Diacylglycerol je buď fosforylován na fosfatidát nebo hydrolyzován na glycerol a mastné kyseliny.

35. Vápenatý iont je univerzální cytosolární posel. Na obr. je vazba Ca2+ na kalmodulin.

36. Proč je Ca2+ univerzálním druhým poslem ? • 1. Vápenatý iont vytváří komplexy s řadou buněčných složek. Komplexy jsou nerozpustné. Proto je nutné udržovat hladinu Ca2+ na nízké hladině. To zajišťují transportní kanálové systémy. • U eukaryot jsou nejdůležitější Ca2+ ATPasa a Na+ - Ca2+ výměny. • Díky těmto pumpámje cytosolární koncentrace Ca2+ udržována u neexcitovaných buněk na 100 nM !! To je několika řádově nižší koncentrace ve srovnání s krví (5 mM). • 2. Vápenaté ionty se váží pevně na proteiny. Vazba na vedlejší řetězce Glu a Asp a kyslík bez náboje (karbonyly řetězce a kyslíkové atomy Asn a Gln. • Jakým způsobem lze měřit koncentraci Ca2+ v buňkách ??

37. Fluorescenční spektrum barviva vážícího vápenaté ionty (Fura-2). Měří se tak koncentrace v buňkách i v prostředí.

38. Vápenaté ionty aktivují regulační protein calmodulin, který stimuluje mnoho enzym a přenašečů. • Calmodulin je 17 kd protein (CaM), obsahujícíčtyři vazebná místa pro Ca2+. • Calmodulin je aktivován, když se intracelulární hladina Ca2+ zvedne nad 500 nM !!! • Calmodulin patří do rodiny EF-ruky proteinů. EF-ruka je vazebný motiv Ca2+. • Calmodulin s navázanými Ca2+aktivuje řadu enzymů, iontových pump a dalších cílových proteinů. • Calmodulin dependentní kinasa

39. EF ruka.

40. Dimerizace receptorů jako odezva na vstup ligandu a přenos signálu křížovou fosforylací. • Jako příklad uvedeme lidský růstový hormon. Monomerní protein, 217 aminokyselin, čtyři helixy. • Receptor je protein 638 aminokyselin – dělí se na část extracelulární (250 aminokyselin), jednoduchý helix přes membránu a intracelulární doména (350).

41. Křížová fosforylace JAKů (proteinkinasa, Janusova kinasa 2). Obě fosforylasy se navzájem fosforylují a tím se aktivují.

43. Některé receptory obsahují tyrosinkinasovu doménu mimo kovalentní struktury. • Růstové faktory jako např. insulin, epidermální růstový faktor (EGF- cytokin)) mají tyrosinkinasovou doménu mimo intracelulární domény. Stimulace růstu epithelu a epidermu. • Mechanismus působení je obdobou jako je tomu u receptoru růstového hormonu. Aktivuje se MAPkinasa (mitogen-activated proteinkinasa-přenos signálu z plasmové membrány do jádra).

44. Onemocnění v souvislosti s poruchami heterotrimerních G proteinů. • Nadměrný signál • Cholera • Karcinomy žláz – hypofýza a štítná žláza • Karcinomy nadledvinek a vaječníků • Primární hypertenze • Slabý signál • Šeroslepost • Černý kašel