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-a, TNF-p, TNF-y) - růstové faktory (EGF, PDGF, IGF-1, GM-CSF, GHF, NGF) • nervové mediatory (acetylcholin, GABA) • lokální mediatory (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) https://www.boundless.com/biology/textbooks/boundless-biology-textbook/cell-com 11606/ https://www.alz.org/braintour/synapses_neurotransmitters.asp https://www.studyblue.eom/notes/note/n/chapter-ll-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 receptoru 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) http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/14_02.jpg http://27.109.7.67:llll/econtent/cell-communication/principles-part-2.php 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. 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 • difúze ligandu cytoplazmatickou membránou -> vazba na receptor -> změna konformace receptoru -> regulace transkripce cílových genů Funkční domény receptoru • doména pro vazbu ligandu • doména pro dimerizaci • aktivační doména - vazba k TFIID, TFIIB • DNA vazebná doména - motiv dvou zinkových prstů 1. Cytoplazmatické receptory • steroidní hormony, glukokortikoidy, testosteron • vazba HSP90 • tvorba homodimeru, přechod do jádra, aktivace příslušných genů • př. androgenní receptor https://commons.wikimedia.0rg/wiki/Fiie:Human_andmgen_receptor_and_androgen_bin 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 skin skin 7,8-dehydrocholesterol pre-vitamin D3 vitamin D3 target tissues 24-hydroxylase liver 25-hydroxylase kidney 1a-hydroxy!ase calcitroic acid H vznik a uvolnění NO z endotelových buněk -> difúze k buňkám hladké svaloviny -> aktivace guanylátcyklázu -> relaxace svalové buňky aktivované nervové zakončení acetylcholin aktivovaná NO syntáza vazba NO na guanylátcyklázu RYCHLÁ DIFÚZE NO MEMBRÁNAMI endotelová buňka RELAXACE HLADKÉ SVALOVINY i NH, i NO - syntáza C=N*H2 -• i 2 NADPH N-H i H-C-H H-C-H i H-C-H i H-C-NH, i 0=C-OH Arginin NH2 C=0 +NO +2NADP l +2 H20 N-H l H-C-H H-C-H i H-C-H i H-C-NH2 i 0=C-OH Citrulin buňky hladké svaloviny http://27.109.7.67:llll/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 o H+ II • fosforylace - vazba fosfátové skupiny na AK atp adp e°-p-°e OH ( J O • jako donor fosfátové skupiny slouží ATP, vznik ADP f ^ ^ * \ . i . r i r r ' . r I ■ I I ■ t protein protein • tyrosmkmazy - vazba fosfátu na fenohckou skupinu Tyr • serin/treoninkinázy - vazba fosfátu na hydroxylovou skupinu Ser či Thr 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 O — P-P-P- I I I O" Ů' D' https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PKARI I.svg chemwiki.ucdavis.edu 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 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 http://www.highlights-in-neurobiology.com/gallery-the-kinases-pka-pkg-and-pkc/ Přehled proteinkináz 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 rsgulatory domain PKG NI PKA n . pwudo- nucleoikle i substrate binding sites ! leucine ; I I,'Ii liiiiiľjin ATP ."DAG PliiSer Ca' + : ■ =,i1e síta site ; I PKCnb 4. Ca2+/kalmodulin dependentní proteinkináza II (CaMKN) • regulována komplexem Ca2+/kalmodulin, autofosforylace • katalytická doména - fosforylace • regulační doména - pseudosubstrát, vazba monomerů do multimerů • specializované CaMKN - př. kináza lehkého řetězce myozinu 0 CírVcúfnxxíulri AclÁ-a sjlxnil □ Phosphatase 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 Přehled proteinkináz TYROSIN KINÁZY • kinázová doména SH1 • receptorové - vázané na plazmatickou membránu, součást receptoru • 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 2. proteinkinázy Jak-rodiny • přímá aktivace receptory pro interferon, Jak/STAT signální dráha 3. proteinkinázy Syk-rodiny http://www.ijbs.com/v08pl385.htm http://www.angelfire.com/sc3/toxchick/molbiocancer/molbiocancerl2.html Přehled proteinkináz MAP-PROTEINKINAZY • 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 Signal kinase MKKK Second kinase MAP kinase Response proteins Response Cellular response 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 http://www.stylepinner.com/protein-receptor-map/cHJvdGVpbilyZWNIcHRvciltYXA/ Další enzymy signálních drah Adenylátcykláza • ATP -> bisfosfát + cyklický adenosinmonofosfátu (cAMP) 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 (a, (3) - aktivace vazbou NO - domény: vazebná (hem), cyklázová NHj = 0 "SIf_^ -y m> \ 0= p- adenylyl cyclase OH OH -o ATP PPi -O OH c A MP o 0=P-O OH OH N" NH; cGMP GTP cGMP Membrane associated guanylyl cyclase GTP cGMP Soluble guanylyl cyclase Peplide ligand ATP Nilric oxide cAMP-fosfodiesteráza, cGMP-fosfodiesteráza • hydrolýza cAMP/cGMP na AMP/GMP n *- HO-P-0 I HO 03 HO HO cs.wikipedia.org http://proteopedia.org/wiki/index.php/Adenylyl_cyclase wikirecent.in link.springer.com Další enzymy signálních drah s lns(1,4,5)P3 3-kinase 5-Pase ©1 ® 0 Pl(4)-kináza © Pl{5)-kináza (3) Fosfolipáza C 0 Pl(3)-kináza Pl fosfatidylinositol PIP fosfatidylinositol-4-fosfát PIP2 fosfatidylinositol-4,5-bisfosfát PIP3 fosfatidylinositol-3,4,5-trisfosfát DAG diacylglycerol lns(l,4,5)P3 inositol-l,4,5-trisfosfát Fosfolipáza C (PLC) hydrolyzuje PIP2na DAG a lns(l,4,5)P3 https://cardiovascres.oxfordjournals.org/content/82/2/286 Povrchové receptory Signalizace zprostředkovaná povrchovými receptory 1. mimobuněčný signál (ligand) 2. povrchový receptor 3. sekundární přenašeč 4. cílová molekula (efektor) Typy povrchových receptoru 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 molecule w a- O Activated receptor _ regulate* tr.inscriptun U —-1 /- . . I : I I ľ Receptor http://www.datehookup.com/Thread-690622.htm Receptory spojené s iontovým kanálem Signaling ° • 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+, Cľ molecule Gate o o o o 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 (y-aminomáslená kyselina) https://hodnett-ap.wikispaces.com/Chapter+ll+Cell+Communication http://www2.cedarcrest.edu/academic/bio/hale/bioT_EID/lectures/tetanus-neuron.html V dosed Q (Ugand)' \ Plasma Ligand-gated membrane ion channel receptor Gate open\^ °0 O Oq 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, a-šroubovice • cytoplazmatická doména - C-konec, tyrosinproteinkinázová aktivita - určuje typ signálni dráhy a tím i buněčnou odpověď • kolem 50 receptoru • 14 rodin podle motivu v extraceluárních doménách (U KINASE -V IG-LIKE O GLYCINE RICH FIBRONECTIN III O LEUCINE RICH 0 CADHERIN CO CYSTEINE RICH EGFLIKE CKS> ACID BOX http://themedicalbiochemistrypage.org/signal-transduction. php#receptors Katalytické receptory Aktivace tyrosinproteinkinázových receptoru • 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 Signal-molecule u-hellx in the bindin9 si,e Activated tyrosine-kinase receptor (phosphorylated dimer) http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/CB14.html http://www.uic.edu/classes/bios/biosl00/mike/spring2003/lect07.htm Katalytické receptory RECEPTORY S PRIDRUŽENOU TYROSINPROTEINKINÁZOVOU AKTIVITOU • po vazbě ligandu dimenzují, aktivují nereceptorové tyrosinproteinkinázy • imunoglobulínové receptory - BCR, TCR, vazba antigénu - asociace s kinázami Src- a Syk-rodin • receptory pro cytokiny - př. Epo, GM-CSF, HGF, IL2-10, interferony antigén Blk, Fyn, or Lyn Syk Receptory asociované s proteinkinázami Src-rodiny • po dimerizaci receptoru aktivovaná Src-kináza • väzba adaptorových molekúl na P-Tyr-416 Receptory asociované s proteinkinázami Jak-rodiny • po dimerizaci receptoru aktivovaná Jak-kináza • fosforylace receptoru • väzba a fosforylace STAT o http://www.ijbs.com/v08pl385.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 Tyr-527 P JAK2 <- JAK2 P -> P JAK2 P P STAT P Tyr-416 JAK2 P P p ^STAT P 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, Lek, Fyn, Syk, PLCG, PI3K) adaptorových molekul (Grb2) transkripčních faktorů (STAT) regulátorů signalizace (SOCS) signální dráha přes proteiny Ras = příklad zapojení SH2 domény do signalizací Enzymes Adaptors Docking Proteins Transcription Factors Stat Cytoskeletal Proteins Tensin Inhibitory Factors Sap Btk PH • TH - SH3 : SH2 " Y KINASE ONA Binding -SH2- SH2 SH2I— PTB https://commons.wikimedia.org/wiki/File: llkkA_SH2_domain.png http://www.cellsignal.com/common/content/content.jsp?id=domains-sh2 Rodina proteinů Ras • 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 INACTIVE ACTIVE Receptor Ras-GTP (active) http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/CB14.html Figure 15-54. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. 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 1 56, Vazba Ras-GTP Flexibilní oblast A Proteinkinázová doména S259 184 I 349 Vazba 14-3-3 Vazba 14-3-3 14-3-3 dimer Skryté aktivní místo Blokautoinhibiční doménou • 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 http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/CB14.html https://commons.wikimedia.Org/wiki/File:C-Raf-architecture.png Rodina proteinů Ras Efektory proteinů Ras Transkripce Proliferace Endocytóza Ca2+ signalizace Nádorová onemocnění • stále aktivní Ras-GTP (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 http://www.naturexom/nrc/journal/vll/nll/fig_tab/nrc3151_Fl.html 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 Tyrosine phosphorylation of http://www.nature.com/nrm/journal/v3/n9/fig_tab/nrm909_Fl.htm http://www.sp.uconn.edu/ntc02001/MCB3201/Study%20Guide/%5BVII%5D%20Signal%20Transduction.ppt Sekundární přenašeče NH, nízká molekulová hmotnost dobře rozpustné krátký poločas rozpadu intracelulární signály přenos, amplifikace a rozdělení signálu z receptoru 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 O—CH, CO ,0. 0=P-O OH I O N O—CH, 0=P-O OH I O OPO. CH3 — (CH2) — C — O—CH2 CH3 — (CH2) —C—O—CH II O 3', 5'-cyklický adenosinmonofosfát (cAMP) Aktivuje proteinkinázu A (PKA) 3', 5'-cyklický guanosinmonofosfát (cGMP) Aktivuje proteinkinázu G (PKG) lnositol-l,4,5-trisfosfát (lns(l,4,5)P3) Otevírá Ca2+ kanály ER 1,2-diacylglycerol (DAG) Aktivuje proteinkinázu C (PKC) Receptory vázané na G-protein G-proteiny (trimerní) / * / s Hormone Receptor G protein Enzyme 2nd (1st messenger) messenger Vazba hormonu na receptor Adenylate cyclase I Extracellular fluid Receptor T GDP GTP Inactive protein kinase Receptor G-protein Adenlyátcykláza aktivuje aktivuje měníATP G-protein adenlyátcyklázu nacAMP Active protein kinase Přenos signálu na cílovou strukturu cAM P aktivuje proteinkinázu A Podjednotka a - vazba GDP/GTP, GTPáza Podjednotky py - ukotvení v plazmatické membráně Základní stav • asociace expy podjednotek, GDP na a Aktivace • vazba ligandu na receptor vede k výměně GDP za GTP • disociace a od py • a a py regulují aktivitu specifických cílových proteinů Inaktivace • po hydrolýze GTP na GDP, návrat do trimerního stavu I i grind hcterotrimc-irk G-proteln c ham http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio211/chapl6/chapl6.htm https://courses.washington.edu/conj/bess/gpcr/gpcr.htm 91189549944794 17945994 ^974 Receptory vázané na G-protein Gas a aktivace adenylátcyklázy, Ca2+ kanálů Gai a inaktivace adenylátcyklázy, aktivace fosfolipázy C a cGMP fosfodiesterázy ßv aktivace K+ kanálů a fosfolipázy C Gaq a aktivace fosfolipázy C Gal2 a aktivace Rho Stimulatory í Epinephrine hormone -{ Glucagon ACTH Inhibitory J PGE, hormone \ Adenosine Exterior Cytosol Receptor for stimulatory hormone Stimulatory G protein complex cAMP Inhibitory G protein complex Receptor for inhibitory hormone Catecholamines TRH ADH GnRH Oxytocin Cytoplasm Ca1' Ca2*-calmodulin Efektory • adenylátcykláza - nárůst cAMP - aktivace PKA, regulace iontových kanálů • fosfolipáza C - vznik DAG, lns(l,4,5)P3 - aktivace PKC, otevření Ca2+ kanálů • Ca2+ kanál http://www.sp. uconn.edu/~ttc02001/MCB3201/Study%20Guide/%5BVM%5D%20Signal%20Transduction.ppt http://cc.scu.edu.cn/G2S/Template/View.aspx?courseType=l&courseld=17&topMenuld=113301&menuType=l&action=view&type=&nam Receptory vázané na G-protein Robert J. Lefkowitz, Brian K. Kobilka 2012 NC za chemii • sedm a helixů (22-24 AK) v plazmatické membráně • a helixy spojeny variabilními smyčkami - extracelulární: vazba ligandu - intracelulární: vazba G-proteinu • vazba ligandu mění konformaci intracelulární části receptoru, na kterou se váže a aktivuje G proteinu EXTRACELLULAR CYTOPLASM Ugandy • neurotransmitery, neuropeptidy • odoranty, lipidy • hormony - př. serotonin, epinefrin, glukagon, tyrotropin, kalcitonin, ACTH, prostaglandiny • ztráta citlivosti vlivem přetrvávající přítomnosti ligandu Sphlngollpid / Phospholipid 9 llgnnd-blndlng O Ga-blnding 0 GPY-binding https://commons.wikimedia.Org/wiki/Fiie:Brian_Kobiika_and_Robert_Lefkow http://themedicalbiochemistrypage.org/signal-transduction.php Receptory vázané na G-protein Biologické účinky • růst a diferenciace buněk, chemotaxe • přenos signálů z chuťových, pachových a světelným vjemů • nervová signalizace • regulace krevního tlaku, funkce endokrinních žláz • embryogenéze a vývoj organismu 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 Gas, ne hydrolýza GTP - hyperaktivace adenylátcyklázy -> vysoká koncentrace cAMP v epitelu střeva -> propustnost iontových kanálů -> únik vody a iontů do lumen střeva -> prudké průjmy http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio211/chapl6/chapl6.htm Nitrobuněčné signální dráhy Cyklický adenosinmonofosfát (cAMP) • koncentrace závislá na aktivitě: adenylátcyklázy cAMP fosfodiesterázy ---N. NH, O II O—P —O—P —O—P—O—CH3 „ I I I ' '° 0" o- o- OH OH Adenosin 5'-trifosfát (ATP) Adenylát-cykláza 5' O—CH, O 5' MH;, EN- CAMP fosfodiesteráza O—P—O —CH2 „ I -° O -O OH 0=P-I O" 3', 5'-cyklický adenosinmonofosfát (cAMP) 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 W OH OH Adenosin 5'- monofosfát (AMP) Cyclic AMP Protein kinase A DNA cAMP responzivni element Transkripce je aktivní Lehké řetězce yj myozinu_ Těžké řetězce myozinu MLCK Vazebná místa pro aktin https://www.studyblue.eom/notes/note/n/2-section-6-atp-synthesis-and-atp-synthase-part-4/deck/6896187 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 Mechanismus vazba adrenalinu na (3-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-l-fosfát, která je po defosforylaci uvolněna do krve PKA zároveň fosforyluje/inaktivuje glykogen syntázu I nactive Fosforylázová kináza 20~50nm o:Glucose H OH K OH j3 CH£H CHíOH ĚCH2 h/1-—<\ h h/^M1 t^^'M' —"v? H/^\P ■Ajk p-Ap pÁj^ y^^c r h OH K OH H OH h CH h OH Katalytická podjednotka PKA Glykogenová fosforyláza iß* I Glycogen I Glucose 1-Phosphate | Active Glykogen syntáza Namrota Heda http://namrataheda.blogspotxz/2013/02/signal-transduction-pathway-camp-pathway.html http://www.glico.co.jp/en/material/bioglycogen/ 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 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 Dark nucleus IB) GMP cGMP Ca' cGMP rod cell membrane Ca'* #* cGMP_-T^3) Na+ •£aM) *• am 4Na* K+Ca2 rod cell membrane Ca2+ Na+ _4Na+ ~K+ Ca2+ Rod Rod^g i outer segment 1 cGMP p i ## * T Rod inner 4 segment Light http://namrataheda.blogspot.cz/2013/02/signal-transduction-pathwayxamp http://www.glico.co.jp/en/material/bioglycogen/ Nitrobuněčné signální dráhy Dráha Ca2+ • rozdílná koncentrace v cytoplazmě (10"7 M) a mimobuněčné tekutině (10"3 M) • buňka jej nepřijímá, aktivně vyčerpává, váže do organel • zvýšení koncentrace v cytoplazmě 1. depolarizace membrán akčním potenciálem 2. fosfolipáza C štěpí PIP2, vzniklý lns(l,4,5)P3 otvírá Ca2+ kanál endoplazmatického retikula • cílové proteiny - troponin C v buňkách kosterního svalstva (svalová kontrakce), kalmodulin Ca2+ signální vlna v oplozeném vajíčku http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/CB14.html https://www.studyblue.eom/notes/note/n/chapter-9-muscles/deck/5997793 Nitrobuněčné signální dráhy Kalmodulin • globulární domény (vazba Ca2+) spojené flexibilní oblastí (vazba k různým substrátům) • vazba čtyř iontů Ca2+ mění jeho konformaci, vyšší afinita k proteinům, které mění svoji aktivitu • úloha v metabolismu (aktivace fosforylázové kinázy), kontrakci hladké svaloviny (aktivace MLCK), expresi genů (CREB), sekreci neurotransmiterů, zánětu, pohybu buněk, apoptóze Interakce cAMP a Ca2+ drah • komplex Ca2+/kalmodulin může vázat a regulovat aktivitu adenylátcyklázy a fosfodiesterázy • PKA může fosforylovat některé kanály určující obsah Ca2+ v cytosolu • CaMKN může být fosforylována PKA • PKA a CaMKN často fosforylují aminokyseliny stejného proteinu (např. CREB) http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/CB14.html Nitrobuněčné signální dráhy Dráha inositolových fosfolipidů PLC PIP2 -► DAG + lns(l,4,5)P3 fosfatidylinositol-4,5-bisfosfát diacylglycerol inositol-l,4,5-trisfosfát • PLCp aktivována G-proteinem z rodiny Gaq • PLCy aktivována po vazbě na tyrosinproteinkinázový receptor (SH2 doména) • lns(l,4,5)P3 uvolňuje Ca2+z buněčných zásob • DAG aktivuje PKC, PI3K https://droualbJaculty.mjc.edu/C^ 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 Gaq • aktivace PLC(3, produkce lns(l,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 vazodilatace Lumen cévy Acetylcholine iílOj Acetylcholine D Phospholipase GPCR C —*—>/GTP NO V» receptor ■■ Protein —^>CGMPH kinase G Oj Relaxace svalové buňky Buňky endotelu Buňky hladké svaloviny Buňky hladké svaloviny https://www.studyblue.eom/notes/note/n/unit-3/deck/4896946 http://wwwJookfordiagnosis.com/mesh _info.php?term=Vasodilatateurs&lang=4 Utlumení signálních drah • snížení hladiny hormonů, defosforylace složek signálních drah, degradace sekundárních přenašečů • nitrobuněčné negativní regulátory (SOCS) • odstranění receptoru z povrchu buňky endocytózou - př. pohlcení EGFR do klatrinových váčků, degradace v lysozomu • přítomnost mutantních složek signálních drah - př. dominantně negativní mutace receptoru pro FGF pair, become with normal receptors, activated, and but the heterodimer cannot transmit signal transmit the signal • sekrece proteinů, které vychytávají hormony - př. kontrola resorpce kostí http://www.wormbook.org/chapters/ww 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 Lakuna Lamely Osteocyt Osteoklast Kanálky Osteoblast 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 Zralý Osteoklast Normální stav Makrofág Nezralý Osteoklast Aktivovaný Osteoklast Osteoblast Mm^F Osteocyte Tvorba kosti Resorpce kosti http://www.naturexom/nrg/journal/vl3/n8/fig_tab/nrg3228_F2.html https://www.studyblue.eom/notes/note/n/lc-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 odpověďv rozdílných cílových buňkách (ANO / NE) Jaká je funkce inositol-l,4,5-trisfosfátu (lns(l,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. lnositol-l,4,5-trisfosfát D. Diacylglycerol