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. I I Dráha Dráha #1 #2 Jedna dráha ca cr IXl o \ l Dráha Dráha #1 #2 signal (Y) itein O-® GTP G protein amplification Activated adenylyl cyclase ■ Not activ >....... 94909909 cAMP 5yl i i i 1 i i i OOOOOOOO protein kinase ■amplification-! mm OíOOOOOOOOO enzyme 000000000 product 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.org/wiki/File: Human_androgen_receptor_and_androgen_binding.svg 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-hydroxylase calcitroic acid 1,25-díhydroxyvitamÍn D3 25-hydroxyvitamin D3 hormon receptor v—r-y primární odpověď sekundární odpověď Ä** komplex hormon-receptor aktivuje primární geny proteiny sekundární odpovědi A a t A MIL proteiny primární odpovědi L Oč potlačení exprese aktivace exprese primárních genů sekundární genů O VD CYTOPLAZMA I JADRO i. cílové proteiny translace mRNA http://27.109.7.67:llll/econtent/cell-communication/principles-part-2.php; http://ajprenal.physiology.Org/content/289/l/F8; ttp://jofem.org/index.php/jofem/article/view 58 Intracelulární receptory Oxid dusnatý (NO) • parakrinní signál, volný průnik přes membrány buněk • NO syntáza - deaminace argininu • rychlý, lokální účinek • vazodilatátor - aplikace nitroglycerínu při angíně pektoris - prodloužení účinku NO po aplikaci viagry • acetylcholin -> vznik a uvolnění NO z endotelových buněk -> difúze k buňkám hladké svaloviny -> aktivace guanylátcyklázu -> relaxace svalové buňky NH, NH i NO - syntáza i C=N*H2 -■ 1 - C=0 N-H N-H H-C-H H-C-H H-C-H H-C-H 1 H-C-H 1 H-C-H H-C-NH2 H-C-NH2 i 0=C-OH i 0=C-OH Arginin Citrulin +2 E-LQ aktivované nervové zakončení vazba NO na guanylátcyklázu RELAXACE HLADKÉ SVALOVINY endotelová buňka 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 • fosforylace - vazba fosfátové skupiny na AK atp adp OH ( J O • jako donor fosfátové skupiny slouží ATP, vznik ADP f ^ ^ * \ . . t . , irr'j. r i ■ i i ■ -i- 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" Ů1 D' https://commons.wikimedia.org/wiki/File: PKARII.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 N PKA n . pwudo- nucleolkle i substrate binding sites ! leucine ; I I,'Ii liiiiiľjiri ATP pkc n 4. Ca2+/kalmodulin dependentní proteinkináza II (Ca M KM) • regulována komplexem Ca2+/kalmodulin, autofosforylace • katalytická doména - fosforylace • regulační doména - pseudosubstrát, vazba monomerů do multimerů • specializované CaMKII - př. kináza lehkého řetězce myozinu 0 CíŕVcúfnxxíulri AclÁ-a sjlxmil □ 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 Receptor Second kinase map kinase Response proteins Response I kinase MKKK MKK MKK E Inactive MK Inactive 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=p- adenylyl cyclase OH OH -o ATP PPi -O OH c A MP o 0=P-O OH OH N N Hi cGMP cAMP-fosfodiesteráza, cGMP-fosfodiesteráza • hydrolýza cAMP/cGMP na AMP/GMP 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 PIP, 3-Pase 5-Pase Pl(4)-kináza Pl(5)-kináza Fosfolipáza C 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 Activated receptor re^iiKiteN trtinscriptiiin -1 / 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 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) Signaling 0 d O molecule/ dosed q Ions (NgandK , o 0'"' / Plasma Ligand-gated membrane ion channel receptor r 3ateopen\ 9jO 0o https://hodnett-ap.wikispaces.com/Chapter+ll+Cell+Communication http://www2.cedarcrest.edu/academic/bio/hale/bioT_EID/lectures/tetanus-neuron.html Katalytické receptory TYROSINPROTEINKINAZOVE 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 O © ©®0®0 i c CC u. e? LU cd C '•B o cc m Uléí n cd CC "O " c N c e? q. cd C o CC Jil CC k "£03 q- u. u. C w ^ u. > 00a i cd o 1 KINASE "V IG-LIKE O GLYCINE RICH 0 FIBRONECT1N III CO LEUCINE RICH # CADHERIN c CYSTEINE RICH • EGFLIKE a 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 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 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 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 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 Tcnsln Inhibitory Factors Sap Btk PH - TH — Grb2 SH3 - S She - 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-0-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) vazba hormonu na receptor cAM P aktivuje proteinkinázu A Receptor G-protein Adenlyátcykláza Přenos signálu na aktivuje aktivuje mění ATP cílovou strukturu G-protein adenlyátcyklázu nacAMP Podjednotka a - vazba GDP/GTP, GTPáza Podjednotky py - ukotvení v plazmatické membráně Základní stav • asociace ctpy 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 hctciotrimc-rk c ham http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio211/chapl6/chapl6.htm https://courses.washington.edu/conj/bess/gpcr/gpcr.htm 9999999999999999^ Receptory vázané na G-protein Gas a aktivace adenylátcyklázy Ca2+ kanálů Gai a inaktivace adenylátcyklázy aktivace fosfolipázy C a cGMP fosfodiesterázy Pv aktivace K+ kanálů a fosfolipázy C Gaq a aktivace fosfolipázy C Gal2 a aktivace Rho 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/ntc02001/MCB3201/Study%20Guide/%5BVII%5D%20Signal%20Transductio http://cc.scu. edu.cn/G2S/Template/View.aspx?courseType=l&courseld=17&topMenuld=113301& 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 Ugandy • neurotransmitery, neuropeptidy • odoranty, lipidy • hormony - př. serotonin, epinefrin, glukagon, tyrotropin, kalcitonin, ACTH, prostaglandiny • ztráta citlivosti vlivem přetrvávající přítomnosti ligandu CYTOPLASM Sphlngollpld Phospholipid Q lignnd-blndlng O Ga-blndíng 6 GPy-binding •ta https://commons.wikimedia.org/wiki/File: Brian_Kobilka_and_Robert_Lefkowitz_l_2012.jpg 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;, v 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 I I CRE cAMP responzivni element Transkripce je aktivní Lehké řetězce yj myozinu_ Těžké řetězce myozinu MLCK Vazebná místa pro aktin C3 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 Inactive Fosforylázová kináza 20~50nm o:Glucose H ČH K oh j3 CH£H CHíOH ĚCH2 h/r— ů. h h/Í^M1 i^'^'VP VA—*\ř t/^\F ■A^ pÁj^ ffiÍ\jk ^Af1 HÖH K OH HÖH H CH H OH Katalytická podjednotka PKA Glykogenová fosforyláza Glucose 1-Phosphate Active Glykogen syntáza Namrota Hada http://namrataheda.blogspot.cz/2013/02/signal-transduction-pathwayxamp-path 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 http://namrataheda.blogspotxz/2013/02/signal-transduction-pathway-camp-pathway.htm 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 G protein « ) 55 s 85 s ■ 115 s r 145 s 145 s F-aktin Tropomyozin Troponin 99 Ca2' Ca2t vázaný Odhalené vazebné k troponinu místo pro myozin 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/Course%20 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 Acetylcholine D — f-\ Phospholipase GPCR C Ca2+/Calmodulin NO synthase Arginine + 02 Citrulline + INO) NO I receptor > gtp ............-iNÓV.. □ ^ppí kinase G Relaxace svalové buňky Buňky endotelu Ir Buňky hladké svaloviny Buňky hladké svaloviny https://www.studyblue.eom/notes/note/n/unit-3/deck/4896946 http://www.lookfordiagnosis.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 EGFR Adaptorový Tvorba klatrinových váčků protein Klatrin Degradace v endolyzozomech s Tyrosine kinase Normal receptors pair, become activated, and transmit signal Receptors with defective intracellular domains cannot transmit signal Mutant receptors can pair with normal receptors, but the heterodimer cannot transmit the signal sekrece proteinů, které vychytávají hormony - př. kontrola resorpce kostí http://www.wormbook.org/chapters/wwwjntracellulartrafficking/intracellulartraffick 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 La kuna Lamely Osteocyt Osteoklast Osteoblast Kanálky 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 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 odpověď v 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