SIGNAL (např. cytokiny) METABOLISMU V BUNEČNÝCH REGULACÍCH: Lipidy jako intercelulární mediatory a modulátory buněčné sign 1JJZ21CÍJJ ŠÍLÍ n-6 PUFA (AA, LA) Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony, polutanty, záření) 'm""»'g nos) signál j Představuje zákonitě koordinovanou souslednost reakcí (odvíjející se od specifické chemické struktury) vedoucích od vnější plasmatické membrány (navázání regulátoru na tuto membránu anebo průchod regulátoru touto membránou' Tohoto procesu se účastní řada regulátorů různé chemické povahy, iJliimiOlliT^ a organismu včetně regulace cytokinetik Jeden z principiálních rozdílů spočívá zejména v tom, zda má daný regulátor povahu hydrofilní (lipofóbní) anebo Hyd(g)rofóbní (lipofilní) building blocks larger units of the cell of the cell SUGARS +>\ POLYSACCHARIDES FATTY ACIDS +■ FATS, LIPIDS, MEMBRANES AMINO ACIDS ^| PROTEINS | NUCLEOTIDES 1- ť NUCLEIC ACIDS | Figure 2-17. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. TABLE 2-i The Approximate Chemical Composition of a Bacterial Cell PERCENT OF TOTAL NUMBER OF TYPES OF CELL WEIGH T EACH MOLECULE Water 70 1 Inorganic ions 1 20 Sugais and precursors 1 250 Amino acids and precursors 0.4 100 Nucleotides and precursors 0,4 100 Fatty acids and precursors 1 50 Other small mo lee u lei. 0.2 »300 Macromolecules (proteins, 26 -3000 nucleic acids, and polysaccharides) oboral ylokineliky f*iofVzik*lni úslov ilVČA, AANO PANEL 2-5 Fatty Acids and Other Lipids COMMON FATTY ACIDS These are carboxylic acids with long hydrocarbon tails. TRIACYLGLYCEROLS o Fatty acids are stored as an energy reserve (fats and oils) through an ester linkage to glycerol to form triacylglycerols, also known as triglycerides. (X)()l I I CH, CH, T' Í"- CH, r> T' CH, CH, T' CH, T' T' CH, T' CH3 stearic acid (C18) COOI I I v- T' CH, I v-',"■ (II I l" Í"- T' CH, CH, CH, '," CH, CM: acid (C„> cool I CH, V ,„ CH, CH, CH, V CM II CM I V CH, v-<„. V CH, V1" CM: H2C —OH I HC —OH I H2C—OH glycerol Hundreds of different kinds of fatty acids exist. Some have one or more double bonds in their hydrocarbon tail and are said to be unsaturated. Fatty acids with no double bonds are saturated. This double bond is rigid and creates a kink in the chain. |J The rest of the chain is free to rotate about the other C-C bonds. space-filling model carbon skeleton UNSATURATED CARBOXYL GROUP If free, the carboxyl group of a fatty acid will be ionized. But more usually it is linked to other groups to form either esters pun^PHOI IPID^ Phospholipids are the major constituents of cell membranoc N- CH2—CH-----CH I I space-filling model of the phospholipid phosphatidylcholine In phospholipids two of the -OH groups in glycerol are linked to fatty acids, while the third -OH group is linked general structure to phosphoric acid. The phosphate is further linked to of a phospholipid one of a variety of small polar groups (alcohols). 23 Phospholipid structure and the orientation of phospholipids in membrane hydrophilic head ^bspEi'atjB two hydrophobic fatty acid tails water phospholipid bilayer, or membrane! phospholipid mofecule iFigure 2-22. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. strukturní úloha FOSFOLIPIDŮ V BUŇKÁCH protientropické důsledky LIPID AGGREGATES Fatty acids hav e a Irydrophilichead and a hydrophobic tail. - In water they can form a surface film or form small micelles. %•# -..♦ POLYISOPRENOIDS long-chain polymers of isoprene o- I O — P— o- I o Their derivatives can form larger aggregates held together by hydrophobic forces: ill,- ci can form large spherical PlmptwIlpMh and «jtv "■ ■•'i>d- form self-sealing lipid fat droplets in the cell cytoplasm. bilayers that are the basis for all cell membranes. OTHER LIPIDS Lipids are defined as the water-insoluble molecules in cells that are soluble in organic solvents. Two other common types of lipids are steroids and polyisoprenoids. Both are made from isoprene units. CM CH, C — CH—CH, STEROIDS Steroids have a common multiple-ring structure. HO ciiolfsirrol—found in many membranes tr-stosworv—male steroid hormone GLYCOLIPIDS Like phospholipids, these compounds are composed of a hydrophobic region, containing two long hydrocarbon tails, and a polar region, which, however, contains one or more sugar residues and no phosphate. hydrocarbon tails rJrglsM phHfhM —used to carry activated sugars in the membrane-associated synthesis of glycoproteins and some polysaccharides 75 How two macromolecules with complementary surfaces can bind tightly to one another through noncovalent interactions -Nejjednodušší způsob reakce -Může však spolupůsobit celá škála chemických vazeb silné i slabé povahy a jejich kombinace Četné molekuly se štěpí, vstoupí-li do jejich struktury molekula vody při hydrolýze. Jako příklad uvádíme hydrolyzu bílkoviny, kdy mezi atom dusíku (zelený) a s vázaným vstoupí molekula vody. Vzniká tak aminoskupina a karboxyl. Chemicky takovou reakci zaznamenávame: -NH-CO- + H20 = -NH2 + -COOH Samovolná reakce by probíhala velmi pomalu. Katalyzátor ji urychluje působením na elektronové oblaky (růžová). 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 loloze. nezbvtné k vvvolání naznačených změn v elektronových oblacích štěpené vazbv. ..Umí" však i leccos jiného, zejména „připoutat" látku, která má být štěpena. hemické reakce, syntémy a štěpení, nahodilost a zákonitost dě >tavyV£J \g který se může uvolnit jako volná energie Ev. Přesto ořeměna A - C neorobehne samovolríe. Musí projít stavem^, který má vyšší obsah energie než A. Aby se mohla uvolnit volná energie Eyfimusíme stavu A „půjčit" energii Ea; jen tak se dostane na mezistupeň B. {Substrát přesně zapadne do lůžka v molekule enzymu. V tomto lůžku ho poutají různé hydrofobní (modrá), přitahování opačně nabitých skupin (zelená v substrátu a ŕku), vodíkové můstky. Štěpená vazba se tím dostane mezi „nůžky" silně polárních skupin (např. karboxylů). Při „vyvolaném přizpůsobení je enzym teprve domodelovan silami, které poutají substrát k jeho lůžku. Alosterická inaktivace enzymu. substrát. Tím se liší od pouhého blokování lůžka, které může způsobit látka podobná substrátu (soutěživá čili kompetitivní inhibice). Alosterická inaktivace oatří k reaulačním oochodum. Může ii vvvolat ien zcela určitá látka. ta, která svými vlastnostmi přesně odpovídá místu, na které se váže. Signal 1 Signal 2 Signal 3 Signal 4 Signal 5 I I 1 v 1 Outside Receptor Receptor Receptor Receptor Receptor protein tyrosine kinase Membrane I T 1 I 1 Inside 1 cyclic AMP 1 cyclic GM1 1 » Ca2+ 1 Diacylgiycerol X' 1 1 1 1 1 PK-A PK-G Calmodulin PK-C Protein Ser/Thr /l\ 4\ A /l\ Multifunctional Dedicated kinases kinases kinases A\ 1 P. Cohen: TIBS, 17 (10), 408 - 413, 1992 Five of the principal signalling systems that operate in eukaryotic cells linked receptors, receptor tyrosine kinases, or both Hlavní rozdíl v oůsobení ^^^^^ ;J povahy 1 Loberciler f*iofVzik*lni úslov ilVČn, AANO iPkw«T7«TmThw3 11M i !vi membránami? látky (například ionty) jsou ve vodě obvykle obklopeny několika molekulami vody To znemožňuje ieiich orúchod hydrofobní mezivrstvou v membráně. 11 ľi* i f i í>j »j 11111 m »jľ.Ki'.^f f i snadno přes membránu projdou. iiirtjiii.ir-ii^m hydrofilním vnitřkem. Kanálek může měnit svůj rozměr, a tím regulovat průchodnost látek. Většinou však v roli regulátorů vystupují membránové bílkoviny. on thyroxine retinoic acid ure 15-12 part 1 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Lipofilní regulátory m růstové signály hygrofilní povahy (proteiny, katecholaminy, apod. regulátory transkripce molekuly signálové transdukce molekuly zesilovací kaskády ytokinetiky Biofyzikálni ústav RVČR, BRNO na u rov ni membrán a ciborol ylokineliky f*iofVzik*lni úslov ilVČA, AANO Ca fm Oq m PN |ÄÄ[J5HETeHlTA4|^LTC4[o' Tyr-K PLA 5-LOX too töö I Nuclear responses Tyr-K loborcib Vlokineliky f»iofVzikcftlni úslov flVČfl, ARNO Protein kinase cascade protein phosphorylation AflflP^ kinase kinase kinase kinase | | kinase | | kinase | | kinase | I__1__1__I £2 QQQQQQQQ v^mmmmm \s \ATPase/ ACTIVATION OF CELLULAR TARGET PROCESSES SIGNAL (např. cytokiny) METABOLISMU V BUNEČNÝCH REGULACÍCH: Lipidy jako intercelulární mediatory a modulátory buněčné sign 1JJZ21CÍJJ ŠÍLÍ n-6 PUFA (AA, LA) Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony, polutanty, záření) oboral ylokineliky f*iofVzik*lni úslov ilVČA, AANO Regulatory Domain Catalytic Domain Group A cPKC a.ßl.ßll.y pseudosubstrate v1 | C1 V H2N ^2 Ži lr h c3 v4 p. c4 ^COOH Group B nPKC 5, e, t[(U e HoN COOH H2N te H ¥ COOH oboral ylokineliky f*iofVzik*lni úslov ilVČA, AANO oboral ylokineliky f*iofVzik*lni úslov ilVČA, AANO oboral ylokineliky f*iofVzik*lni úslov ilVČA, AANO Protein kinase cascade protein phosphorylation AflflP^ kinase kinase kinase kinase | | kinase | | kinase | | kinase | I__1__1__I £2 QQQQQQQQ v^mmmmm \s \ATPase/ ACTIVATION OF CELLULAR TARGET PROCESSES tyrosine Ikinase íubfannily PDGF wee1 receptor EGF receptor TGF-ß receptor protein kinase C myosin light-chain kinase Ca /calmodulin-dependent kinase 'eceptor serine kinase subfamily l"~ ľ.— .^ ^__ůj?___tm^\^^..t^^ nr^i^-^ , ^f^u^ r*^n___*-i. 1-^ľ.Lľ _ - Some energies important for cells Tepelný děj - „ pohyb" average thermal motions kcal/mole) 0.1 1 L noncovalent bond in water igure 7-1. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition A. Kyselina fosforečná / ortofosforečná B. Kyselina pyrofosforečná C. Kyselina trifosforečná Tyto kyseliny jsou nejdůležitějšími sloučeninami v přeměnách a úschově energie v živých systémech oboral ylokineliky f*iofVzik*lni úslov ilVČA, AANO Vznik a činnost cAMP. V membráně buňkv ie 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 zelená - adenylátcykláza modrá - alosterická bílkovina tyrkysová - aktivní enzym oranžová - inhibitor cAMP 1,2,- dva způsoby aktivace Pomocí cAM P Jeden z hlavních významů popsaných reakcí - značný stupeň zesílení - Stupně zesílení: 1. Každá adenylátcykláza vyrobí mnoho molekul cAMP 2. Každá molekula cAMP aktivuje jednu proteinkinazu, 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 3. Současně naváže kyselinu fosforečnou na kinázu enzymu rozkládajícího glykogen. Tím uvede v činnost mnoho molekul kinázy. 4. Jedna molekula kinázy však aktivuje mnoho molekul enzymu rozkládajícího glykogen. Kdyby každé zesílení bylo jen desetinásobné, pak výsledkem je í rozkladu, podpořené zablokováním syntézy. oberol ylokineliky BiefyilhAlaf úilov nVČA, ARNO zrněna Komol mace ako podstata í 'ízení - cyto kínďúky- -inhibit ze b. d( íleni- ^^^h ulokineliku f*iofVzik*lni úslov I1VCI1, AANO Cyclin Model for the blocking of p21c/pi-mediated inhibition of cyclin-dependent kinase (CDK)-cyclin com pi exes, (ja nvn active CDK-cyclin complex, in which ATP is bound in the catalytic cleft, (b) InhibitiorhJT the complex by a CIP/KIP CKI (Ref. 19). There are three major features oT the interaction: (1) a hydrophobic interaction between the RRLFG motif in the CIP/KIP CKI N-terminus and the cyclin; (2) a rearrangement of the CDK such that the glycine-rich loop that binds to ATP is no longer available; and (3) the insertion of the CKI 310-helix into the catalytic cleft, where it mimics ATP. The dark gray line represents the CIP/KIP CKI C-terminus, which was missing in the crystallization and whose orientation with respect to, and effect on, the CDK-cyclin complex is not clear, (c) Binding of E7 or proliferating-cell nuclear antigen to the p21c,w C-terminus might rearrange the interaction between p21c'p:t and the CDK-cyclin complex, and allow ATP binding and phosphorylation of some substrates. J. O. Funk and D. A. Galloway: TIBS, 23, 337-341, 1998 konformace ciborol ylokineliky f*iofVzik*lni úslov ilVČA, AANO «-interferon receptors «-interferon BINDING OF INTERFERON CROSS-LINKS ADJACENT RECEPTORS, AND Jaks CROSS-PHOSPHORYLATE EACH OTHER ON TYROSINES ACTIVATED Jaks PHOSPHORYLATE RECEPTORS ON TYROSINES DNA STAT2- AFTER STATs DOCK ON SPECIFIC PHOSPHOTYROSINES ON THE RECEPTOR, THE Jaks PHOSPHORYLATE THEM STATs MIGRATE TO NUCLEUS, BIND TO DNA AND OTHER GENE REGULATORY PROTEINS other gene regulatory proteins «-interferon response element in target gene * TARGET GENE TRANSCRIPTION CYTOSOL SH2 domain STATI STATs DISSOCIATE FROM RECEPTOR ANDDJMERIZE VIA THEIR SH2 DOMAIN One way in which signaling through PI 3-kinase promotes cell survival survival signal (£>^Sd PI(4,5)P2 5)P3 ?----------T PH domains activated PI 3-kinase ctivated receptor yrosine kinase vv PDK1 4 m PKB CYTOSOL phosphorylation^ dissociation and activation fv ofPKBby PDK1 BAD active PKB i'Wp inactivated BAD