A sejtek közötti kommunikáció módjai és mechanizmusa – kommunikáció a szomszédos vagy a távoli sejtek között – intracellulári jelátviteli folyamatok
A kommunikáció módjai • szomszédos sejtek esetén – autokrin és parakrin
– közvetlen kapcsolat
– gap junctions
A kommunikáció módjai • távoli sejtek esetén endokrin idegi neurendokrin
Intracellulári jelátviteli folyamatok • extracelluláris ligandok
• ioncsatornák
Ioncsatornák • kis méretű, nagy szelektivitású protein komplexek • ionok és víz molekulák transzportja • nagy transzport sebesség • a transzport gradiens irányába megy • nem igényel energiát
Az ioncsatorna általános felépítése (struktúra) • a membrán integráns fehérjéi • több alegységből felépülő komplex molekulák - 2-6 alegység - 2-24 transzmembrán szegmentum • a szegmentumokat összekötő hurkok (loop) a felelősek a regulációért és a fehérje-fehérje kölcsönhatásokért • α helix alkotja a pórust - a csatorna pórusa töltéssel rendelkező oldalláncokkal bélelt • szelektivitási filter • szerkezetileg számos, eltérő családot alkotnak • nincs mindíg nyitva = eltérő kapuzási mechanizmus
Az ioncsatornákat kódoló gének • egy csatorna több gén terméke • a csatornát kódoló géneknek több másolata is lehet • a csatorna homológiák az általános strukturális felépítésen alapulnak és nem az ion szelektivitáson.
Az ioncsatorna tulajdonságai: 1. szelektivitás 2. kapuzás 3. aktiváció
1. szelektivitás: mi tud átjutni a csatornán? függ a pórus méretétől a pórust bélelő töltésektől
- nem szelektív → különböző ionok (kation, anion) kis szerves molekulák - töltés-szelektív → csak ionok számára átjárható - ion-specifikus → specifikus egy adott ionra
1. A szelektivitási filter • olyan transzmembrán hélixek, amelyek egymás mellett helyezkednek el a citoplazmatikus oldalon • egy ion szűrőt formál – tökéletes illeszkedés • a nagy szelektivitású csatornákon az ionok dehidrált formában jutnak át • a csatorna pórusa töltéssel rendelkező oldalláncokkal bélelt (kation-szelektív csatorna → negatívan töltött) • a pórusban töltéseket változtatva, megváltozik a szelektivitás (pl. kation → anion) • a pórus régióban bekövetkező mutáció megváltoztatja a szelektivitást • a specifikus kötőhely diszkriminál hasonló ionok között is (pl. Na+ és K+) • csak a feszültség-függő ioncsatornák rendelkeznek nagyfokú szelektivitással. A hidratált ionok rádiusza: K+ < Na+ << Ca2+
2. Kapuzás, a csatorna működés szabályozása • rövid távú szabályozás - kapuzás (gating) állandóan nyitott állapot két diszkrét állapot zárt, nyitott állapotok nyitott (vezetőképes)
zárt (nincs vezetés)
2. Kapuzás, a csatorna működés szabályozása • rövid távú szabályozás - kapuzás (gating) állandóan nyitott állapot két diszkrét állapot zárt, nyitott állapotok nyitott (vezetőképes)
zárt (nincs vezetés)
több diszkrét állapot zárt, nyitott, inaktív állapotok (=nyitott állapot de nem vezet) a csatorna struktura vagy externális részecske blokkolja a nyitott csatornát az állapotok közötti átmenetek feszültség és idő függőek
• hosszú távú – expresszió - A sejtek a funkciójuktól függően különböző csatorna fehérjéket expresszálnak – a csatorna expresszió szabályozható
C
O
I
2. Mitől függ a csatorna kapuzása? • nem kapuzó csatorna - mindíg nyitva van • kapuzó csatornák – feszültség különbség – ligand – mechanikai inger, hő (hőingadozás )
zárt
nyitott
A csatorna nyitása és záródása, modellek A kapuzás mechanizmusai: • a csatorna fehérjék konformáció változása felelős a pórus nyitásáért, záródásáért • a fehérjék 3D strukturáját az atomi, elektromos és hidrofób erők alakítják • az energiát, ami a proteinek konformáció változásához szükséges, a kapuzást előidéző okok biztosítják
• a csatorna egyes régióinak konformációváltozása • a csatorna általános strukturális változása
• a csatorna pórusát blokkoló molekularész
3. Csatorna-aktiváció
• neurotranszmitterek, hormonok
• foszforiláció intracelluláris jelátviteli kaszkádok
•feszültség
• a membrán disztorziója
Az ioncsatornák osztályozása - a kapuzás alapján: kapuzó nem-kapuzó - a csatorna megnyílását kontrolláló hatások szerint ligand-vezételt csatornák feszültség-vezérelt csatornák stretch aktivált csatornák - lokalizációjuk alapján: felszíni mebránban elhelyezkedő csatornák intracelluláris membránban elhelyezkedő csatornák intercelluláris csatornák - ionszelektivitás alapján: K+, Na+, Ca2+, Cl- stb. - a csatornákat kódoló gének alapján Kir, Kv, Cav stb.
Feszültség-függő nátrium csatorna szerkezete - 4 homológ domain - 6 transzmembrán szegment/domain S4 transzmembrán szegment a feszültség szenzor - a II. és IV. domén közötti hurok (IG) a csatorna inaktivációs "kapuja" - a csatorna porusa 1.2 nm széles, ami a csatornán belül 0,3-0,5 nm-re szűkül
Feszültség vezérlés (Voltage gating) A csatorna a membránpotenciál változás hatására nyílik • nyitott, inaktív és zárt állapotai vannak • specifikus egy adott ionra • hasonló domén struktúrával rendelkeznek • pozitív töltéssel rendelkező oldalláncok (Lys, Arg) “érzékelik” a membránpotenciál változását (voltage sensor).
hiperpolarizált (IC negatív ) : a kapu zárva van
depolarizált (IC pozitív): a kapu nyitva van
Feszültség vezérelt csatornák • nátrium : I, II, III, µ1, H1, PN3 • kálium : KA, Kv (1-5), Kv(r), Kv(s),KSR, BKCa, IKCa, SKCa, KM, KACh, Kir • kalcium: L, N, P, Q, T • klorid: ClC-0 - ClC-8
A ligand vezérelt csatorna - olyan ioncsatorna, amelyik neurotranszmitter kötőhellyel rendelkezik (IC vagy EC) - nem szelektív ioncsatornák - a ligand kötődése a receptor szerkezetének konformáció változását idézi elő, amely hatására a csatorna vezetőképessé válik. - néhány csatorna kettős vezérléssel rendelkezik, pl. NMDA receptorok, glutamát és depolarizáció kell a megnyílásához - az ionáram megváltoztatja a csatorna közelében a membránpotenciált, ami feszültség-függő csatornákat aktiválhat
Elektrotónusos potenciál
1.0 µM L1 0.1 µM L1 0.01 µM L1 0.1 µM L2
Ligand 1 Ligand 1
dekrementális terjedés
A ligand-vezérelt ioncsatorna családok jellemzői N-teminális ligand-kötő domain hidrofób intramembrán domének (M1-M4) töltéssel rendelkező pórus-bélelő domainek (M2) nagy intracelluláris loop az M3 és M4 domainek között
Ligand-vezérelt ioncsatornák = ionotróp receptorok
receptor
ligand
purinerg receptorok
ATP
Cys-loop receptorok izom típusú nAChR neuronális típusú nAChR szerotonin 5-HT3R GABAAR glicin R
ACh ACh szerotonin GABA glicin
glutamát receptorok kainát AMPA NMDA
glutamát, glicin
Extracelluláris ligand-vezérelt csatornák • nicotin AChR (izmok): α2βγδ (embryonic), α2βεδ (adult) • nicotin AChR (neuronalis): α(2-10), β(2-4) • glutamate: NMDA, kainate, AMPA • P2X (ATP) • 5-HT3 • GABAA: α(1-6), β(1-4), γ (1-4), δ, ε, ρ(1-3) • Glycine
Intracelluláris ligand-vezérelt csatornák • leukotriene C4-gated Ca2+ • ryanodine receptor Ca2+ • IP3-gated Ca2+ • IP4-gated Ca2+ • Ca2+-gated K+ • Ca2+-gated nonselective cation
• • • • • • •
Ca2+-gated Cl– cAMP cation cGMP cation cAMP chloride ATP Cl– volume-regulated Cl– arachidonic acidactivated K+ • Na+-gated K+
Stretch aktivált csatornák -kevéssé általános formája a csatorna szabályozásnak -a csatorna megnyílását a membrán disztorziója okozza - a szenzoros idegekre jellemző, pl tapintás - a nyomás a bőrön az idegvégződések disztorzióját okozza, aminek hatására megnyílnak a strech-aktivált csatornák - megváltozik a membránpotenciál, ami a Na+ csatornák aktiválódásán keresztül akciós potenciált vált ki
ION PUMPÁK Az elektrokémiai grádiens ellenében transzportálják az ionokat
strukturálisan hasonló hasonló funkció
strukturális különbségek eltérő funció
P-típusú
V-típusú
ststrukturális különbségek eltérő funció
F-típusú
P-típusú pumpa -a legegyszerübb struktúráju pumpa -4 alegység, 2 α és 2 β - foszforilállódik (pl. a pumpa foszofrilálódása biztosítja az ionmozgatáshoz az energiát) -számos ion transzportját végzik (pl. kalcium, kálium, nátrium)
A Ca2+ ATP-áz katalítikus ciklusa A kalcium-kötő forma foszforilációja szolgáltatja a transzporthoz az energiát.
citoplazmatikus oldal
lumen
F-típusú pumpa - komplex struktúra - ATP termelésben vesz részt - mitokondriumokban és kloroplasztokban fordul elő -proton pumpa
V- típusú pumpa - komplex struktúra (leglább 7 különböző fehérje alkotja számos alegységből áll) - nem foszforilálódik, közvetlenül az ATP energiáját használja fel - protonpumpa
Pumpaműködés szabályozása 1. a pumpafehérjék számának változása - hormonok → fehérjeszintézis - dopamin→ csatorna traffiking 2. a pumpa aktivitásának módosítása - a membrán két oldalán lévő ionkoncentrációk - ATP, ADP, Pi - membránpotenciál - cAMP-függő PKA, PKC - pH - kis horhonyzó fehérjék (ankyrin, adducin)
