Hormonok hatásmechanizmusa
Signal transduction pathways 1. Signal recognition ligand binding; cell contact
2. Transduction transfer of signal to cell interior modulate the activity of protein kinases and phosphatases
3. Response phosphorilation state of targets modulation of effector activity
signal pathways
Signal 1
Signal 2
Signal 3
Signal 4
Signal 5
Receptor
Receptor
Receptor Receptor
Receptor Receptor
Receptor Receptor
G protein
G protein
G protein
G protein
G protein
cAMP
cGMP
Ca2+
DAG
ion channels
PK-A
PK-G
Calmodulin
PK-C
Signal 6
Receptor
‘X’
protein Ser/Ther kinases
Phosphorilation Phosphorilation of of an an effector effector protein protein by by protein protein kinase. kinase.
I. A szignál felismerése I/1. A hormon kötıdése a receptorhoz A receptor funkciói -felismerés és kötıdés - specifkus biológiai válasz aktiválása
A ligand–receptor kötés jellemzıi: 1. szaturálhatóság - véges számú receptor 2. affinitás - nem-kovalens kötés eredménye - Kd , Ka (=1/Kd) 3. specificitás - ez alapján nevezzük el a receptorokat - a ligandok közötti kis strukturális különbség felismerése
A hormon-kötıdés és a biológiai válasz közötti összefüggés tartalék receptorok esetén a receptorok száma
20 000
A hormon kötött receptorok száma
20 000
15 000
a max. biológiai válasz elérésehez szükséges receptor szám
10 000
10 000
5 000
5 000 2 500
0
Biológiai válasz (%)
100
50
0 -13
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
Hormon koncentráció (lgM)
I/2. A fıbb receptor-típusok G-protein kapcsolt receptor
lidand vezérelt receptor
IC enzimaktiviással rendelkezı receptorok
intracelluláris receptor
A G-proteinhez kapcsolódó receptorok prototípusa NH2 BLO Extracellular
I
II
III
IV
V
VI
VII
Cytoplasmic II I
III
VII
IV VI
V
HOOC
domains III; VI; VII C-terminal 3rd intracelular loop
agonist binding interaction with G protein selectivity of receptor for G protein
A G protein be-ki kapcsolóként mőködik GDP/GTP csere A G protein és a receptor disszociál
G protein aktiváció α GTP
β
γ
AC
A hormon hiányában a G-protein ciklus gyorsan kikapcsol
β γ α GDP
AC
GDP
γ
β
α GTP
AC
effektor aktiváció second messenger képzıdése
γ
β
α GDP
AC
+P
i
a válasz megszünése GTP hidrolízis G-protein effektor disszociáció
G protein effektorok α effektorok
βγ effektorok K+, Na+, Ca2+ csatornák PLCβ moduláció β-ARK, PI-3 kináz Tyr kináz
αs adenilát cikláz αi adenilát cikláz αq foszfolipáz C αt cGMP foszfodieszteráz α/1213 RhoGEF másodlagos hírvivık: cAMP, cGMP, Ca2+
“membránhoz kötött” útvonalak K+ és Ca2+ csatornák L
α
E
cAMP
γ β
R
α
γ β
PKA
Monomer G proteinek Ras Rab
növekedés és differenciálódás szabályozása Ras analóg, az agyban fordul elı, vezikulák transzportja, IC transzport folyamatok Ran Ras analóg, a sejtmagban található, proteinek transzportja a sejtmag és a citoplazma között Rho/Rac szabályozzák az actin filamentumok polimerizációját, a sejt-transzformációt Rab szabályozzák a vezikulák mozgását ARF/Sar1 szabályozzák a vezikulák szét- és összeszerelését RGK (Rad, Gem, Kir) ioncsatorna funció szabályozás, szabályozzák az actin filamentumok mőködését a cytosceletonban
Ch
P
A G protein kapcsolt útvonalak specificitása Protein foszforiláció a sejtekben különbözı sejtek
különbözı célfehérjék
receptor izoformák: 1. eltérı ligand affintás 2. eltérı G protein affintás
számos G protein: < 20 α alegység, 5 β alegység, 12 γ alegység eltérı kombinációk
eltérı tulajdonságok
Enzyme-Linked Receptor subfamilies • Receptor Tyrosine Kinases • Tyrosine Kinase Associated Receptors • Receptor-like Tyrosine Phosphatases • Receptor Serine/Threonine Kinases • Receptor Guanylyl Cyclases • Histidine-Kinase Associated Receptors
különbözı válasz
A tirozin-kináz receptorok
Egyszerre több jelátviteli útvonalat is aktivál. A receptor fıbb részei: - extracelluláris ligand kötıhely - egyetlen alfa hélix - intracelluláris tirozin Az intracelluláris lánc tirozin-kináz aktivitással rendelkezik.
Intracelluláris receptorok
-citoplazmatikusan vagy a magban található - a ligand-receptor komplex transzkripciós faktorként mőködik. A szignál molekulák: - hidrofób szteroidok - thyroid hormon
A szteroid/tiroid géncsalád A/B
C
1
D
567
A/B Amino-terminal domain
E 720
900
változatos hossz és szekvencia transzkripció konzervatív szekvencia kötıdés a DNS megfelelı részeihez (HRE)
C DNA binding domain
D Hinge region
“zsanér”
E Ligand binding domain
hormon kötés dimerizáció “elhallgattató” szekvencia HSP kötés
A szteroid/tiroid géncsalád Amino-terminal domain
Group A
A/B
Hinge region C
1
D
DNA binding domain
E 900
Ligand binding domain
Androgen receptor Glücocorticoid receptor Mineralocorticoid receptor Progesteron receptor Oestrogen receptor
Group B
A/B 1
C
D
E 450
Thyroid hormone receptor Vitamin D receptor Retinoic acid receptor Orphan receptor
A sejt válaszkészségének változása
1. Down- és up-reguláció - a ligand (hormon) hatékonysága órák, napok, hetek percek alatt csökken - a sejtválasz a ligand (hormon) koncentrációjának függvényében változik
2. Deszenzitizáció (tachyphylaxis) - a ligand (hormon) hatékonysága percek alatt csökken
2.1 homológ deszenzitizáció 2.2 heterológ deszenzitizáció
2. Deszenzitizáció - egy receptort érintı folyamat - receptor szinten megvalósuló folyamat - receptort tartalmazó kiszakított membrándarabon is megfigyelhetı lehetséges mechanizmus: - foszforiláció, arestin - internalizáció - a receptor lebontása
2.2 Heterológ deszenzitizáció - különbözı receptorokat érintı folyamat - a hormon folyamatos jelenléte esetén alakul ki - a különbözı jelátviteli útvonalak - közös G protein tehetı felelıssé
glucagon
a cAMP mennyisége
2.1 Homológ deszenzitizáció
Idı
adrenalin
glucagon
agonista
adrenalin
GS adenylát cikláz
ATP
cAMP
II. Szignál-transzdukciós útvonalak - rendszerint többlépcsıs folyamat - fı mecanizmusa a fehéje foszforiláció - protein kinázok (Ser vagy Thr) - a foszforiláció aktiválja (vagy inaktiválja) a fehérjéket - a sejtek specifikus protein kinázok százaival rendelkeznek.
másodlagos hívivık: - nonprotein, hidrofób molekulák - cAMP - cGMP - IP3, DAG - Ca2+
Az intracelluláris szignalizációs útvonalak elınyei 1. A bemeneti jel erısítése - 1 hormon kötıdik 1 receptorhoz - 1 receptor 10 transzducer molekulát aktivál - 1 transzducer molekula 10 enzimet aktivál - 1 enzim 10 second messenger molekulát termel
A jelátviteli folyamat kikapcsolása - a G-protein ciklus kikapcsolása - receptor deszenzitizáció - cAMP lebontása (foszfodieszteráz) - a jelátviteli folyamatok kikapcsolása elsısorban a foszfatázok feladata: -a protein foszforiláció a kinázok és a foszfatázok egyesúlyának függvénye - a ligandok hiányában a foszfatázok aktivitása dominál
jelentısége: biztosítja a sejt válaszképességét
Az intracelluláris szignalizációs útvonalak elınyei 2. A hormonhatások integrációja (konvergencia)
Az intracelluláris szignalizációs útvonalak elınyei 3. A jelátviteli útvonalak integrációja
Kérdések: Számos receptor kapcsolódik a cAMP és cGMP jelátviteli útvonalhoz akkor hogyan valósul meg a specifikus sejtválasz? Egy sejten belül számos adenilát és guanilát cikláz (AC, GC) izoforma megtalálható. Mi a feladatuk? Miért van olyan sokféle foszfodieszteráz (PDE) izoforma egy sejten belül? A ciklikus nukleotidok szabadon diffundálnak a sejten belül?
A jelátviteli útvonalak térbeli és idıbeli kompartmentalizációja
Adenilát cikláz (AC) : 9 izoforma ismeretes (AC1-9) szívizomban AC5 és AC6 izoformák vannak jelen
AC5
purinergic receptors
AC6
β adrenergic receptors
PKC
Guannilát cikláz (GC) : pGC izoforma, a plazmamembránban található aktivátorai: Atrial Natriuretic Pepetide Brain Natriuretic Pepetide C-type Natriuretic Pepetide
sGC izoforma, intracellulárisan található aktivátora: NO
A jelátviteli folyamatok térbeli kontrollálása u.n. horgonyzó protein (scaffold protein) segítségével
- az IC tér egy adott részére (kompartmentre) korlátozza a jelátviteli folyamatot
- egy scaffold protein több jelátviteli láncban szereplı molekulát is helyhez köthet, ami lehetıvé teszi a jelátviteli útvonalak konvergálását
Bers et al. Cirs. Res. 2001;89;373-375
Signaling pathways of the major cardiac adrenoceptor subtypes β2 AR
Gs
Gi
β1 AR
α1 AR
Gs
Gq
Gβγ βγ PDE4
Src Ras
cAMP
PI3K CaMKII
Raf Akt MEK
PLC
AC IP3 reserve +INOTROPIC EFECT
PKA Ca2+
reserve LCa
ERK Apoptosis
III. A sejtválasz Ugyanaz a ligand két különbözı sejten eltérı választ válthat ki: - a sejtek nem egyforma proteinekkel vannak felszerelve - a jelátviteli folyamatban résztvevı proteinek közül legalább egy különbözik
DAG
PKC
IV. Receptorbetegségek - Graves-Basedow betegség a TSH-receptor elleni antitest TSH szerő hatása -myasthenia gravis antitestek a nikotin típusú ACH-receptorok ellen -a diabetes mellitus bizonyos típusai az inzulin-receptor elleni antitest az inzulin kötıdését utánozza deszenzitizáció az endogén inzulinnal szemben -pseudohypoparathyreoidismus kóros G protein mőködés a parathormon kötıdése nem okoz cAMP szint növekedést - aszthmás betegek katekolaminokkal szembeni csökkent érzékenysége β-adrenerg agonisták rendszeres használata down-reguláció
