Řízení dějů v buňce Buněčná signalizace - soubor dějů - mají podíl na vzájemné komunikaci buněk Endogenní signalizace - signální molekuly (ligandy) jsou vylučovány buňkou (např. růstový faktor, cytokin…): a) na buněčný povrch b) do mimobuněčného prostoru Buňky přijímají většinou signál vazbou ligandu se specifickým receptorem Aktivovaný receptor spustí tzv. signalizační kaskádu, která reguluje aktivitu cílových genů
Řízení dějů v buňce Obecné schéma buněčné signalizace • Signalizace je zahájena vazbou ligandu se specifickým receptorem na buněčné membráně nebo nitrobuněčným receptorem • Po navázání ligandu aktivovaný receptor spustí tzv. signalizační kaskádu • Účastní se řada proteinů (sekundární poslové), z nichž každý je aktivován tím předcházejícím • Odehraje se tak řada nitrobuněčných pochodů v celém buněčném prostoru
BUNĚČNÁ SIGNALIZACE (mezibuněčná komunikace) • Zajišťuje koordinaci pochodů v organismu • Buňky geneticky naprogramovány tak, že mohou na signální látky reagovat selektivně podle vývojového stadia organismu a typu buněk • Přenos signálu od signální molekuly do jádra je zprostředkován mnohastupňovým signalizačním systémem
Řízení dějů v buňce Aktivita a množství enzymů zajišťuje koordinaci pochodů v organismu a) ovlivnění transkripce b) posttranskripční úpravy mRNA c) regulace translace d) cílený transport enzymů, proteolýza e) fosforylace, acetylace, metylace ….
BUNĚČNÁ SIGNALIZACE (endogenní) Signalizační systém: • Povrchové a nebo nitrobuněčné receptory • Proteinkinasy, proteinfosfatasy, G proteiny, ATP a další molekuly • Signální molekuly (ligandy) - uvolnění z buněk exocytózou nebo difuzí plasmatickou membránou • K cílovým buňkám přepravovány (např. hormony) nebo vázány k povrchu secernující buňky • Cílová buňka reaguje se signálními molekulami pouze prostřednictvím receptorů • Vazba s receptorem je vysoce specifická ligand-receptorové komplexy
Řízení dějů v buňce • Endokrinní signalizace - na delší vzdálenost, ovlivňování vzdálených tkání • Parakrinní signalizace – na krátkou vzdálenost; např. testosteron z Leydigových buněk ve varlatech účinkuje na buňky semenotvorných semenných kanálků
• Neurokrinní signalizace – signální molekuly vylučované nervovými buňkami působí na jiné buňky jako neurotransmitery nebo jako neurohormony • Autokrinní signalizace – vylučovaná signální látka se váže na tutéž buňku (tkáň), v níž vznikla • Juxtakrinní signalizace – mezi dvěma sousedními buňkami; propojení membránovými proteiny a receptory; typické pro různé růstové faktory (jako TNFalfa, EGF…) • Intrakrinní signalizace – úprava signální molekuly v cílové tkáni : a) Je zcela změněna b) Je zvýšena/snížena biologická aktivita (např. thyroxin se enzymaticky mění na trijodthyroxin s odlišnou aktivitou)
SIGNÁLNÍ MOLEKULY Lipofilní signální substance (téměř nerozpustné ve vodě – • • • • • • •
hydrofóbní) Např. steroidní hormony (gestageny, kortikoidy, androgeny, estrogeny, prostaglandiny), thyroidní hormony (thyroxin), vitamin D, retinoidy (deriváty vitaminu A - retinolu) a další Hormony - secernovány do krevního řečiště, v krvi reversibilní vazba na bílkovinné nosiče Po vazbě s receptorem cílové buňky z vazby uvolněny Vstupují do buňky plasmatickou membránou prostou difuzí V buňce se reversibilně váží na nitrobuněčné receptory Působí i na velké vzdálenosti od místa sekrece Přenos je pomalý
SIGNÁLNÍ MOLEKULY Lipofóbní signální substance (převážně substance rozpustné ve vodě) – vazba s receptory plasmatické membrány Například: • Růstové faktory (většinou produkty protoonkogenů) • Hormony insulin a glukagon (hormon produkovaný A-buňkami slinivky břišní-antagonista inzulinu)
• Produkty buněk mesenchymálního původu, makrofágů, granulocytů, lymfocytů (cytokiny - řadí se též mezi růstové faktory) • Interleukiny; Interferony • Katecholaminy (dopamin, adrenalin, noradrenalin) jsou přenašeči nervových vzruchů na synapsích - hlavním zdrojem katecholaminů jsou buňky dřeně nadledvin, uvolňují je do krevního řečiště • Aminokyseliny, nukleotidy, atp.
BUNĚČNÁ SIGNALIZACE - přenos signálu
Protoonkogeny a buněčná signalizace Kódují MOLEKULY všech úrovních SIGNÁLNÍCH DRAH → signální molekuly, receptory, tzv. sekundární molekuly … REGULACE BUNĚČNÉHO MNOŽENÍ
PROTOONKOGENY – geny se skrytým onkogenním potenciálem
SIGNÁLNÍ MOLEKULY • Růstové faktory – působí v komplexu se specifickým membránovým receptorem převážně s tyrosinkinasovou aktivitou • Růstové faktory stimulují proliferaci, regulují proteosyntézu, buněčný růst, diferenciaci buněk, jejich vyzrávání, migraci • Některé růstové faktory (často v závislosti na množství) buněčnou proliferaci inhibují (například transformující růstový faktor beta - TGF-β) • Působí jak specificky, tak pleiotropně • Často nutná kombinace účinku více faktorů •
Na převodu signálu do nitra buňky se podílejí tři typy membránových receptorů: a) iontové kanály, b) receptory, které aktivují G proteiny (GTP/GDP), c) receptory s enzymovou aktivitou
RŮSTOVÉ FAKTORY - vybrané příklady Rodina růstových faktorů PDGF/VEGF PDGF - destičkové růstové faktory (platelet-derived growth factor) • Několik isoforem růstových faktorů PDGF → protoonkogeny na různých chromosomech (např. gen PDGFA - chromosom 7p22, PDGFB - chromosom 22q13, PDGFC - chromosom 4q32) • Mohou navzájem kooperovat → pleiotropní účinky • PDGF jsou převážně uvolňovány z krevních destiček, ale i z jiných hematopoietických a epiteliálních buněk • Stimulují buněčnou proliferaci fibroblastů, buněk hladké svaloviny, neurogliálních buněk atp., • Významná úlohu v embryonálním období a při hojení ran EPO (erythropoietin) - specificky působící růstový faktor • Má pouze vliv na proliferaci prekursorů erytrocytů • Jeho zdrojem jsou hepatocyty a ledviny
RŮSTOVÉ FAKTORY - pokračování • VEGF - cévní endoteliální růstové faktory (vascular endotheliar growth factor - chromosom 6p21) • Odlišný sestřih transkriptu téhož genu → několik isoforem VEGF (VEGFA, VEGF-B, VEGF-C, VEGF-D, VEGF-E) • Jednotlivé isoformy VEGF podporují angiogenezu, vaskulogenezu, růst endoteliálních buněk, podněcují permeabilizaci cévních stěn • Aktivita genu VEGF je regulována jinými růstovými faktory (např. FGF-2), cytokiny (např. IL-8), gonadotropiny, NO, hypoxií a hypoglykemií
RŮSTOVÉ FAKTORY - pokračování • EGF (epidermální růstový faktor) stimuluje proliferaci epidermálních i neepiteliálních buněk • FGF (fibroblastové růstové faktory) - proliferace fibroblastů, chondrocytů, stimulace angiogeneze • Členové rodiny NGF (nervový růstový faktor) - podpora přežití a růstu neuronů • GGF (gliový růstový faktor) stimuluje Schwanovy buňky a astrocyty • TGF-alfa a TGF-beta - rodina strukturně odlišných transformujících růstových faktorů, působí nepřímo - transkripční faktory • TGF-alfa stimuluje mitózu, podporuje hojení ran, stimuluje zánětlivé reakce • TGF-beta inhibuje mitózu, má protizánětlivý účinek. Inhibice buněčné proliferace souvisí s aktivací inhibitorů Cdk-proteinkinas → např. tumor-supresorový gen Rb1
Receptory aktivující G proteiny • Jediný polypeptidický řetězec - tři části: (i) vně plasmatické membrány, (ii) prostupující plasmatickou membránou a (iii) uvnitř buňky • K vnější části se váže signální molekula - mění konformaci receptoru a aktivuje ho • K vnitřní části se po aktivaci receptoru váží G proteiny • G proteiny (GTP-vázající regulační proteiny) převádějí signál od receptoru k dalším signálním molekulám v buňce • Jsou tvořeny třemi podjednotkami - alfa, beta a gama (trimerické GTPasy) • G proteiny aktivují enzymy, které podněcují vznik nitrobuněčných mediátorů signálu (sekundárních poslů)
α
Receptor aktivující G proteiny (GTP/GDP) (G protein – podjednotky α,β,γ)
G protein: podjednotky α, β, γ
βγ
signální molekula (např. hormon)
α
βγ
GDP
receptor
Gs protein
adenylatcyklasa komplex signální molekula – receptor (aktivovaný) α
βγ adenylatcyklasa
GTP
GDP GDP
komplex signální molekula – receptor (aktivovaný) βγ
hydrolýza GTP
adenylatcyklasa α
komplex signální molekula - receptor hormon βγ
GTP
α GTP adenylatcyklasa
cAMP
proteinkinasa A
fosforylace serinů a threoninů regulačních proteinů
Aktivace a inaktivace G proteinů KOMPLEX ligand-receptor Signalizační kaskáda GDP → GTP Aktivní Inaktivní
G-protein RAS / GTP
G-proteinRAS /GDP
GTPasy → GDP Hydrolýza GTP → GDP
Protoonkogen ras • Produkty protoonkogenů ras - G proteiny • Proteiny Ras regulují buněčnou proliferaci a diferenciaci pomocí posttranslační úpravy bílkovin – fosforylací • Aktivace Ras proteinů - fosforylace tyrosinů tyrosinkinasami • Signál v cytosolu předán MAP-kinasam (mitogen-activated protein kinases) • Aktivované Ras proteiny fosforylují a tím aktivují kaskádu tří typů MAP-kinas • MAP-kinasy - první MAP-kinasa (Raf) a druhá v pořadí - fosforylace serinů, threoninů a nebo i tyrosinů; třetí MAP-kinasa jak threoniny tak tyrosiny) • Třetí MAP-kinasa → vstup do jádra → fosforylace regulačního proteinu genů časné odpovědi (geny myc, jun a fos) • Produkty genů myc, jun a fos stimulují transkripci genů pozdní odpovědi →např. cyklinů a cyklin-dependentních proteinkinas
Signální dráha - protein Ras
Mezibuněčná komunikace
Gap-junction • Spojení plazmatické membrány sousedících buněk a vytvoření úzkých kanálků, zejména velký význam v průběhu embryonálního vývoje živočichů • Výměna malých intracelulárních molekul jako jsou Ca2+ a cyklický 3',5'-adenosinmonofosfát (cAMP)
Neurokrinní signalizace - Iontové kanály Iontové kanály se nacházejí v plasmatických membránách elektricky vzrušivých buněk → rychlá synaptická signalizace • Signální látky převážně neurotransmitery: katecholaminy (dopamin, adrenalin, noradrenalin); buňky dřeně nadledvin je uvolňují do krevního řečiště • Neurotransmitery přechodně otevírají nebo uzavírají iontové kanály - tím mění dráždivost buněčných membrán
Mezibuněčná komunikace neurokrinní Iontové kanálky Podráždění nervové buňky a i vedení nervového vzruchu → nerovnoměrná hladina sodíku a draslíku uvnitř a vně buňky Na vnitřní straně buněčné membrány vyšší hladina draslíku a nižší hladina sodíku; na vnější straně buněčné membrány naopak Při podráždění - náhlá propustnost membrány buňky; sodné ionty proudí dovnitř buňky - dochází ke vzniku akčního potenciálu
Synaptická komunikace Synaptická signalizace Přenos neurotransmiterů mezi synaptickým zakončením axonu a cílovou buňkou - prostor chemické synapse V prostoru chemické synapse se nachází konec axonu v těsném kontaktu s receptory cílové buňky anebo iontovými kanály. Těsný kontakt axonu a cílové buňky umožňuje velice rychlý přenos neurotransmiteru (v milisekundách i rychleji) Různé neurony uvolňují vždy tytéž neurotransmitery, ale cílové buňky reagují specifickým způsobem podle typu buněk Neurotransmiterů je vylučováno velké množství → receptory cílových buněk k nim mají nízkou afinitu → rychlá disociace neurotransmiteru z receptoru
Synaptická komunikace
Neurohormony hypotalamo-hypofyzární systém Hypotalamus – koordinuje nervové a endokrinní funkce → udržování homeostázy Řídí • funkci hypofýzy – tím ovládá sekreci většiny hormonů • signály pro biorytmy • autonomní nervový systém → působení na buňky tkání a na orgány
Na úrovni buněk → orgánů → organismu řídí a) metabolismus b) produkci a výdej tepla c) krevní oběh a tlak d) dýchání e) hladinu glukózy f) iontové složení tělních tekutin g) vyměšování atd… ..
