A Sejtkommunikáció Alapjai: a Jelutak Komponensei
JELUTAK 2. A Jelutak Komponensei TARTALOM - 1. Előadás: A jelutak komponensei 1. Egy egyszerű jelösvény 2. Jelmolekulák 3. Receptorok 4. Intracelluláris jelmolekulák 1.1.
1
Egy tipikus jelösvény sémája
A jelfolyamat első lépése tehát a ligand (elsődleges hírvivő) kapcsolódása a receptorhoz (az ábrán egy G-protein-kapcsolt receptor látható). A G fehérje a transzducer (átalakító), amely az elsődleges (primer) effektorra hat (a cAMP rendszernél ez az adenil cikláz, a foszfoinozitol rendszernél pedig a foszfolipáz C). A primer effektor képezi a másodlagos hírvivő molekulát (cAMP rendszernél a cAMP maga, a foszfoinozitol rendszernél pedig az IP3 és a DAG, melyek a PIP2-ből származnak, ami rendszerint egy kisebb molekula. A másodlagos hírvivő aktiválja a másodlagos (szekunder) effektor molekulát (a cAMP rendszernél a protein kináz A; a foszfoinozitol rendszernél pedig a protein kináz C és a Ca2+; (megjegyzés: a Ca2+-ot gyakran másodlagos hírvivőnek tekintik), amely további effektor molekulát aktivál (esetleg gátol). A legtipikusabb aktiváló mechanizmus a foszforilációs kaszkád, melynek során különböző kináz molekulák megfelelő időrendi sorban foszforilálják egymást. A foszforiláció megváltoztatja a fehérjék térszerkezetét, ami rendszerint aktív állapotba kapcsolást jelent. A deaktivációt különféle foszforiláz enzimek végzik el a foszfát csoportok eltávolítása révén. Több száz különféle kináz enzimet kódoló gén fordul elő az emlős genomban, ami a fontos szerepükre utal. A szignál transzdukciós kaszkád a célfehérjék működésének megváltozására irányul, ami pedig a sejtműködés megváltozását okoz(hat)ja (sejtválasz). Célfehérjék lehetnek az anyagcsere enzimjei (megváltozhat az anyagcsere); egy ioncsatorna (megváltozhat az ion miliő); egy transzkripciós faktor (megváltozhat a gén expresszió); egy sejtváz fehérje (megváltozhat a sejt alakja és/vagy mozgása). A feltételes mód használata azért indokolt, mert a sejt egy olyan automata, amely képes felülbírálni egy jel hatását (másik jelek hatására), vagy azért nem hajtja végre a parancsot, mert túl alacsony intenzitású a jel. A sejt válasza rendszerint a jel intenzitásától függ: erősebb jel esetén nagyobb a válasz. Az idegsejtekben a bejövő inputok (neurotranszmitterek) fokozatos választ alakítanak ki a sejttestben (folyamatos ion gradiens), de a kimenő jel (akciós potenciál) diszkrét, konkrétan, mindig ugyanolyan nagyságú, és ebből kifolyólag digitális (igen/nem alapú). Tehát, a jel erősségét egy neuronban az akciós potenciálok gyakorisága (és nem az erőssége) kódolja. Megjegyzés: a fentiektől eltérően, a jelátalakításában és továbbításában résztvevő fehérjéket jeltovábbító (signaling) fehérjéknek-, a sejtélettani feladatot ellátó célfehérjéket pedig effektor fehérjéknek nevezik.
1.2.
Jelmolekulák
A jelmolekulák (ligandok)
feladata a sejtek közötti információ szállítása. Amikor el akarjuk különíteni őket a sejten belüli jelfolyamat komponenseitől, akkor külső (vagy elsődleges) jelmolekuláknak nevezzük őket. A jelmolekulákat a küldő sejtek választják ki, melyeknek át kell hatolnia a sejteket elválasztó résen, majd a fogadó sejt receptorához kapcsolódva, választ váltanak ki a ALAPKÖVETELMÉNY
15. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
A Sejtkommunikáció Alapjai: a Jelutak Komponensei jelet felfogó sejtben. A jelmolekulák főbb típusai a következők: hormonok, növekedési és differenciálódási faktorok, citokinek, neurotranszmitterek, nitrogén monoxid (NO), stb. A szervezet jelmolekuláihoz hasonló molekulák találhatók a természetben is, illetve az ember maga is elő tud állítani ilyet. A koffein, a nikotin és egyes drogok hasonlítanak a természetes bizonyos természetes ligandokra, s ezért felismeri őket a megfelelő receptor. A gyógyszerek és a mérgek egy része is a receptorainkhoz kapcsolódó anyag. Ezekkel a szerekkel tehát kívülről irányíthatjuk a sejtjeink kommunikációját, azaz, a szervezetünk működését. (citokinek és növekedési faktorok lásd külön file: itt extra követelmény)
Idegen jelek Az egyes jelutakra nem csupán endogén (belső, saját) jelek hathatnak, hanem kívülről származó természetes és szintetikus anyagok is; pl. mérgek, drogok nikotin, koffein, gyógyszeripari termékek, stb.
1.3.
Receptorok
A receptorok feladata a jelek felfogása és ezek átalakítása másféle jelekké, melyet aztán felismer a sejt jelfeldolgozásra szakosodott apparátusa, s elvégzi, vagy éppen „megtagadja” a bejövő parancsot. A receptorok és a ligandok kapcsolatát a kulcs – zár viszonnyal szokás szemléltetni; a receptor jelfelfogó részének olyan a térszerkezete, hogy a ligand éppen beleillik. A térbeli „komplementaritás” azonban nem elég, a két molekula megfelelő kémiai kötések kialakulására is képes kell, hogy legyen. A receptorok nagyfokú affinitással rendelkeznek a jelmolekulák iránt. Sok esetben azonban nem jó a túlzott érzékenység egy bizonyos jelre, mert ilyenkor a sejt a „zajra” is reagál. A receptorokat csoportosíthatjuk, többek között, a sejten belül való elhelyezkedésük alapján. Eszerint beszélhetünk citoplazmatikus (más szóval nukleáris) és sejtfelszíni receptorokról. A citoplazmás receptorok (= nukleáris receptorok) tipikus ligandjai a szteroid hormonok, melyek lévén viszonylag kis molekulasúlyú lipofil (zsíroldékony) molekulák, könnyen átjutnak a sejtmembránon, ahol a receptorhoz kapcsolódva azt transzkripciós faktorrá alakítják. A recepor-ligand komplex a magmembránon áthaladva hozzákapcsolódik az őt felismerő promóter vagy enhanszer DNS szekvenciákhoz, s ezáltal serkenti a megfelelő gének kifejeződését. A sejtfelszíni receptoroknak 3 fő típusuk van, melyek az ionotróp (ioncsatorna-kapcsolt), a G-protein-kapcsolt, és enzim-kapcsolt receptorok.
1. Receptor nélküli jelút A nitrogén monoxid (NO) egy olyan jelmolekula receptorhoz való kötődés nélkül fejti ki a hatását, amely nagyon sokrétű lehet. Az izom összehúzódásra kifejtett hatását. A folyamat első lépése az, hogy a vérerek falát alkotó endotél sejtek serkentő jeleket kapnak az azokat beidegző neuronoktól acetil kolin (Ach) neurotranszmitter molekulák formájában. Az Ach a receptorához kapcsolódva egy olyan folyamatot indít el, melynek során aktiválódik az NO szintetáz enzim, amely arginin aminosavból nitrogén monoxidot (NO) produkál. Az NO átdiffundál az endotél sejtekből a simaizom sejtekbe, ahol a guanil cikláz enzimhez kapcsolódva a GTP → ciklikus (c)GMP átalakulást katalizálja. A cGMP egy jel molekula (másodlagos hírvivő), ami egy szignál transzdukciós kaszkádot beindítva, a sima izomsejtek relaxációját okozza, ami végeredményben a fokozott véráramlást segíti elő. A nitroglicerint, mint szívgyógyszert közel 100 éve használják az angina pectoris (fájdalom a szívben: az elégtelen véráramlás következtében kevés vér jut a koronáriákba, s így a szívizom oxigén ellátása nem megfelelő) tüneteinek enyhítésre. A nitroglicerin hatásának az alapja pedig azon alapul, hogy NO képződik belőle a szervezetben. A Viagra impotencia elleni gyógyszer hatásának alapja pedig az, hogy a hatóanyaga blokkolja a cGMP degradációját, ezzel meghosszabbítja az NO hatását. Ha úgy értelmezzük, hogy az NO az elsődleges jelmolekula, akkor valóban receptor nélküli hatásról van szó. Ha viszont jelmolekulának az acetil kolint tekintjük, akkor az NO olyan másodlagos hírvivőként is felfogható, amely nem a képződési helyén, hanem egy másik sejtben fejtik ki a hatását. Egy harmadik értelmezési lehetőség, hogy a guanil ciklázt tekintjük receptornak. Az NO kardiovaszkuláris rendszerben való szerepének tisztázásáért 1998-ban három kutatót részesítettek Nobel-díjban. ALAPKÖVETELMÉNY
15. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
2
A Sejtkommunikáció Alapjai: a Jelutak Komponensei 2. Intracelluláris receptorok által közvetített jelutak A hidrofób molekulák, mint a kortizol (glükokortikoid), az ösztradiol és tesztoszteron (szex hormonok) és a tiroid hormonok, mint például a tiroxin, lévén lipofil molekulák, képesek átjutni a sejtmembránon, ahol egy intracelluláris (más néven, nukleáris) receptorhoz kapcsolódnak. Az intracelluláris receptorok tulajdonképpen inaktív transzkripciós faktorok, amelyeket a hormon kapcsolódása aktivál. A szteroid hormon receptorok alapvetően fontos szerepet játszanak az életfolyamatok irányításában, amit jól jelez például a tesztoszteron hormon hiánya embernél. Az ilyen egyedek genetikailag férfiak (van Y kromoszómájuk), de nőként fejlődnek (bár terméketlenek). Egy példa: a glükokortikoid receptor a citoplazmában inaktív állapotban van (a hsp90 chaperon hozzákapcsolódva gátolja). A szteroid hormon kötődése eltávolítja a chaperont, aminek hatására a receptor dimer szerkezetűvé válik, s így a dimer receptor/hormon komplex bejut a sejtmagba, ahol hozzákapcsolódik egy, a promóter régióban található, DNS motívumhoz (GRE: glucocorticoid response element; glükokortikoidra reagáló elem), amely azt eredményezi, hogy a GRE-t tartalmazó gének működésbe lépnek (transzkripció indul el róluk). Több transzkripciós faktorként funkcionáló nukleáris receptor nem közvetlenül aktiválja a megfelelő elemeket tartalmazó géneket, hanem a nukleoszómákat távolítja el a DNS-ről, s így a valódi transzaktivátor transzkripciós faktor hozzá tud kapcsolódni a promóterhez. Valójában, az aktivált magi receptorok elsődleges válasz-gének leíródását indukálják. E fehérje termékek egyik típusa aktiválja a másodlagos válasz-géneket, a másik típusa pedig gátolja az elsődleges válasz-gének további kifejeződését. Az elsődleges válasz-gének termékei tehát transzkripciós faktorok, a másodlagos válaszgének termékei viszont effektor molekulák, melyek a citoplazmában működnek.
3. Sejtfelszíni receptorok által közvetített jelutak A jelmolekulák túlnyomó többsége túl nagyméretű vagy hidrofil, ezért nem képes átjutni a célsejt membránján. Ezek a jelmolekulák olyan receptorokhoz kapcsolódnak, amik átnyúlnak a membránon. Ezek a transz-membrán receptorok átalakítják, majd tovább küldik jelet a sejt belseje felé. A sejtfelszíni receptorok három nagycsaládba tartoznak (1) ioncsatorna-kapcsolt receptorok; (2) G protein-kapcsolt receptorok, ill. (3) enzim-kapcsolt receptorok. Ez utóbbi receptorok lehetnek (a) maguk az enzimek (pl. receptor tirozin kinázok), vagy (b) kacsolódhatnak egy enzimhez. 3a. Az Ioncsatorna-kapcsolt receptorok (más neveken: ionotróp receptorok, ligand-vezérelt ioncsatornák, neurotranszmitter-vezérelt ioncsatornák). Amikor egy jelmolekula kapcsolódnak hozzájuk, úgy változtatják meg a térszerkezetüket, hogy a pórusaik kinyíljanak, s ezeken keresztül az ionok (Na+, K+, Ca2+, Cl-) az elektrokémiai gradiensük mentén szabadon vándorolhatnak a citoplazma és az extracelluláris tér között, melynek eredménye a membrán potenciál megváltozása lesz egyetlen milliszekundumon belül. Ez a változás idegi impulzust eredményezhet közvetlenül, vagy megváltoztatja más szignálok képességét, hogy akciós potenciált hozzanak létre. Míg az ion-csatorna-kapcsolt receptorok főként az ingerelhető sejtekben (ideg, izom) fordulnak elő, a G-protein- és az enzimkapcsolt receptorok gyakorlatilag minden sejtben jelen vannak. Részletesebben ld. Idegi kommunikáció c. előadás. 3b. G protein-kapcsolt receptorok (GPCR) A G-protein-kapcsolt receptorok (GPCR, G protein-coupled receptor) a legnagyobb receptor családot alkotják. A GPCR-ek a külvilágból és más sejtektől érkező jeleket közvetítenek a sejt belseje felé. Alapfelépítésükre jellemző a hét transz-membrán szegmens. Külső jel hatására a receptor térszerkezete megváltozik, ami a közelben tartózkodó G-fehérjéket aktiválja. A G fehérjék neve a GTP-t kötő fehérjék rövidítéséből származik. A GPCR-hez úgynevezett trimer (három alegységből álló: α, β és γ) G fehérje kapcsolódik. Egy tipikus emlős genom ezer szaglással kapcsolatos GPCR gént kódol. Az egér DNS-e valamivel többet az átlagnál, mivel néhány újkeletű génkettőződés, majd funkcionális szétválás ment e fajnál végbe. Érdekes módon, az emberi genomban csupán 400 GPCR gén működőképes, a többi 600 pszeudogénné mutálódott. (Az emberi GPCR szupercsalád osztályai lásd itt: extra követelmény) A GPCR-eken ható jelmolekulák lehetnek fehérjék és kis polipeptidek (például hormonok, lokális mediátorok), valamint aminosavak, zsírsavak, ALAPKÖVETELMÉNY
15. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
3
A Sejtkommunikáció Alapjai: a Jelutak Komponensei fotonok, valamint íz és szag molekulák. Ugyanaz a jelmolekula különféle családhoz tartozó GPCR-eket aktiválhat; például az adrenalin legalább 9, az acetil kolin 5, a szerotonin pedig legalább 14 különféle GPCR-re hat. Ezek a különféle receptorok rendszerint más-más sejttípusnál találhatóak, s különböző válaszokat eredményeznek. GPCR kinázok (GRK; G protein-coupled receptor kináz) Egy GRK enzim csak aktivált receptorokat foszforilál. Az Arrestin molekula kapcsolódása a GPCR-el foszforilált helyeihez megakadályozza a receptor G proteinhez való kapcsolódását. A GRK által közvetített receptor inaktiváció a receptor deszenzitizációját okozza abban az esetben, ha a receptor hosszú ideig, nagy koncentrációjú jelmolekula hatásának van kitéve. G protein (trimer G protein) aktiváció és inaktiváció Egy extracelluláris szignál molekula kötődése a GPCR-hez, megváltoztatja annak térszerkezetét, ami a G proteinek aktivizálódását okozza. Néhány esetben a G fehérje már a receptor aktiválódása előtt is a receptorhoz kapcsolt állapotban van, a jellemző azonban az, hogy a G fehérje receptorhoz való kapcsolódását az utóbbi ligand általi aktivációja idézi elő. Többféle G protein létezik, melyik mindegyike specifikusan bizonyos GPCR-ekkel, ill. intracelluláris jelfehérjékkel együtt fordul elő. A G fehérjék 3 alegységből állnak: , és . A G fehérjéket az alegységeik szerint a következőképpen osztályozhatjuk: Gs ; Gi ; G0 (s: stimulatory stimuláló; i: inhibitory - gátló; 0: egyéb). Nem-stimulált állapotban az alegységhez GDP kötődik, s így a G protein inaktív. Az aktivált GPCR úgy hat, mint egy GEF (guanine nucleotide exchange factor), azaz, indukálja az alegységet, hogy eressze el a GDP-t, s így lehetővé válik annak helyén a GTP megkötése. A GTP kötődés hatására a komplex leválik az alegységről, s szintén aktiválódik. A G protein két aktivált része - az alegység és a komplex – ezt követően kapcsolatba lép más komponensekkel, s ezáltal aktiválja azokat. A disszociált állapotban eltöltött időt az alegység GTPáz aktivitása határozza meg. A re-asszociáció néhány mp alatt megtörténik, s ez a szignál folyamatok végét jelenti. A kolera toxin a belek sejtjeibe jut, ahol módosítja az alegységet olyan módon, hogy az nem lesz képes a GTP elbontására, ezért hosszú ideig aktív állapotban marad, amely belekbe való intenzív vízkiválasztást eredményez, s kezelés hiányában (gyakran akkor is) kiszáradáshoz vezet. A G proteinek alegységei nem minden esetben válnak szét aktív állapotban. 3c. Az enzim-kapcsolt receptorok aktiválódhatnak növekedési faktorok, citokinek és hormonok által. Az enzim-kapcsolt receptorok esetében vagy maga recepor az enzim (pontosabban annak citoplazmás doménje), vagy a receptor komplexet képez enzim funkciójú fehérjékkel. Ezek a receptorok rendszerint lokális jelfolyamatokban vesznek részt, melyek főként a sejtszaporodást, a differenciálódást és a sejt túlélést irányítják. A tirozin kináz génekben történő mutáció különféle betegségeket eredményezhet, pl. rák, neurodegeneráció, rák, achondroplasia (törpeség) és atherosclerosis (érelmeszesedés). 5 fő enzim-kapcsolt típust különböztetünk meg: 1. 2. 3. 4.
Receptor Tirozin Kináz (RTK): saját kináz aktivitással rendelkezik (pl. EGFR, VEGFR) Receptor Szerin/Treonin Kináz: saját kináz aktivitással rendelkezik (pl. TGF-βR) Receptor Guanil Cikláz: saját cikláz aktivitással rendelkezik (ANP) Tirozin-Kináz-Asszociált Receptorok: receptorok, amelyek tirozin kináz aktivitással rendelkező fehérjékkel kapcsolódnak (citokin receptorok) 5. Receptor Tirozin Foszfatázok Az enzim-kapcsolt receptorok legnagyobb családját az ún. receptor tirozin kinázok alkotják. Egy ligand kapcsolódása a receptor extracelluláris doménjéhez azt eredményezi, hogy két receptor molekula dimert képezve összekapcsolódik. Maga a jelmolekula is dimer szerkezetű, ezért tudja könnyen összekötni a két receptor alegységet (ld. ábra). Más esetekben, a ligand kapcsolódása megváltoztatja a receptor térszerkezetét olyan módon, hogy az ennek hatására dimerizálódik. A dimer kialakulása a receptor kináz doménjeit fizikai közelségbe hozza, aminek hatására a két domén foszforilálja egymást több tirozin oldalláncon (innen a tirozin kináz elnevezés). Minden foszforilált tirozin specifikus ALAPKÖVETELMÉNY
15. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
4
A Sejtkommunikáció Alapjai: a Jelutak Komponensei kötőhelyként szolgál több (10-20) intracelluláris jelátviteli fehérje számára, melyek a kapcsolódás hatására aktivizálódnak, s ezáltal jeleket közvetítenek különféle jelutak számára. Ezek a jelutak különféle biokémiai változásokat koordinálnak, amelyek komplex sejtválaszokat irányítanak, mint pl. sejtosztódás. A receptor aktivitásának megszüntetését tirozin foszfatáz enzimek végzik, melyek eltávolítják a foszfát csoportokat a receptorról (egyéb receptor inaktivációs stratégiákat illetően ld. később). Az egyes receptor tirozin kinázok különféle intracelluláris jelátviteli fehérjéket gyűjtenek össze, melyek különféle szignál folyamatokat irányítanak. A tirozin kináz receptor által irányított legfontosabb szignál transzdukciós folyamat a MAP-kináz jelút (MAP: mitogen-activated protein). A monomer G proteinek (monomer GTPázok) legismertebb képviselői a Ras proteinek. Három egymással rokon Ras protein található az emberi sejtekben (H-, K-, és N-Ras). A Ras egy vagy több kovalensen kötött lipid csoportot tartalmaz, amelyek segítenek a fehérje kötődéséhez a membrán citoplazmatikus (belső) felszínéhez. A Ras egyfajta molekuláris kapcsolóként funkcionál; két konformációs állapot között váltakozik: aktív, amikor GTP-vel kapcsolódik; és inaktív, amikor GDP-t köt. GEF: a citoplazmában lévő GDP-t GTP-vé alakítja, amely így a Ras molekulához kapcsolódik. GAP: a Ras molekulához kapcsolódó GTP-t GDP-vé alakítja, amely így leválik a Ras-ról.
1.4.
Intracelluláris jelmolekulák
(I) A kis intracelluláris mediátorok (másodlagos hírvivők) nagy mennyiségben termelődnek a receptor aktivációjának hatására, és gyakran a keletkezési helyüktől távolra diffundálnak, ami által a jelet a sejt más pontjaira is elterjesztik. A jelátalakító funkciójuk mellett, ezek a molekulák az eredeti jel amplifikációjában is kardinális szerepet játszanak. Gyakran, akár egyetlen ligand receptorhoz való kapcsolódása esetén is képesek a sejt biokémiai aktivitását alapvetően megváltoztatni. Néhány másodlagos hírvivő, mint pl. a ciklikus AMP és Ca2+, vízoldékonyak és könnyen diffundálnak a citoszólban, míg mások pl. diacilglicerol (DAG), zsíroldékony és a membrán belső felszínén mozog. Mindkét esetben a jelet azáltal továbbítják, hogy megváltoztatják bizonyos szignál fehérjék térszerkezetét. Négy fő másodlagos hírvivő osztályt különböztetünk meg: 1. 2. 3. 4.
ciklikus nukleotidok (például cAMP és cGMP) inozitol trifoszfát (IP3) és diacylglycerol (DAG) kalcium ionok (Ca2+) gázok (NO, CO)
(II) Az intracelluláris jelfehérjék a bejövő jelet továbbítják a sejtbe másodlagos hírvivő molekulák előállításával, vagy egy másik jelfehérje aktiválása útján. A jelfehérjék egy funkcionális hálózatot alkotnak, amelyben minden fehérje a jelfeldolgozásban segít az alább felsoroltak közül valamelyik módon (egy fehérje többféle módon is hathat). (1) Egy fehérje egyszerűen továbbítja a jelet a láncban utána következő jelfehérjének. (2) A fehérje működhet állvány (scaffold) proteinként; ilyenkor a funkciója a jelút komponensek összegyűjtése, ami a reakció gyors és hatékony végrehajtását eredményezi. (3) A fehérje átalakíthatja a jelet egy másfajta jellé. (4) A fehérje felerősítheti az eredeti jelet azáltal, hogy sok másodlagos hírvivőt állít elő, vagy sok downstream jelmolekulát aktivál. Abban az esetben, amikor több amplifikációs lépés történik a jeltovábbítás során, szignál kaszkádról beszélünk. (5) A fehérje két vagy több jelút felől is kaphat inputokat, s így a jel integrációban játszik szerepet. Az ilyen fehérjéket koincidencia detektoroknak nevezzük (koincidencia = együtt előfordulás). (6) A fehérje közvetítheti a jelet az egyik szignál útvonaltól egy másik felé, elágazásokat okozva ezáltal, ami a jelre adott válasz komplexitását növeli. (7) A fehérje kihorgonyozhat más jelfehérjéket olyan sejtbeli struktúrákhoz (például membránok, DNS, stb.), ahol ezek a fehérjék el kell, hogy végezzék a feladataikat. (8) Ezek a fehérjék modulálhatják más jelfehérjék működését, ami által módosíthatják a válasz erősségét. A jelutak komponenseinek aktiválása és gátlása Sok intracelluláris szignál protein molekuláris kapcsolóként működik. Amikor egy jelet felfognak, inaktívból aktív állapotba váltanak, s abban is ALAPKÖVETELMÉNY
15. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
5
A Sejtkommunikáció Alapjai: a Jelutak Komponensei maradnak, amíg egy másik jel nem inaktiválja őket. A foszforiláción (és defoszforiláción) alapuló molekuláris kapcsolók két fontos osztályát különböztetjük meg: az egyik osztály esetében a fehérjékhez foszfát csoport kapcsolódik, a másik esetében pedig GDP – GTP csere játszódik le. A szignál fehérjék aktivitásánák módosítása egyéb folyamatok által is történhet (ld. lentebb). 1. Foszforiláció 2. GTP-kötés 3. Másodlagos hírvivővel való kapcsolódás 4. Proteolitikus hasítás 5. A gátló fehérje (chaperon) leválasztása 6. Ubikvitináció
6
Protein kinázok: protein foszforiláció A szignálfehérjék legnagyobb osztályát a foszforilációval aktiválható vagy inaktiválható fehérjék alkotják. A foszforilációval szabályozható fehérjék aktivitása a kinázok és a foszfatázok sejtbeli arányától függ. Az emberi fehérjék körülbelül 30%-a kovalensen köthet foszfort; az emberi genom körülbelül 520 protein kináz 150 protein foszfatáz gént tartalmaz. Sok foszforiláció által szabályozott szignál fehérje maga is protein kináz; ezek a fehérje molekulák gyakran foszforilációs kaszkádokat alkotnak. Egy ilyen kaszkádban egy foszforilációval aktivált protein kináz foszforilál egy másik kinázt, és így tovább. Ezeknek az enzimeknek a túlnyomó többsége (1) szerin/threonin kináz, melyek a célfehérjék szerin, ritkábban treonin aminosavait foszforilálják. (2) A tirozin kinázok a tirozin aminosavakat foszforilálják. GTP-kötő proteinek: A foszforiláció/defoszforiláció mechanizmuson alapuló molekuláris kapcsolók másik fontos osztályát a GTP-kötő fehérjék alkotják. Ezek a proteinek az “ON” (bekapcsol, GTP kötődik) és az “OFF” (kikapcsol, GDP kötődik) állapotok között váltakoznak. „ON” állapotban belső GTPáz aktivitással rendelkeznek, s lényegében a GTP GDP-vé alakításával inaktiválják magukat az aktiválást követő viszonylag rövid időn belül. Két fontos típusuk van. (1) A nagy trimer GTP-kötő fehérjék (röviden G proteinek) a G-protein-kapcsolt receptoroktól továbbítják a jeleket. (2) A kis monomer GTPkötő proteinek (monomer GTPázoknak is nevezik őket) több, különböző sejtfelszíni receptortól származó jeleket továbbítanak. A GTPáz aktivátor proteinek (GAP-ek) “OFF” állapotba hozzák ezeket a GTP – GDP átalakítás révén. A GTP kötő fehérjék „ON”, azaz aktív, állapotba hozásáért más fehérjék felelősek: a trimer G fehérjéket a GPCR-ek -, míg a monomer GTPázokat a GEF (guanine nucleotide exchange factor) aktiválják, azáltal, hogy elősegítik a GDP leválását a molekuláról, s így lehetővé teszik a GTP kapcsolódását. Tehát, a GTP defoszforilációja GDP-vé a G fehérjéken történik, a GDP GTP-vé való foszforilációja azonban a citoplazmában, azaz a GDP leválik a fehérje molekuláról, s nem ott foszforilálódik. Nem minden szignál fehérje működik kapcsolóként, a foszforiláció vagy más kovalens módosulás gyakran csak megjelöli a fehérjét, s ezáltal lehetővé teszi a más, - a módosítást felismerő -, fehérjékkel való kölcsönhatást. Egyéb kapcsolók Nem minden szignál transzdukcióban szerepet játszó molekuláris kapcsoló működik a foszforiláció vagy a GTP kötés elvén. Néhány szignál fehérje aktiválódását vagy inaktiválódását más fehérjékkel (pl. inhibítorok, mint a chaperonok) való kapcsolódás váltja ki. A jelfehérjék aktivitását befolyásolják még a másodlagos hírvivők (pl. cAMP vagy Ca2+) nem foszforiláción alapuló kovalens módosítások, pl. ubikvitináció. A proteolitikus hasítás (pl. kaszpázok esetében) az aktiválás egy másik fajtája képezik. Inhibítorok A jelutak egy jelentős részénél alkalmazott stratégia, hogy egy jelút komponens inaktivitását nem csupán a bejövő jel hiánya biztosítja, hanem egy gátló fehérjével történő kapcsolódása is. Sőt, gyakran, egy harmadik tényezőnek is biztosítottnak kell, hogy legyen: ez egy koaktivátor fehérje kapcsolódása.
ALAPKÖVETELMÉNY
15. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
A Sejtkommunikáció Alapjai: a Jelutak Komponensei Proteolízis „láncreakció” Az apoptózis jelfolyamatban a kaszpáz nevű proteázok (fehérjéket bontó enzimek) úgy aktiválják egymást, hogy egy pro (elő)-kaszpázból egy másik kaszpáz levág egy peptidet; a keletkező aktív kaszpáz ugyanezt teszi egy másik prokaszpázzal, és így tovább (kaszpáz kaszkád). A kalcium szerepe a sejtben A kalciumion egyike a legelterjedtebb másodlagos hírvivőnek a sejtekben. A citoplazmába két úton kerülhetnek a Ca2+: csatornákon keresztül az extracelluláris térből, valamint a belső kalcium raktárakból (simafelszínű ER és mitokondrium). Az extracelluláris tér és a kalcium raktárak Ca2+ szintje magasabb a citoplazmáénál, ezért citoplazmából való transzportjuk energia befektetést igényel. Az intracelluláris kalcium szint a transzporterek által szabályozott. A nátrium/kalcium transzporter (exchanger) a Na+ elektrokémiai gradienséből származó energiáját használja a Ca2+ sejtből való kipumpálására (közben Na+ jön be a citoplazmába, lásd ábra). A Ca2+ pumpák az ATP energiáját használják a Ca2+ eltávolítására. Az idegsejtekben a feszültség-függő Ca2+ csatornák fontos szerepet játszanak a szinaptikus jelátvitelben azáltal, hogy a neurotranszittereket tartalmazó vezikulákat szinaptikus résbe való ürítését indukálják. Az izomban a Ca2+ kontrakciót eredményez. A CAM-kináz-II aktiválása A szabad Ca2+ citoplazmában való megemelkedését különféle szignálok serkentik. A Ca2+ kalcium-kötő fehérjékhez való kötődése által fejti ki a hatását. A legelterjedtebb ezek közül kalmodulin, amely minden eukarióta sejtben megtalálható. Amikor a kalmodulin megköti Ca2+-t a fehérje térszerkezeti változáson megy keresztül, amely képessé teszi a fehérjét, hogy más fehérjék köré tekeredjen, s ezáltal aktiválja azokat. A kalmodulin egy rendkívül fontos célpontja Ca2+/kalmodulin-függő kinázok családja (CaM-kinázok). A CaM-kinázok, a Ca2+/kalmodulin komplex hatására aktiválódnak, s különféle folyamatokat aktiválnak foszforiláció révén. A CaM-kináz-II a kalmodulin hatására aktiválja magát, ami ön-foszforilációt eredményez, ami által teljesen aktív molekulává válik.
ALAPKÖVETELMÉNY
15. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
7
