S-2. Jelátviteli mechanizmusok “A sejtmembrán elválaszt és összeköt.” Ez az információ-áramlásra különösen igaz !
2.1. A szignál-transzdukció elemi lépései • • • • • •
Hírvivô (transzmitter, hormon) felismerése = kötôdés a receptorhoz Szignál-transzdukció: jelátvitel a membránon keresztül (pl. G-fehérjék) A jel erôsítése: másodlagos hírvivôk (pl. cAMP, cGMP, Ca2+) szerepe Protein kinázok (szerin és threonin kinázok): minden sejtben sokféle Célfehérjék foszforilációja / defoszforilációja (kinázok, foszfatázok) Esetleg: fehérjeszintézis módosulása Megváltozott sejtfunkció
Másodlagos hívivők hidrofób molekulák • cAMP • cGMP • IP3, DAG • Ca2+ • NO Soklépcsôs foszforilációs kaszkád
2.2. A receptorok osztályozása Receptorok Membránreceptorok Ionotrop
Ligand-vezérelt ioncsatornák
Intracelluláris receptorok
Metabotrop
Citoplazmatikus Nukleáris
7-TM
1-TM
G-fehérjéhez kapcsolt
Tirozin-kinázok Saját enzimaktivitás
Gén transzkripció Fehérje szintézis
2.3. Ionotrop receptorok külsô ligand
E.C.
I.C.
ioncsatorna
A valódi ionotrop receptor esetén a receptor és a csatorna azonos entitás Mediátor:
Receptor:
Csatorna:
Hatás:
acetilkolin
n-Ach R
Na+ / K+ (*)
depolarizáció
glutamát
AMPA
Na+ / K+ (*)
depolarizáció
gamma-aminovajsav
NMDA GABA-A R
Na+ / K+ / Ca2+ (**) Cl-
depolarizáció repolarizáció
glicin
glicin R
Cl-
repolarizáció
(*): non-specifikus monovalens kation csatorna (**): non-specifikus kation csatorna
2.4. Metabotrop receptorok Adenilát cikláz aktivitás (cAMP szint) Nô (Gs) Purinerg (A2) Adrenerg (β1, β2, β3) Dopaminerg (D1) Szerotonerg (5HT4) Hisztaminerg (H2) Vazopresszin (V2) Prosztaglandin (PGD) Prosztaciklin (PGI) VIP, Szekretin, Glukagon ACTH, TSH, FSH, LH
Csökken (Gi) Purinerg (A1) Adrenerg (α2) Dopaminerg (D2, D3, D5,) Szerotonerg (5HT1) Kolinerg (M2, M4) GABAB Glutamát 2, 3, 4 metabotrop Szomatosztatin Opiát
PLC aktivitás (IP3, DAG szint nô) Purinerg (P2y, P2v) Adrenerg (α1) Kolinerg (M1, M3, M5) Hisztaminerg (H1) Prosztaglandin E (PGE1) Thromboxan (TXA2) Vazopresszin (V1)
2.5. A G-fehérjék mûködése Gs, Gi -> adenilát cikláz -> cAMP ↑, cAMP ↓ Gq -> foszfolipáz C ↑ -> IP3 ↑ + DAG ↑ Gt (transzducin) -> cGMP foszfodieszteráz ↑ -> cGMP) ↓
α-alegység aktivált hatások
Agonista kötôdés GTP/GDP csere A G protein és a receptor disszociál
•adenilát cikláz (Gs, Gi) •foszfolipáz C (Gq) •cGMP foszfodieszteráz (Gt) Diffúzibilis másodlagos hírvivők (cAMP, cGMP, Ca2+)
βγ-komplex aktivált hatások K+ és Ca2+ csatornák módosítása membránhoz kötött lokalizált hatások
β α γ
AC
A válasz megszünése Agonista hiányában a G-protein ciklus kikapcsol
β α γ
AC
GDP GTP
GDP
γ
β
α
AC
GTP Effektor aktiváció second messenger képződése
γ
β
α
AC
GDP + Pi GTP hidrolízis G-protein - effektor disszociáció
2.6. A 7-TM metabotrop receptorok szerkezete NH2 E.C.
I
II
III
IV
V
VI
VII
I.C.
Agonista
HOOC III
II I
*
VII
IV VI
V
III, VI, VII domainek: Agonista-kötôhely C-terminális szakasz: G-fehérje-kapcsolat V-VI intracelluláris loop: G-fehérje-szelektivitás
2.7. Jelerôsítés Enzimatikus aktivitás következtében
Molekulák száma β-adrenerg agonista
1
α-adrenerg agonista
Aktív adenilát cikláz
1
Aktív foszfolipáz C
cAMP
100
DAG
Aktív protein kináz A
100
Aktív protein kináz C
Foszforilált enzim
10 000
Foszforilált enzim
Végtermék
1 000 000
Végtermék
2.8. Intracelluláris receptorok Hidrofób molekulák receptorai Citoplazmatikus (steroidok) vagy magreceptorok (tiroxin) Intracelluláris NO receptor A ligand-receptor komplex transzkripciós faktorként működik és fehérjeszintézist indukál
2.9. Az intracelluláris Ca2+ mint másodlagos hírvivő Az intracelluláris Ca2+ koncentráció növekedése minden esetben a sejtaktiváció kisérôjelensége, tehát ubiquiter változás.
A [Ca2+]i szabályozása steady-state körülmények között: Ca2+-influx = Ca2+-efflux forward mode
Potenciális [Ca2+]i targetek • Ca2+-szenzitív ioncsatornák (K+ és Cl- csatornák) • Calmodulin / Ca-CaMII kináz • Troponin-C (szív, vázizom) • Protein kináz C
endoplasmaticus / sarcoplasmaticus reticulum
[Ca2+]i ↑ reverse mode
[Ca2+]i ↓
mitochondrium
2.10. A Ca2+-belépés útvonalai 3. Ligand-gated
5.
6. Reverse mode operation
1.
4. Store-operated Ca-channel
2. Ca2+-belépés szabályozása ligand-gated csatornán E.C.
I.C. endoplasmaticus / sarcoplasmaticus reticulum
1. L-tipusú Ca-csatorna 2. T-tipusú Ca-csatorna 3. Ligand-gated Ca-csatorna 4. Store-operated Ca-csatorna 5. Na-csatorna -> [Na+]i ↑ -> [Ca2+]i ↑ 6. Reverse mode NCX mûködés
PKC
2.11. A jelátviteli útvonalak kompartmentalizációja K+ Horgonyzó (scaffold) fehérjék és a PDE-barrier jelentôsége β-AR: beta-adrenerg receptor Gs: stimulatorikus G-fehérje AC: adenilát cikláz C: cAMP PKA: protein kináz A PDE: cAMP-foszfodieszteráz
Ca2+ β-AR Gs AC AC Gs
AKAP PKA c PDE c c c c PDE c c c c PDE PDE PDE PDE
AKAP PKA c c c PDE
PDE PDE
PDE
A PDE-barrier az I.C. tér egy adott részére (kompartmentjére) korlátozza a jelátviteli folyamatot mert lokális cAMP szint növekedést tesz lehetôvé AKAP (A-Kinase Anchoring Protein) egy olyan scaffold fehérje amely a következő molekulákkal állhat kapcsolatban: • β-adrenerg receptor • protein kináz A • protein kináz C • protein foszfatázok • citoszkeletális fehérjék • Ca2+-csatornák • K+-csatornák
Emiatt szoros proximitás alakul ki a jelátviteli lánc egyes tagjai között, amely gyors aktiválódást és specifikus hatást tesz lehetôvé. Mivel egy scaffold fehérje több különbözô jelátviteli láncban szereplő molekulát is helyhez köthet, lehetővé teszi a jelátviteli útvonalak konvergálását.
2.12. A jelátviteli útvonalak specificitása Egy sejt adott szignálra adott válaszát a sejten található receptor fehérjék, a kapcsolódó jelátviteli mechanizmusok és a jelen lévô effektor fehérjék szabják meg.
A jelátvitel specificitását biztosító tényezôk 1. 2. 3. 4.
Adott sejten milyen receptor van ? Ez milyen szignáltrandukciós útvonallal kapcsolódik ? Milyen raft-ban és hol foglal helyet ? Hogyan kompartmentalizálódik ?
2.13. Kapcsolt jelátviteli mechanizmusok szívizomsejt β1-AR Gi
Gs
AC
PDE
Ca2+
PKA
IKs
DAG
PLC
IP3
A K A P
PLB ICl
Gq
PKC
cAMP If
SR Ca-pumpa
α1-AR
M2-R
ICa SR Ryanodin rec.
2.14. Adrenerg jelátvitel a szívizomban Gi/o
NOS
NO
GC
ICa
cGMP
[Ca2+]i
β3-AR β2-AR Gi
Gs
β1-AR
PLA2
AA
Cardioprotection
PKA-függô kapcsolat
Gs AC
cAMP
SR
PKA
RyR2
IKs If
IKr
INa ICl
ICa
Remodeling Hipertrófia
SERCA
Sejtmag CaMKII
PKA-függô áramok Pacemaker aktivitás
Akciós potenciál idôtartam
Ritmuszavarok
ICl
INCX
ICa
IK(Ca)
Ca2+-függô áramok
[Ca2+]i
Kontrakció
