-
Funkcije proteinov
• Transport/skladiščenje določenih molekul (ligandov, npr. Hb,
Mb)
• Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini)
• Oporna funkcija (strukturni proteini, npr keratini, kolagen
...)
• Kontraktilni proteini
• Membranski proteini, vključeni v transport molekul/ionov preko
bioloških membran
• Proteini, vključeni v prenos signala (receptorji, G-proteini,
kinaze ...)
• Obramba pred tujki/invazivnimi organizmi (Ig)
• Kataliza biokemijskih reakcij (encimi)
PROTEINI POVEZANI S PRENOSOM SIGNALOV
-
Biosignaliziranje/prenos signala(“signal transduction”)
informacija (molekula iz okolja ...)
celični odziv (kemični proces)
celica zreceptorjem
-
Biosignaliziranje
• Biološki signali so zelo raznoliki (nekaj primerov: antigeni,
oligosaharidi, signali razvoja, komponente EM, rastni faktorji,
hormoni, svetloba, mehanski dotik, nevrotransmiterji, hranila,
dišeče molekule, feromoni ...)
• Celični odgovori so različni
• Celice imajo le nekaj mehanizmov prenosa in spreminjanja
signalov (signal transduction)
• Mehanizmi signaliziranja so evolucijsko ohranjeni
• Primeri signaliziranja
- prenos živčnih signalov- odziv na hormone in rastne
faktorje
- zaznava slike (vid), vonja (voh), okusa
- uravnavanje celičnega cikla
-
Značilnosti prenosa signala
• Specifičnost: molekulska komplementarnost med
molekulo-signalom in receptorsko molekulo
• Ojačenje signala
• Izguba občutljivosti (“desensitization”) - prilagoditev na
signal (“adaptation”)
• Integriranje signalov
-
Specifičnost interakcije signalne molekule z receptorjem
Specifičnost vezave:
– signalna molekula in vezavno mesto
na receptorju sta komplementarna
– selektivna vezava
– visoka afiniteta → Kd
-
Ojačenje signala: encimska kaskada
Ojačenje signala za nekaj redov velikosti lahko poteče v
msek
-
Izguba občutljivosti/prilagoditev
(“desenzitisation/adaptation”)
Aktivacija receptorja sproži
povratni odgovor, ki “zapre”
receptor ali ga odstrani s
celične površine (endocitoza)
-
Seštevanje (integration) signalov
Če imata dva dražljaja neodvisen (npr. nasprotni) učinek na
metabolične karakteristike, npr. koncentracija
sekundarnega obveščevalca [X] ali membranski potencial Vm , je
končni učinek (odziv) vsota obeh dražljajev na receptor 1
in receptor 2.
odgovor
-
6 splošnih vrst mehanizma prenosa signala:(nadaljevanje)
1. ionski kanalčki z zaporo (npr. nikotinski receptor,
acetilholinski receptor)
2. membranski receptorski encimi (npr. receptor za inzulin)
3. membranski receptorji, povezani z G proteini (npr receptor za
adrenalin)
4. jedrni receptorji (vežejo steroidne hormone, tiroidne hormone
in vitamin D)delujejo kot transkripcijski faktorji
5. membranski receptorji, ki vežejo in aktivirajo topne proteine
(npr. proteinske kinaze) iz citoplazme
6. adhezijski receptorji, ki posredujejo informacijo med
ekstracelularnim matriksom in citoskeletom
-
Evkariontske celice: 6 splošnih vrst mehanizmov prenosa
signala
1 2
3
65
4
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
S = signalna molekula
-
Primeri mehanizma prenosa signala: 1. ionski kanalčki z
zaporo
Ionski kanalčki so osnova za električno signaliziranje vzdražnih
celic
- ionski kanalčki, odvisni od napetosti
primer: Na+ kanalček v živčnih in v živčno-mišičnih sinapsah
- ionski kanalčki, odvisni od liganda
primer: acetilholinski receptor
-
Transmembranski električni potencial
(a) K+Na+ATPaza ustvarja
transmembranski potencial
-60 mV
(b) Ioni težijo h gibanju v smeri
elektrokemijskega gradienta
skozi polarizirano membrano-
spremembe transmembranskega
potenciala
depolarizacija
hiperpolarizacija
depolarizacija
depolarizacija
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
ob odprtju
kanalčka
-
Primer: ionski kanalček, odvisen od napetosti: Na+
kanalček v živčnih in v živčno-mišičnih sinapsah
• Na+ kanalčki so selektivni (K+ in Ca2+ 100 x slabše
prehajata)
• Hitrost pretoka > 107 ionov/sek
• Kanalčki se odprejo kot odziv na zmanjšanje membranskega
potenciala (“voltage-gated”)
• Hitro se inaktivirajo
• Kanalček sestavlja membranski protein (1 840 AK ostankov)
-
Primer: ionski kanalček, odvisen od napetosti:Na+ kanalček
nevrona, uravnavan s
transmembransko napetostjo
α-podenota kanalčka – domene I, II, III, IV
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
Na+ kanalček nevrona, uravnavan s transmembransko napetostjo
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
veliko Arg
Vm=-60mV
Vm=+30mV
-
Primer: ionski kanalček, odvisen od liganda:acetilholinski
receptor (nikotinski tip)
• Receptor je bistvena komponenta signala, ki se prenese od
motoričnega nevrona do mišičnega vlakna (v živčno-mišični
sinapsi)
• Naravni ligand – acetiholin (ACh) (ligand je tudi nikotin)
• Vezava ACh na receptor povzroči konformacijsko spremembo
receptorja → odpre se ionski kanalček
• Kationi prehajajo v notranjost celice → depolarizacija
membrane
• Ionski kanalček je prepusten za Na+, Ca2+ in K+
• Na+ prehaja v smeri nižje konc. (2 x 107 ionov/s)
-
Primer, ionski kanalček, odvisen od liganda: acetilholinski
receptor
Podenote: 2α, β, γ, δ; na α podenotah vezavno mesto za ACh
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
Konformacijska sprememba ionskega kanalčka po vezavi
acetilholina (AcH)
zaprt ionski kanalček hidrofobni levcin
preprečuje pretok ionov
odprt ionski kanalček –konformacijska sprememba hidrofobni
levcin se je umaknil,
v notranjost kanalčka se izpostavijo polarne AK
Leu
Polarni ak ostanki
Leu
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
Tri stanja ACh receptorja
Neaktivno(mirovanje)
Aktivno(aktivacija)
Neobčutljivo(desenzitizacija)
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
- Električni impulz (akcijskipotencial) potuje od živčnecelice
po aksonu preko
sinaps do naslednje celice
- Tri vrste ionskih kanalčkov,odvisnih od napetosti:
Na+, K+ in Ca2+ kanalčki
- Na+ in K+ kanalčki se zaporednoodpirajo - enosmerna
depolarizacija membrane
- Ca2+ kanalčki se odprejo, Ca2+ sproži eksocitozo ACh
- ACh se sprosti v sinaptično režo,aktivira Na+ / Ca2+ kanalčke
na postsinapričnem nevronu ...
- acetilholin-esteraza (AChE)
katalizira hidrolizo AChE → utišanje signala
dve vrsti kanalčkov:-odvisni od napetosti
-odvisni od liganda
hiperpolarizacija
depolarizacija
Prenos živčnega impulza
-
Utišanje signala: razgradnja liganda acetilholina (ACh) z
encimom acetilholin-esterazo
↔ CH3COOH + HOCH2CH2N+(CH3)3+ H2O
ocetna kislina holin acetilholin
-
Naravni strupi, ki delujejo na ionske kanalčke –interferirajo s
prenosom živčnega impulza
• Tetrodotoksin (riba fugu) in saksitoksin (dinoflagelati-
školjke) se vežeta na Na+ kanalčke in prepreči prenos impulza
• Dendrotoksin (črna mamba) inhibira K+ kanalčke
• Kalcikludin (zelena mamba) inhibira Ca2+ kanalčke
• Tubokurarin, (aktivni del strupa kurare, s katerim so ob
Amazonki zastrupljevali puščice, Kd ≈ 10-7 M), kobratoksin in
bungarotoksin (kobra, kreit; Kd ≈ 10-15 M) se vežejo na ACh
receptor
Dendrotoksin
Chondrodendron tomentosum
-
Tetrodotoksin
Strukture nekaterih naravnih strupov, ki inhibirajo ionske
kanalčke
-
Bolezni, ki izvirajo iz okvar ionskih kanalčkov
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
*
*
**
-
Nevroni vsebujejo ionske kanalčke, ki se odzivajo na različne
nevrotransmiterje – primeri:
ACh Na+, Ca2+
glicin Cl-
serotonin Na+, K+, Ca2+
glutamat Na+, K+, Ca2+
nevrotransmiter ionski kanalček
-
Evkariontske celice: 6 splošnih vrst mehanizmov prenosa
signala
1 2
3
65
4
-
Primeri mehanizma prenosa signala: 2. membranski receptorski
encimi – receptor za inzulin
Nelson DL, Cox MM, Lehninger
Principles of Biochemistry, 2005
Tyr
inzulinski receptor –
tetramer 2α, 2β
zunajcelični del α –2 vezavni mesti za 2 inzulina
znotrajcelični del β –kinazna encimska aktivnost
Po vezavi inzulina se izvrši
avtofosforilacija inzulinskega
receptorja na Tyr β podenote znotraj celice, sledi
fosforilacija
subatrata IRS in nadaljnje
interakcije med proteini.PI-3K
premik transporterja
za glukozaaktivacija
encimov
aktivacija genov
(sinteza proteinov)
-
Aktiviranje inzulinskega receptorja – tirozinske kinaze z
avto-fosforilacijo→sprememba konformacije
Neaktivna domena tirozinske kinaze
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
Aktivna domena – 3 tyr ostanki fosforilirani
-
Osnovni učinki inzulina
• Hitri (sekunde): pospešen transport glukoze, AK in K+
v celice, občutljive na inzulin
• Srednje hitri (minute):
- stimulacija sinteze, inhibicija razgradnje glikogena
- stimulacija sinteze, inhibicija razgradnje proteinov
- stimulacija razgradnje, inhibicija sinteze glukoze
• Kasnejši (ure): povišana koncentracija encimov, ki
sintetizirajo lipide
inzulin
-
Inzulin uravnava prenos prenašalca glukoze v miocitu (hitri
učinek inzulina)
Nelson DL, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
-
Uravnavanje ekspresije gena z inzulinom (počasni učinek)
inzulinski receptorRafMEKERK
kinaze
IRS-1 insulinreceptor substrat
Ras G protein
transkripcijski faktor
trankripcija genov, ki kodirajo
encime, vključene v metabolizem glukoze
adaptorski protein
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
Evkariontske celice: 6 splošnih vrst mehanizmov prenosa
signala
1 2
3
65
4
-
Primeri mehanizma prenosa signala: 3. membranski receptorji,
sklopljeni z G proteini
Sestavine signaliziranja preko receptorjev, sklopljenih z G
proteini
• Receptor s 7 transmembranskimi α-vijačnicami zazna signalno
molekulo S
• Protein, ki veže gvanozinski nukleotid - heterotrimerni G
protein
(podenote Gα, Gβ, Gγ)
• Encim v membrani, ki katalizira reakcijo nastanka
sekundarnega
obveščevalca, npr. adenilatna ciklaza (AC) → cAMP, fosfolipaza C
(PLC) → IP3
encim
substrat
produkt -sekundarniobveščevalec
S
-
3. membranski receptorji, sklopljeni z G proteini -ojačenje
signala (kaskadna reakcija)
AC, PLC ...
cAMP, cGMP ...
fosforilacija
aktivni encimi
G protein
receptor
•Vezava signala na receptor aktivira več molekul G
proteinov•Vsaka Gα podenota aktivira več encimov (efektorjev)•Vsak
encim katalizira nastanek več molekul sek. obveščevalcev•Vsak sek.
obveščevalec aktivira več encimov kinaz•Vsaka kinaza fosforilira
(aktivira) več encimov, vključenih v določenometabolično pot
-
3. membranski receptorji, povezani z G proteini
• cAMP, cGMP
- delovanje nekaterih hormonov, npr. adrenalin
- delovanje svetlobe (molekulske osnove vida)
- delovanje dišečih molekul (molekulske osnove vonja)- delovanje
okusnih molekul (molekulske osnove okusa)
• diacilglicerol (DAG), inozitol-3-fosfat (IP3) in Ca2+
Sekundarni obveščevalci, ki se sintetizirajo po aktivaciji
G-proteinov - nekaj primerov
-
β-adrenergični receptor veže adrenalin → cAMP → aktivirana
proteinske kinaze → aktivirana metabolična pot (razgradnja
glikogena) kot celični odgovor
Primer signaliziranja preko G proteinov: signal adrenalin
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
Nastanek sekundarnega obveščevelca cAMP
ATP → cAMP + PPi
ATP
cAMP
-
Utišanje signala, ki ga je sprožil adrenalin in ki deluje preko
cAMP
1. Hidroliza cAMP s fosfodiesterazo
2. Hidroliza GTP z endogeno GTPazno aktivnostjo Gα podenote
3. Desenzitizacija receptorja z arestinom
1. hidroliza cAMP s fosfodiesterazo
cAMP
adenozin 5‘-monofosfat(AMP)
-
2. Hidroliza GTP z endogeno GTPazno aktivnostjo Gα podenote
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
3. Desenzitizacija signaliziranja β-adrenergičnega receptorja z
arestinom
arestin
β-adrenergična arestinskakinaza (β-ARK)
endocitoza
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
Signali, ki uporabljajo cAMP kot sekundarni obveščevalec
k
o
r
t
i
k
o
t
r
o
p
i
n
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
•Kortikotropin
•Adrenalin
•Glukagon
•Histamin
•Lutenizirajoči hormon•Dišeče molekule•Prostaglandini
•Somatostatin
•Molekule okusa
•Hormon, ki stimulira
ščitnico
-
Inozitol-3-fosfata (IP3) kot sekundarni obveščevalec
Aktiviranje fosfolipaze C (PLC)
s hormonom in delovanje IP3na ionske kanalčke za Ca2+ vmembrani
endoplazmatskega
retikuluma
Encim: fosfolipaza C
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
Primer signaliziranja preko G proteinov
-
Dražljaji, ki se prenašajo preko fosfolipaze C in IP3
• Peptid, ki sprošča gastrin
• Glutamat (signaliziranje v možganih)
• Gonadotropin-sproščujoči hormon (hipofiza)
• Histamin
• Oksitocin
• Vazopresin
• Serotonin
• Tirotropin-sproščujoči hormon
-
Primer signaliziranja preko G proteinov:Sprejem svetlobe v očesu
vretenčarjev
Struktura očesa
-
Struktura paličnic
diski
-
Protein rodopsin v membrani diska
citosol
notranjost retinal
-
Indukcija hiperpolarizacije celic paličnic s svetlobo → → →
razgradnja cGMP → zaprtje ionskih kanalčkov
Paličnica, za svetlobo občutljiva čutna celica v mrežnici, ki
sestoji iz paličke, perikariona in nevrita
stanje mirovanjaaktiviranje s svetlobo
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
Interakcija med rodopsinom (receptor za svetlobo) in
transducinom (G protein)
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
Vitamin A in njegovi produkti
izomerizacija 11-cis-retinala v trans retinal
pod vplivom svetlobe - prvi v zaporedju
dogodkov v vidnem ciklu →konformacijska sprememba rodopsina
...
-
Molekulski dogodki, ki jih sproži svetloba v diskih
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
Absorpcijski spektri rodopsina in rdečih, zelenih in modrih
receptorjev celic čepkov
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
Konzervirane Daltonove oči
John Dalton ni razlikoval barv. Po njegovi smrti 1844 so
konzervirali njegove oči in leta 1990 analizirali DNA – primerjava
nukleotidnih zaporedij različnih opsinov (barvnih pigmentov).
Ugotovitev: ni bilo gena za pigment za absorpcijo svetlobe zelene
barve
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
Značilnosti sistemov signaliziranja kot odziv na hormone,
svetlobo, vonj in okus
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
-
Inaktiviranje G proteinov z bakterijskimi toksini:
ADP-ribozilacija Gαααα podenote → vpliv na signalno pot
Bakterijski toksini – encimi, ki katalizirajo ADP-ribozilacijo G
proteinov –
povzročijo oslovski kašelj (Pertussis toxin) in kolero (Cholera
toxin)
-
Nekatere skupne značilnosti signalnih poti, ki vključujejo
sekundarni obveščevalec:
• Vezava signalne molekule na receptor v plazemski membrani
sproži interakcije protein-protein znotraj celice (sodelujoči
proteini so receptorji, G-protenin, adaptorji, encimi (kinaze)
→
• → nastanek majhne molekule v celici – sekundarnega
obveščevalca (“second messenger”) - hidrofilni sekundarni
obveščevalci: cAMP, cGMP, IP3, Ca2+
- hidrofobni sekundarni obveščevalci:
diacilglicerol,fosfatidil-inozitol fosfati
• → aktivacija določene signalne poti – biološki odgovor
celice
• Kaskadne reakcije (ojačanje signala) znotraj celice po vezavi
signalne molekule na receptor v membrani
-
Signaliziranje, ki uravnava mitozo (celični cikel)
• Vse evkariontske celice – ohranjen mehanizem uravnavanja
mitoze.
• Intenzivna delitev celic poteka med med embrionalnim razvojem;
v odraslem organizmu počasna delitev celic.
• Celično delitev uravnavajo zunanji rastni faktorji.
• Vstop celice v celično delitev (celični cikel) in prehod iz
ene v drugo fazo cikla uravnavajo proteinske kinaze/ fosforilacija
proteinov.
• Če so regulatorni mehanizmi, ki uravnavajo delitev celic
okvarjeni, sledi nekontrolirana rast → rakava rast (tumor).
Mitóza je proces pri delitvi jedra somatskih celic, sestavljen
iz niza faz, ki zagotavljaohranitev enakega števila kromosomov in
množine DNA v na novo nastalih jedrih, sledi delitev citoplazme
(citokineza), Slovenski medicinski slovar 2004
-
Motnje v biosignaliziranju: izražanje onkogenov
• Onkogeni so mutirane oblike genov, ki kodirajo okvarjene
proteine, ki uravnavajo celični cikel.
• Onkoproteini so tako spremenjeni signalni proteini, da stalno
oddajajo signal za celično delitev in s tem povzročajo tumorje.
• Onkogeni so genetsko dominantni.
• Onkogeni lahko kodirajo defektne receptorje, rastne faktorje,
G-proteine, proteinske kinaze ali regulatorje transkripcije.
• Tumor supresorski geni kodirajo proteine, ki zavirajo celično
delitev. Mutacije v teh genih so recesivne, a tudi lahko privedejo
do nastanka tumorjev
-
Primer onkogena, ki kodira okrnjen receptor za
epidermalni rastni faktor (EGF) – motnja v odzivu na zunanji
stimulus - stalno aktivirana signalna pot
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005
Permanenten signal za
delitev povzroči, da se celicanekontrolirano deli!
-
Vzroki za nastanek onkogenov
• Prerazporeditev kromosomov
• Kemične učinkovine
• UV sevanje
• Virusna infekcija
-
Motnje v biosignaliziranju: izražanje onkogenov
• Pri prenosu onkogenov lahko posredujejo tudi virusi
• Virusni onkogeni zelo podobni genom v živalih – gostiteljicah
virusov, protoonkogenenom
• Protoonkogeni kodirajo proteine, ki uravnavajo celično
rast
• Med virusno infekcijo se lahko protoonkogen vgradi v virusni
genom in se spremeni (mutacije, skrajšanje gena)
• Ob naslednji infekciji virusa se mutirani protoonkogen –
onkogen -izrazi v celici-gostiteljici, kjer prepreči normalno
uravnavanje rasti celice → rakava rast
-
Onkogeni: pretvorba regulatornega gena v virusni onkogen
Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry,
2005