CHAPTER 3 – SIGNAL TRANSDUCTION

inhoud

1 — cellulaire communicatie

2 — GPCRs

3 — katalytische receptoren

1 — CELLULAIRE COMMUNICATIE

soorten cel-cel communicatie

• direct

• via chemische signalen

directe cel-cel communicatie

• = juxtacrien

• via gap junctions

  • 6 connexines → 1 connexon = hemikanaal

  • 2 connexonen → 1 gap junction

• gap junction = regio met lage weerstand voor ionen (syncytium)

• regeling door pH, Ca²⁺ en cAMP

cel-cel communicatie via chemische signalen

• endocrien

• paracrien

  • synaptisch

• autocrien

endocrien

• hormonen worden via bloed verspreid naar doelcellen

• over lange afstanden

paracrien

• cellen communiceren met naburige cellen via lokale signaalmoleculen

• vb. synaptische communicatie

synaptisch

• elektrisch → chemisch → elektrisch

• neurotransmitter slechts tijdelijk aanwezig;

  • endocytose = heropname

  • afbraak door enzymen i/d synaptische spleet

  • geïmmobilizeerd door ECM

autocrien

cel produceert een signaal dat zijn eigen activiteit beïnvloedt

mogelijke interacties (2)

• niet-covalente interacties

• bi-moleculaire interactie

niet-covalente interacties (3)

bi-moleculaire interactie — ligand & receptor

• AB → A+B

• K_D = [A][B] / [AB] = 𝓁 / k

  • met k = associatieconstante [s^-1M^-1]‎

  • met 𝓁 = dissociatieconstante [s^-1]

‎‎

• indien n = 1, en er dus geen coöperatie plaatsvindt, is K_D de concentratie waarbij 50% v/d receptoren bezet zijn

• hoe lager K_D

  • hoe hoger affiniteit

  • hoe langer levensduur complex

dosis (concentratie)

• IC_x

  • [inhibtor] om functie met x% te verminderen

    ‎

• afhankelijk 3 factoren;

  • [enzym]

  • [substraat]

  • mechanisme inhibitie

Hill-functie

• dosis-effect curves fitten

• Hill-nummer (n) = graad coöperativiteit tss bindingsplaatsen

  • n = 1; 1 ligand aan 1 receptor = 1 bindingsplaats

  • n = 2; 2 bindingsplaatsen die elkaar beïnvloeden

  • in praktijk vaak geen geheel getal

signalisatie via membraan-geassocieerde receptoren

1. herkenning

2. transductie

3. transmissie

4. modulatie

5. antwoord

6. terugkoppeling

1. herkenning

• signaalmolecuul bindt aan een specifieke receptor die zich in het celmembraan bevindt

  • vb. hormoon, neurotransmitter …

    ‎

• na binding verandert de receptor van vorm → effect

  • = conformationele verandering

  • vb. (in)activatie door fosforylatie

2. transductie

• extracellulaire boodschap → intracellulair signaal

• vaak ‘second messengers’ aangemaakt

  • cAMP, IP3, calcium …

3. transmissie

• second messenger signaal → gepaste effector

• via bepaalde eiwitcascade

4. modulatie

• signaal wordt aangepast, gereguleerd of geïntegreerd met andere signalen

5. antwoord

• v/d cel op stimulus

• enkele voorbeelden;

  • verandering in genexpressie

  • celgroei, celdeling, differentiatie

  • verandering in metabolisme

  • uitscheiding van stoffen

  • beweging van de cel

6. terugkoppeling

• = feedback mechanism

• voorkomen van overactivatie

types chemische signalen (6)

• amines

• peptiden / proteïnen

• steroïde hormonen

• eicosanoïden

• kleine moleculen

• gassen

  ‎

• opm; ook fysische signalen kunnen

  cascades in gang zetten

  • temperatuur, licht, membraan

    tensie/stijfheid, voltage/spanning …

multi-point effect

• 1 ligand kan meerdere receptoren binden → specifieke cel respons

• 1 molecule initieert verschillende effecten

  ‎

• vb. bijnier; vrijstelling epinephrine (adrenaline)

  • hartritme ↗

  • glycogeen afbraak ↗

  • vasoconstrictie (smooth muscle contraction)

klassen receptoren (2)

• ionotroop

  • receptoren met ionentransport ingebouwd = ionkanaal

  • ligand geactiveerde kanalen

  ‎

• metabotroop

  • geen ionkanaal

  • G-proteïne gekoppelde, enzym gekoppelde/katalytische en intracellulaire/nucleaire receptoren

types receptoren (4)

• ligand geactiveerde kanalen

  ‎

• G-proteïne gekoppelde receptoren (GPCR)

• enzym gekoppelde/katalytische receptoren

• intracellulaire/nucleaire receptoren

ligand geactiveerde kanalen

• ligand = molecule die (meestal extracellulair; soms ook intracellulair) aan receptor bindt

  ‎

• controleren ionen-flux overheen membraan

• wijzigen membraanpotentiaal of [Ca²⁺]

2 — GPCRs

G-proteïne gekoppelde receptor (GPCR)

• second messengers → wijziging activiteit ionenkanalen, enzymes, transcriptie factoren …

• 7 transmembranaire (Tm) segmenten = helices

• meestal monomeer

  ‎

• bindingsplaats

  • extracellulair

    • ligand; N-terminus

  • intracellulair

    • C-terminus

    • G-proteïnen (loop tss Tm 5-6)

G-proteïnen

• α-, β- en γ-subunit;

  • waarbij βγ samen complex vormen; hangen altijd vast aan elkaar

• alle subunits zijn betrokken bij signaal transmissie / effector modulatie

belangrijkste G-proteïnen (3)

• G_s

  • stimuleert cAMP pathway

  • activatie adenylyl cyclase

  • PKA

    ‎

• G_i

  • inhibeert cAMP pathway

  • inhibitie adenylyl cyclase

  • PKA

    ‎

• G_q

  • activeert PLC-β enzymes

  • PIP2 hydrolyseren → DAG & IP3;

    second messengers

  • PKC

regulation of G-protein signaling (RGS)

• ligand bindt → G-proteïne laat receptor los

• αβγ → αGTP + βγ

  • α → E1

  • βγ → E2

• RGS; GTP → GDP

second messenger — types (3)

• hydrofiele moleculen:

  • vb. cAMP, cGMP, IP3 en Ca²⁺

  • in cytosol

• hydrofobe moleculen:

  • vb. DAG en fosfatidylinositolen

  • membraangeassocieerd

  • diffunderen; plasmamembraan → intermembraanruimte

• gassen:

  • vb. NO, CO, H₂S

  • diffunderen; door cytosol/celmembraan

second messenger — functies

• versterken signalen;

  • meerdere 2nd messengers per geactiveerde receptor

  • 2nd messenger kan meerdere effectoren beïnvloeden

  • iedere effector kan meerdere enzymes activeren

    ‎

• integratie van signalen;

  • receptoren kunnen met verschillende effectoren koppelen

  • zelfde effector kan door verschillende receptoren geactiveerd worden

second messenger — gemeenschappeljke eigenschappen

• synthese en afbraak in specifieke reacties

  • kan gelokaliseerd → beperking ruimte en tijd signaalactiviteit

• opslag in speciale organellen + snelle synthese

3 belangrijkste Gα-protein effector (second messenger) modulatie mechanismen

• α_s/α_i + adenylyl cyclase (AC)

  • ATP → cAMP → activatie PKA

    ‎

• α_t + phoshodiësterase (PDE)

  • cGMP → GMP → sluiten kanalen

    ‎

• α_q + phospholipase (PLβ)

  • PIP2 → IP₃ + DAG

  • IP3 regelt [Ca²⁺]

  • DAG activeert PKC

α_s/α_i + adenylyl cyclase (AC) — ATP → cAMP

α_s/α_i + adenylyl cyclase (AC) — cAMP

• cAMP beïnvloedt werking enzymes en kanalen

  • vb. controle hartslag

• meestal is Gα de transmitter; soms ook βγ-complex

  • kan effect van α-subeenheid versterken (synergisch effect)

  • kan effect van α-subeenheid tegenwerken (antagonistisch effect)

  • kan onafhankelijk werken

α_s/α_i + adenylyl cyclase (AC) — hartslag

α_s/α_i + adenylyl cyclase (AC) — activatie kinases

• activiteit van receptoren / kanalen / enzymes beïnvloed

• kinase; soort enzyme

  • vb. Proteine Kinase A (PKA)

  • fosforylatie van proteïnen kan deze meer of minder actief maken

    ‎

• kinase ←→ fosfatase

  • kinase zet een fosfaat aan Ser/Thr/Tyr

  • fosfatase verwijdert fosfaat van aminozuren

α_s/α_i + adenylyl cyclase (AC) — PKA

• zeer streng gecontroleerd door ons lichaam;

  • regulatoire subeenheden

  • subcellulaire localizatie van PKA door AKAP (A Kinase Anchoring Protein)

  • fosfatases keren reactie van kinases om

α_t + phoshodiësterase (PDE)

• vb. foton receptie in oog

  • ligand = licht

  • cGMP → GMP → kanaal sluit

α_q + phospholipase (PL)

3 — KATALYTISCHE RECEPTOREN

katalytische receptoren — klassen (5)

• guanylyl cyclase

• serine / threonine kinase

• tyrosine-kinase (RTK)

• tyrosine-kinase geassocieerd

• tyrosine fosfatase

guanylyl cyclase

• GTP → cGMP

• liganden zijn meestal kleine peptides

  ‎

• ligand binding → dimerizatie 2 monomeren → activatie guanylyl cyclase → [cGMP] ↑ → activatie PKG (cGMP-afhankelijk kinase) → activatie / inhibitie van proteïnes via fosforylatie

serine / threonine kinase

• type 2 receptor bindt met een ligand + interageert met type 1 receptor

• type 1 receptor wordt gefosforyleerd aan Ser/Thr → kinase activiteit → verdere effecten (downstream)

tyrosine-kinase (RTK)

• fosforyleren zichzelf en anderen aan tyrosine

• herkenning kan pas na fosforylatie

  ‎

• ligand binding → vorming receptor dimeer → via dimerizatie fosforyleren ze elkaar aan fosfotyrosine motieven (autofosforylatie) → fungeren als bindingsplaats voor proteïnen → vorming receptor signaal complex → verdere effecten (downstream)

tyrosine-kinase (RTK) — in detail

• 3x autofosforylatie

tyrosine-kinase (RTK)

• extracellulair signaal → veranderingen in gen-expressie

tyrosine-kinase geassocieerd

• tyrosine-kinase geassocieerde receptoren activeren ‘loosely non-covalent’ geassocieerde tyrosine kinases

• liganden;

  • cytokines

  • groeifactoren die cel proliferatie en differentiatie reguleren

• receptoren bestaan uit meerdere subunits;

  • homo/heterodimeren (αα & αβ)

  • heterotrimeren (αβγ)

• ligand binding → vorming receptor dimeer → activatie kinases → kinases fosforyleren elkaar en de receptor (autofosforylatie) → fungeren als bindingsplaatsen voor proteïnen

tyrosine fosfatase

• verwijdert de fosfaat van tyrosine

• actieve vorm = monomeer (itt andere katalytische receptoren)

intracellulaire/nucleaire receptoren

• hydrofobe / membraan permeabele moleculen

• bovenste 6 (her)kennen