9) komunikace mezi buňkami

Proč buňky komunikují?

  • vnímání okolního prostředí (nutrienty, toxiny, světlo, atd.)

  • vnímání vnitřního prostředí

  • udržování homeostáze mnohobuněčného organismu

Principy buněčné komunikace

  • produkce signální molekuly (ligandu) signalizující buňkou

  • předání signálu cílové buňce prostřednictvím receptoru

  • aktivace signálních přenašečů uvnitř buňky – přenos k efektorům

  • převádění jedné formy signálu na druhou = transdukce signálu

  • efektory zajistí buněčnou odpověď

Klíčoví hráči signalizace

  • Signální molekuly

    • hydrophobní

    • hydrofilní

  • Receptory

    • membránové

    • cytosolické

  • Přenašeče signalizace + druzí posli

  • Efektorové proteiny

  • Efekt

    • rychlý (modifikace proteinů)

    • pomalý (modifikace genové exprese)

Produkce signálu

  • využití vezikulárního transportu a exocytózy

Dosah signálů

  • Endokrinní signalizace

    • typicky - hormon uvolněný buňkami žlázy

    • sekretovaná molekula má dosah v celém těle

    • odpovídají jen buňky s příslušným receptorem

    • využívá krevního oběhu živočicha nebo mízy rostliny

  • Parakrinní signalizace

    • působení signální molekuly v blízkých/přilehlých buňkách

    • transport difuzí extracelulárním prostředím

    • např. neurotransmitery mezi neurony a svalovými buňkami

    • růstové faktory – tvorba gradientu – rozdílný efekt v závislosti na koncentraci

  • Signály nervové soustavy

    • Působí na velké vzdálenosti (m)

    • Směr signálu dán nervovým nebo svalovým vláknem

    • Elektrické impulsy (změna membránového potenciálu) se na synapsích mění na parakrinní signalizaci mediátory

  • Autokrinní signalizace

    • odpověď buňky na vlastní signál

    • obvykle růstové faktory

    • např. buňky in vitro nebo nádorové buňky

  • Signalizace přímým mezibuněčným kontaktem

    • mezi membránovými proteiny dvou buněk

    • receptor – ligand

    • proteolytické štěpení membránového proteinu -> uvolněné extracelulární části jako solubilního ligandu

  • Propojení cytosolů buněk

    • přímá výměna molekul mezi buňkami

    • gap junctions (konexiny) – u živočišných buněk (max. 1kDa)

    • plasmodesmata u rostlinných buněk

Reakce buňky na aktivovaný receptor

  • specifická odpověď

  • aktivace nitrobuněčných přenašečů (signální dráhy)

  • ovlivnění efektoru

    • genové exprese

    • aktivity metabolických enzymů

    • konfigurace cytoskeletu

  • změna chování buněk

    • aktivace syntézy DNA

    • pohyb

    • diferenciace

    • smrt

Buňka odpovídá jen na omezený počet signálů

  • citlivost je dána přítomností receptorů

  • z velkého množství exprimuje každá buňka jen některé

  • kombinace signálů – rozdílný efekt

Jeden signál - rozdílné účinky

Acetylcholin

  • tlumící účinek na b. srdečního svalstva

  • stimulace kontrakce b. kosterního svalstva

  • stimulace žlázových buněk k sekreci

  • Vysvětlení:

    • různé typy receptorů pro stejný signál

    • odlišná interpretace stejného signálu různými buňkami (odlišnost přenašečů, efektorů, apod.)

Přenos signálu uvnitř buňky

Transdukce a amplifikace signálu

  • signální dráha – kombinace signálních proteinů

  • přenos signálu z receptoru k efektoru

  • každý stupeň transdukce může amplifikovat signál

  • vznik amplifikační kaskády

  • rozdělení signálu k různým efektorům

  • aktivace/inhibice velkého množství cílového proteinu

Amplifikace signálu

  • jedna signální molekula aktivuje jediný receptor

  • jediný aktivovaný receptor aktivuje větší počet přenašečů

  • každý přenašeč může zajistit odezvu

Výsledek:

  • nízká koncentrace ligandu – významná odpověď uvnitř buňky – schopnost reakce na malé změny okolí

Např:

  • adrenalin (epinefrin) - velmi nízká koncentrace v krvi

  • celkem: 10∧8 x zesílení signálu -> produkce glukózy z glykogenu

Signální kaskády využívají přenašeče

  • proteiny-přenašeče přepínají mezi polohami „zapnuto“ a “vypnuto“

  • podstata přepnutí: obvykle připojení nebo odpojení zbytku kyseliny fosforečné nebo GTP/GDP

  • signál převádí stav přenašeče z neaktivního do aktivního stavu

Molekulové přepínače: fosforylace

  • proteinkináza, katalyzuje kovalentní připojení fosfátu k proteinu

  • proteinfosfatáza, katalyzuje odstranění fosfátu

  • regulační kináza/fosfatáza je často sama podrobena kontrole fosforylací jinou kinázou: vznikají fosforylační kaskády

Molekulové přepínače: vazba GTP

  • týká se G-proteinů

  • vazba GTP (guanozintrifosfátu) – zapnuto – přímou interakcí s receptorem nebo proteiny GEF (Guanine nucleotide Exchange Factor)

  • vazba GDP (guanozindifosfátu) – vypnuto pomocí proteinů GAP (GTPase-Activating Protein)

  • přepnutí reflektuje stav receptoru

Průchodnost membrány pro ligandy

  • rozhoduje velikost a chemická povaha signální molekuly

  • velké a hydrofilní molekuly nemohou membránou projít - aktivují povrchové receptory

  • malá a hydrofobní molekuly difundují membránou a vážou se na nitrobuněčné receptory

Steroidní a thyroidní hormony, retinoidy a vitamín D

  • hydrofobní a nízkomolekulární

  • procházejí membránou

  • vážou se na receptory v cytosolu nebo jádře

  • jejich receptory fungují jako regulátory genové exprese závislé na ligandech

  • vazba ligandu - změna konformace receptoru - změna schopnosti vazby DNA nebo aktivace exprese cílových genů

Oxid dusnatý (NO)

  • prochází plazmatickou membránou a přímo aktivuje cílové enzymy

  • nemění genovou expresi – rychlejší odezva

  • snadno difunduje z buněk produkčních do buněk cílových

  • působí lokálně a existuje jen krátkodobě (reakcí s vodou a kyslíkem se mění na dusičnany a dusitany)

  • v buňkách obvykle aktivuje guanylátcyklázu, která katalyzuje tvorbu cyklického GMP

  • cGMP aktivuje různé efektory

  • vzniká z argininu, např. u endoteliálních buněk, které vystýlají cévy

  • nervové buňky vyšlou signál - endoteliální buňky produkují NO, který uvolní buňky hladkého svalstva cévních stěn – céva se roztáhne – krev v ní může lépe proudit

Nitroglycerin

  • nitroglycerin se v těle mění na NO

  • využití v medicíně: při infarktu nebo angině pectoris

  • uvolňuje krevní cévy a snižuje zátěž srdce

Hlavní typy povrchových receptorů

  • receptory spřažené s iontovými kanály (ion-channel-coupled receptors)

    • bez enzymové aktivity

    • vazbou ligandu ovlivňují průchodnost membránových kanálků

    • změna permeability - změna toku iontů

  • receptory spřažené s G-proteinem (G-protein-coupled receptors)

    • bez enzymové aktivity

    • řídí aktivitu enzymů nebo průchodnost kanálků prostřednictvím membránového proteinu G („GTP-binding regulatory protein“)

  • receptory spřažené s enzymy (enzyme-coupled receptors)

    • vazbou ligandu získávají katalytickou schopnost

    • obvykle transmembránové proteiny s proteinkinázovou aktivitou

Hlavní typy povrchových receptorů

Signální ligandy

  • často ovlivňují fyziologii a pocity organismu

  • molekuly exogenní látek (léky, tišící prostředky, drogy, …) často napodobují přirozený ligand a se vážou na receptor a blokují (antagonisté) nebo nadměrně stimulují (agonisté) jeho aktivitu

Převod chemických signálů na elektrické

  • zajišťují receptory spřažené s iontovými kanálky

  • synapse v nervosvalovém systému

  • chemický signál (nervový mediátor) se převádí na elektrický signál v podobě změny permeability plazmatické membrány cílové buňky

Receptory spřažené s G-proteinem

  • početná rodina, stovky členů

  • zprostředkovávají odpovědi na rozmanité podněty (např. hormony, lokální mediátory, nervové mediátory)

  • charakteristická struktura: jediný polypeptidový řetězec procházející dvojvrstvou membrány 7x

  • evoluční konzervativnost: u obratlovců (fotoreceptorový protein sítnice rhodopsin, čichové receptory), u kvasinek, atd.

  • nitrobuněčná doména pro vazbu G-proteinu

Struktura velkých G-proteinů

  • několik variant, každá je specifická pro určitý okruh receptorů a následných přenašečů signálu

  • hlavní struktura je obdobná u všech:

    • 3 proteinové podjednotky: α, β, γ

    • klidový stav: všechny podjednotky pohromadě, k α-podjednotce navázán GDP

Spojení receptorů s G-proteiny

  • G-protein je umístěn na cytosolové straně membrány

  • vazba ligandu konformační změna receptoru – interakce s G-proteinem

  • aktivace G-proteinu (vazba GTP místo GDP)

Struktura aktivovaných G-proteinů

  • po stimulaci receptoru ligandem: interakce receptoru s G-proteinem

    • záměna GDP za GTP na podjednotce α

  • Rozdělení G-proteinu na podjednotku α s navázaným GTP a na komplex podjednotek βγ

  • obě části mohou samostatně difundovat membránou, interagovat s cílovými molekulami a předávat jim signál

Aktivita G-proteinů je dočasná

  • podjednotka α má vnitřní GTPázovou aktivitu, která po určité době (několika sekund) hydrolyzuje GTP na GDP

  • podjednotka α pak obnoví spojení s podjednotkami βγ

  • signalizace je vypnuta

Cíle G-proteinů

  • iontové kanály

  • membránové enzymy zodpovědné za tvorbu sekundárních přenašečů

Vliv G-proteinů na iontové kanály

  • např. regulace činnosti srdce:

    • nervová vlákna uvolňují acetylcholin, který se váže na receptor v buňkách srdečního svalu

    • aktivace G-proteinu

    • komplex podjednotek βγ se váže ke kanálku pro K+ v membráně buněk srdečního svalu a otevře jej

    • změna elektrických vlastností svalové buňky – omezení frekvence stahů/relaxace

Vliv G-proteinů na membránové enzymy

  • komplexnější důsledky – tvorba dalších nitrobuněčných signálů

  • nejčastější cílové enzymy:

    • adenylátcykláza (tvorba cAMP)

    • fosfolipáza C (tvorba inositoltrifosfátu a diacylglycerolu)

    • V obou případech je aktivace receptoru spřažena s tvorbou malých signálních molekul, které rychle a ve velkém počtu vznikají a snadno difundují cytosolem k efektorům

Hladina cAMP

  • inducibilní adenylátcykláza katalyzuje tvorbu cAMP z ATP

  • cAMP-fosfodiesteráza je konstitutivní - štěpí cAMP na AMP

  • hladina cAMP může během sekund vzrůst nebo poklesnout 10x

  • adenylátcykláza je pod kontrolou G-proteinu

  • účinek může být stimulační nebo inhibiční – dáno typem G-proteinu

Význam cAMP

  • cAMP je rozpustný ve vodě, snadno difunduje buňkou

  • aktivuje efektory: např. cAMP-dependentní proteinkinázu A

  • kináza A fosforyluje různé substráty a mění tak jejich aktivitu (např. regulátory genové exprese)

cAMP se účastní stresové signalizace

  • stres: v nadledvinách se uvolní adrenalin a přejde do krve

  • váže se na receptory spřažené s G-proteinem (adrenergní receptory) různých buněk

  • v kosterním svalstvu: stimulace adenylátcyklázy – navýšení cAMP

  • cAMP aktivuje kinázu A, která fosforyluje enzymy metabolismu glykogenu

  • aktivuje se mechanismus odbourávání glykogenu na glukózu

  • zajištění dostatečného množství glukózy pro očekávanou svalovou námahu

  • signalizace nevede ke změně genové exprese – je relativně rychlá

Rychlá a pomalá signalizace cAMP

Pomalá odpověď na cAMP

  • odezva během minut až hodin

  • cAMP aktivuje kinázu A

  • kináza A fosforyluje proteiny řídící transkripci určitých genů

  • nově exprimované geny zajistí změnu chování buňky

G proteiny mohou aktivovat fosfolipázu C

  • fosfolipáza C působí na membránový inositolový fosfolipid: odštěpí hydrofilní hlavičku: vzniká cukerný inositoltrifosfát (IP3) a lipidový diacylglycerol (DAG)

  • IP3 difunduje cytosolem k ER: otevře kanály v membráně ER, kterými proudí Ca2+ do cytosolu

  • Ca2+ stejně jako diacylglycerol aktivuje proteinkinázu C

  • kináza C fosforyluje své substráty

Rozložení iontů Ca2+ není rovnoměrné

  • Koncentrace Ca2+ v cytosolu je výrazně nižší než v mimobuněčném prostoru a endoplazmatickém retikulu

  • gradient je udržován membránovými pumpami

  • když signál přechodně otevře kanálky, ionty Ca2+ rychle proudí do cytosolu a aktivují zde proteiny, které jsou na Ca2+ citlivé

  • mezi hlavní proteiny citlivé na Ca2+ patří kalmodulin

Kalmodulin

  • univerzálně rozšířen

  • po navázání 4 iontů Ca2+ mění konformaci

  • nový tvar umožňuje vazbu k mnoha proteinům, čímž se mění jejich aktivita

  • hlavní cílem kalmodulinu jsou CaM kinázy (Ca2+/calmodulin dependent kinases) – fosforylují transkripční faktory

Receptory spojené s enzymy

  • často zajišťují odpovědi buněk na růstové faktory

  • ligandem aktivované receptory získávají katalytickou schopnost

  • abnormální signalizace z těchto receptorů často souvisí s poruchami proliferace, diferenciace, životaschopnosti, migrace buněk (nádorová transformace)

Receptory spojené s enzymy - struktura

  • jeden transmembránový úsek

  • doména vázající ligandy směřuje ven z buňky

  • cytoplazmatická doména má enzymovou aktivitu buď sama o sobě a nebo tvoří s enzymem komplex

  • enzymová aktivita má proteinkinázovou povahu

Receptorové kinázy - aktivace

  • vazba ligandu

  • ligand-dependentní dimerizace receptorů

  • kontakt sousedních receptorů aktivuje jejich kinázovou aktivitu – dojde k vzájemné fosforylaci

  • fosforylované tyroziny spolu se sousedními aminokyselinami slouží jako místo vazby nitrobuněčných signálních proteinů

Receptorové kinázy: aktivace Ras

  • aktivované receptory prostřednictvím adaptérů aktivují tzv. malé (jednopodjednotkové) G-proteiny (Ras)

  • odtud se signál šíří dále do nitra buňky

Protein Ras

  • ukotven na cytoplazmatické straně plazmatické membrány

  • člen rodiny malých G-proteinů s jedinou podjednotkou

  • funguje jako molekulový přepínač se dvěma konformačními stavy: aktivním s navázaným GTP a neaktivním s navázaným GDP

  • aktivuje kinázovou signální kaskádu zajišťující změnu genové exprese, která buňku přivádí k aktivní proliferaci

  • poruchy Ras (hyperaktivace) jsou běžné při tvorbě nádorů

  • dědičné poruchy = Rasopatie

Fosforylační kaskáda aktivovaná Ras

  • postupná fosforylace/aktivace sledu proteinkináz MAP

  • signál postupuje od membrány k jádru, zesiluje se a rozděluje do různých směrů

  • cílové efektory:

    • proteiny, které změní aktivitu

    • transkripční faktory, které změní spektrum exprimovaných genů

  • výsledkem je změna chování buněk obvykle v úrovni jejich proliferace nebo diferenciace

Ras je klíčový regulátor proliferace

  • např. intracelulární injekce protilátek anti-Ras: ztráta schopnosti receptoru aktivovat buněčnou odpověď na příslušný růstový faktor

  • mutace zvyšující aktivitu Ras: buňka reaguje stejně, jakoby byla neustále stimulována růstovým faktorem

  • mutace v genech ras identifikovány v cca 30 % případů rakoviny

Integrace signálů v buňkách

  • signální dráhy spolu interagují

  • výměna informací mezi drahami

  • integračními prvky jsou především kinázy, které fosforylují složky alternativních drah

Mechanismy integrace signálu

  • spojení informací z různých zdrojů je podmínkou řádného vyhodnocení situace a zajištění správné odpovědi

  • některé proteiny slouží jako spojnice toku informací různých drah

  • např. mají několik míst, která mohou být fosforylována různými kinázami

  • nebo aktivní protein vzniká z podjednotek pouze tehdy, jsou-li obě fosforylovány.

SH2

robot