2019. 09. 10.

1

Jelzőmolekulák, receptorok és jelátvitelSZIGNÁLTRANSZDUKCIÓ

Tanulási támpontok 6. és 7.

Dr. Kékesi Gabriella

2019

6. Receptorok, szignáltranszdukció - jelátviteli mechanizmusok

• Ismertesse a mediátorok (jelátvivő anyagok) típusait: parakrin és autokrin jelzőmolekulák, hormonok, neurotranszmitterek, neurohormonok, citokinek.

• Ismertesse a receptor, ligand, agonista, antagonista (kompetitív, nem kompetitív) fogalmakat. Receptorok osztályozása: 1. elhelyezkedésük alapján (membrán- és citoszolreceptorok, magreceptorok, intracelluláris membránreceptorok (IP3, ryanodin), 2. működésük alapján (ionotrop és metabotrop receptorok, receptorenzimek, illetve enzimhez kapcsolt receptorok).

• Ionotrop receptorok: szelektív és nem szelektív receptorok, kation- és anioncsatornák. Említsen egy- egy példát.

• G-protein-kapcsolt metabotrop receptorok: heterotrimer G-fehérjék szerkezete, típusai (Gs/Gi/Gq), működésük. Definiálja a másodlagos hírvivő fogalmát, ismertesse a legfontosabbakat (cAMP, cGMP, kalcium, IP3/DAG, arachidonsav). Vázolja fel a szignalizációs útvonalat, a szignáltranszdukció elemeit és jelentőségüket a sejtben egy-egy példán keresztül.

• Receptorenzimek, illetve enzimhez kapcsolt receptorok szerkezetének és működésének bemutatása egy-egy példán keresztül (tirozin-kináz receptorok).

• Írja le a membránhoz kötött receptorok következő folyamatait: aktiváció, inaktiváció, internalizáció, upreguláció, downreguláció, szenzitizáció és deszenzitizáció.

• Intracelluláris receptorokhoz kapcsolódó jelátvitel: citoszoláris és magreceptorok működésének bemutatása egy-egy példán keresztül (pl. szteroid és pajzsmirigy hormon receptorok).

2019. 09. 10.

2

7. Neurotranszmisszió

• Jellemezze az elektromos szinapszisokat, illetve az azokban található réskapcsolatok (gap junction) felépítését és működését. Hasonlítsa össze az ingerületátvitelt elektromos és kémiai szinapszis esetében (információtovábbítás iránya, sebessége, módja).

• Írja le a kémiai neurotranszmisszió időben egymást követő folyamatait (a praeszinaptikus membrán depolarizációjától a posztszinaptikus membránon keletkező gradált válasz (PSP) kialakulásáig).

• Írja le a klasszikus neurotranszmitterek jellemzőit.

• Csoportosítsa a neurotranszmittereket kémiai felépítésük alapján: 1. acetilkolin, 2. aminosavak (glutamát, glicin, GABA), 3. biogén aminok (dopamin, noradrenalin, adrenalin, hisztamin, szerotonin), 4. gázok (NO, CO), 5. lipidek (endocannabinoidok), 6. peptidek (endorfinok, enkefalinok, dinorfinok, P-anyag, CGRP, VIP), 7. purinok. NO szintézise, hatásmechanizmusa és jelentősége.

• Ismertesse a felszabadult neurotranszmitterek sorsát: receptorkötés, enzimatikusbomlás, diffúzió, reuptake.

•

• Normálértékek: szinaptikus késés kémiai szinapszisban: 1-1,5 ms.

Sejtek működésének összehangolása

• Sejtek összehangolt működése– Réskapcsolatok (gap junction) segítségével

– Extracelluláris jelzőmolekulák közvetítésével• Helyi vagy távoli eredetűek

• Sejtszintű válasz (pl. elektromos változás, enzimaktivitás-módosulás, sejtproliferáció, transzkripciós változások…)

• Jelátvitel – szignáltranszdukció folyamata

Kommunikáció gap junction-on keresztül Kommunikáció kémiai hirvivő molekulákkal

2019. 09. 10.

3

Extracelluláris jelzőmolekulák

• Rögzített információs molekulák– Szomszédos sejtek sejtfelszíni molekulái; strukturált EC matrix

makromolekulái…

• Mobilis információs molekulák – MEDIÁTOROK– Kémiai kommunikáció – funkcionális felosztás

• Parakrin és autokrin jelzőmolekulák (növekedési faktorok, citokinek, arachidonsavszármazékok, hisztamin, bradikinin…)

• Hormonok

• Neurotranszmitterek és neurohormonok (pl. CRH, TRH…)

Neurotranszmisszió - Szinapszis

• Morfológiai és funkcionális kapcsolat (Sherrington)

• Sejt közötti kapcsolódási helyek, amelyeken keresztül az ingerület egyik sejtről a másikra terjed át (kémiai vagy elektromos jel)

– Idesejt – effektor sejt (izom, mirigy)

– Idegsejt – idegsejt

• Típusai

– Elektromos, kémiai– Axodendritikus, axoszomatikus, axoaxonális

2019. 09. 10.

4

Elektromos szinapszis

• Gap junction réskapcsolat (~2 nm)

• Connexonok – 6 connexinalegység – 4 TM molekula

• Nincs szinaptikus késés– közvetlen ionáramlás

• Mindkét irányba vezet

• Funkció: összerendezett gyors válasz

Kémiai szinapszis

2. Szívfrekvencia csökken 5. Szívfrekvencia csökken

3. Perfúziós oldatból

mintavétel

1. n. vaguselektromos

ingerlése

4. Perfúziós oldat

injektálása a RECIPIENSbéka szívbe

DONORbéka szív

• Otto Loewi (1936 Nobel-díj)

• Szinaptikus késés: 1-1,5 ms

• Szinaptikus rés : 20-40 nm

• Serkentő / gátló

Elektromos szinapszis Kémiai szinapszis

2019. 09. 10.

5

Interneuronális szinapszisok

• ~ 2 000 szinapszis / neuron– Konvergencia, divergencia elv

• CNS: 1011 neuron

• 2 x 1014 szinapszis

• Axo-dendritikus szinapszis

• Axo-szomatikus szinapszis

• Axa-axonális szinapszis

Transzmitter-felszabadulás mechanizmusa

Preszinaptikussejt

Posztszinaptikussejt

Szinaptikusrés

AkciósPotenciál (AP) AP eléri az axonvégződést

ff. kálcium-csatornák kinyílnak

Kálcium beáramlás

1. AP eléri az axon-végződést2. Feszültségfüggő kalcium-

csatornák nyílnak3. Kalcium beáramlás4. Kalcium-jel a vezikulumoknak5. A vezikulumok a membránhoz

közelednek6. A dokkolt vezikulumok

exocitózissal kiürítik a neurotranszmittert

7. A neurotranszmitter diffúzióval eljut a szinaptikus résen keresztül a receptorokhoz

2019. 09. 10.

6

Dokkoló (SNARE) fehérjék: syntaxin, SNAP-25; synaptobrevin, syntagmin.

Dokkoló és kalcium-szenzor fehérjék

Szianaptikusrés

Axonterminálcitoplazmája

Neurotranszmitter felvétele a vezikulumba

Aktív zónáhozközeledés

Dokkolás az axonterminálmembránján

Kalcium-aktivált exocitózis

Clathrin-mediáltvezikulum

endocitózis

H+-Neurotranszmitterantiporter

Transzmitter felszabadulás

• Kvantumok

• Dale-elv: a neuron minden axon-végződésből ugyanaz az egy transzmitter szabadul fel

• „Co-existance”: kémiailag különböző transzmitterekegyüttes előfordulása a neuronban

– Ach + VIP; NA + NPY; SP + CGRP

• „Co-transmission”: kémiailag különböző transzmitterek együttes felszabadulása

• Ingerlési frekvencia-függő felszabadulás

– Alacsony frekvenciájú ingerlés esetén a kis molekulájú transzmitterek, míg nagy frekvenciájú ingerlés esetén a peptidek IS felszabadulnak

2019. 09. 10.

7

Boyd and Martin 1956. Transzmitterfelszabadulás kvantalis elmélete

Felszabadult transzmitterek sorsa

1. Receptorkötés

2. Enzimatikus lebontás a szinaptikus résben

3. Diffúzió kapillárisokba, nyirokerekbe, extraszinaptikusreceptorokhoz

4. Visszavétel a preszinaptikus axon-végződésbe; felvétel a glia sejtekbe (transzporterek révén)

Gáz transzmitterek

neuropeptidek

Kismolekulájú neuro-

transzmitterek

1.

2.3.

4.

2019. 09. 10.

8

1. Transzmitter szintézis befolyásolásaPl. α-metil-p-tirozin gátolja a tirozin-hidroxiláz enzimet, így gátolva a katekolaminok szintézisét

2. Axonális transzport befolyásolásaPl. a kolhicin a mikrotubulusok károsításával akadályozza az axonális transzportot

3. Akciós potenciál terjedésének befolyásolásaPl. a gömbhalból kivonható tetrodotoxin (TTX) blokkolja a feszültségfüggő nátrium-csatornákat

4. Transzmitterek vezikuláris felvételének befolyásolásaPl. reszerpin gátolja a transzmitter (NA) felvételt a vezikulumokba – RR csökkentő

5. Transzmitter felszabadulás befolyásolásaPl. ff. Kalcium-csatorna blokkolók (verapamil) gátolják; amfetamin fokozza a noradrenalin felszabadulást; fekete özvegy pók mérge kiüríti az Ach raktárakat; botulinumtoxin csökkenti az Ach felszabadulást; tetanusz toxin –GABA és Glycin felsz. gátlása

5. Transzmitter felszabadulás befolyásolása preszinaptikus receptorokon keresztül

Pl. a koffein és az adenozin ugyanazon receptorért versenyeznek, így csökkenti az adenozin gátló hatását

6. Transzmitter preszinaptikus visszavételének befolyásolása

Pl. a kokain és az amfetamin gátolja a transzmitterekvisszavételét, ezzel fokozva a szinaptikus aktivitást; antidepresszánsok (SSRI)

Transzmitter-felszabadulás és hatás preszinaptikus módosításának lehetőségei

1. Transzmitterek inaktivációjánakbefolyásolása

Pl. fizosztigmin – AChE gátló

2. Posztszinaptikus receptorok számának a befolyásolása

Pl. az alkohol emeli a GABA receptorok számát

3. Posztszinaptikusreceptorok gátlása

Pl. antipszichotikumok; kurare

4. Posztszinaptikusreceptorok aktiválása

Pl. nikotin; LSD

5. Másodlagos hírvivők befolyásolása

Pl. lítium (cAMP ); PDE gátlók (Viagra)

Transzmitterhatás posztszinaptikusmódosításának lehetőségei

2019. 09. 10.

9

Neuromuszkuláris junkció (NMJ) I.:a motoros ideg és a beidegzett vázizom közötti ingerületátvitel helye

1. Akciós potenciál (AP) az αmotoneuron axonján

2. ff. kalcium-csatornák nyílás3. ACh tartalmú vezikulumok

exocitózisa4. nACh receptorok aktiválása a

posztszinaptikus vázizomroston5. Na+-ion beáramlás, K+-ion

kiáramlás –véglemezpotenciál(EPP)

6. ff. Na+-csatornák nyílása7. Na+-ionok beáramlása – AP

keletkezése8. Az izomsejt membránján

végigterjedő AP9. ACh enzimatikus lebontása (AChE)

Neuromuszkuláris junkció II.

Preszinaptikus toxinokPl. botulinum toxin

AChE gátlókPl.: fizosztigmin, neosztigmin; harci gázok

Depolarizáló izomrelaxánsokPl.:szukcinil-kolin

Nem-depolarizálóizomrelaxánsokPl.:d-tubokurarin, gallamin

Kompetitív nACh

antagonisták

2019. 09. 10.

10

Retrográd transzmitterekpl. endokannabinoidok, NO

A posztszinaptikus sejtből felszabaduló lipidoldékony anyagok a preszinaptikusvégződéshez diffundálva befolyásolják annak transzmitterleadását

Pl.: 2-AG (arachidonoil-glicerol) csökkenti a glutamát preszinaptikus felszabadulását

Transzmitter-felszabadulás preszinaptikusszabályozása

• Szelektíven befolyásol egyetlen befutó pályát

A/ preszinaptikus facilitációB/ preszinaptikus gátlás

2019. 09. 10.

11

Posztszinaptikus elektromos jelenségek

• Helyi, elektrotónusos, posztszinaptikus potenciál változások

• EPSP (Excitátoros posztszinaptikus potenciál); IPSP (inhibítoros posztszinaptikuspotenciál)

(Llinás 1982.)

1. P

resz

inap

tiku

sse

jt

Akc

iós

po

ten

ciál

ján

ak

fels

zálló

szá

ra

2. Kalciumbeáramlása

3. EPSP

4. Akciós potenciál a posztszinaptikussejten

Ingerküszöb

Szummáció azaxondombon

Axondomb

Szinaptikus integrációposztszinaptikus potenciálok összegződése

Időbeli szummáció

Térbeli szummáció

2019. 09. 10.

12

Neurotranszmitterek kémiai csoportosítása

• Klasszikus, kismolekulájú neurotranszmitterek

– Acetil-kolin

– Biogén aminok

• Katekolaminok: dopamin, adrenalin, noradrenalin

• Szerotonin

• Hisztamin

– Aminosav-származékék

• Ingerlő: glutamát, aszpartát

• Gátló: GABA (γ-aminovajsav); glicin

• Purin nukleotidok

– ATP, adenozin

• Gázok

– NO, CO, H2S

• Peptidek – neuropeptidek (TRH, vazopresszin, oxytocin, VIP, opioidok, CGRP, SP), hormonok, citokinek, növekedési faktorok

• Egyéb neurotranszmitterek

– Lipidek: prosztaglandinok, leukotriének, anandamid

– Szteroidok (hormonok): kortizol, aldoszteron, nemi homonok…

Kolin-acetiltranszferáz (ChAT)

Acetil-kolin-észteráz (AChE)

Acetil-koenzim A kolin

Acetil-kolin

kolinacetát

Acetil-kolin szintézise és metabolizmusa

2019. 09. 10.

13

Katekolaminok szintézise és metabolizmusa

MAO: monoamin-oxidázCOMT: katekol-O-metiltranszferáz

Noradrenalin

Adrenalin

Normetadrenalin

Metadrenalin

Dihidroxi-mandulasav

Mandulasav

DOPAMIN

NORADRENALIN

ADRENALIN

2019. 09. 10.

14

Szteroidok szintézise

• Helye: sima felszínű endoplazmásretikulum (SER); mitokondrium

• Lipofilek → egyszerű diffúzió

• Nem tárolódnak vezikulumokban → szükségletnek megfelelő szintézis és felszabadulás

Koleszterin

Progeszteron

Ösztron

Ösztradiol

Ösztriol

Dehidroepiandtroszteron

Androsztendion

Tesztoszteron

Dihidrotesztoszteron

Kortikoszteron

Kortizol Aldoszteron

Nitrogén-monoxid szintázHem-oxigenáz

Hem L-arginin

Guanilát-cikláz

ProeinkinázG

Foszfodiészteráz

Fehérjék

Gáz mediátorok: NO, CO, H2S

• EDRF = NO

• Neurotranszmitter is

• Nem raktározódnak vezikulumokban

• Nem exocitózissal szabadulnak fel (egyszerű diffúzió)

• Nem kvantumokban szabadulnak fel

• Néhány másodperces féléletidő

• NOS: nitrogén-monoxid-szintáz(konstitutív - kalcium-függő, indukálható)

• Szolubilis guanilát-cikláz enzim ~ IC receptor

• Sejtek aktiválódása Reaktív oxigénszármazékok

– Jelátviteli folyamatok fokozása

– Szövetkárosító hatás

• L-cisztein H2S

• Vazodilatáció, gyulladáscsökkentő, sejtek túlélése…

2019. 09. 10.

15

Peptidek szintézise

• 1. A prepropeptid a szintézist követően a durva felszínű endoplazmás (DER) retikulumba kerül

• 2. Proteolitikus enzimek lehasítanak néhány aminosavat, kialakul a propeptid

• 3. A sima felszínű endoplazmás retikulumban (SER) becsomagolódnak a transzport vezikulumokba

• 4. A vezikulumok elszállítódnak a Golgi-apparátusba

• 5. A Golgi-apparátusban átcsomagolódnak a szekréciós vezikulumokba. Itt történik meg a pro-szekvenciák lehasítása – kialakul a fehérjék végleges aminosav szekvenciája (peptid)

• 6. A peptidek exocitózissal felszabadulnak

Membrán foszfolipidek

Foszfolipáz A2

Ciklooxigenáz út Lipoxigenáz út

ProsztaglandinokProsztaciklinekThromboxánok

Leukotriének

ARACHIDONSAV

Lipidek - eikozanoidok

• Membrán foszfolipidek – PLA2 – arachidonsav

• Ciklooxigenáz út

• Lipoxigenáz út

• Prosztaglandinok, leukotriének – gyulladás

• Prosztaciklin, thromboxánok – véralvadás

2019. 09. 10.

16

Kémiai mediátorok szállítása (transzportja)

• Egyszerű diffúzió (autokrin, paracrin anyagok, neurotranszmitterek) vagy vér útján(hormonok, neurohormonok)

• Hidrofil mediátorok a vérben oldottan vagy szállító fehérjékhez kötve (katekolaminok)

• Hidrofób mediátorok (szteroidok és pajzsmirigy hormonok) szállító fehérjékhez kötve .

• Vérben levő mediátorok:

– metabolizmus: máj

– kiválasztás: vese

• Szállító fehérjékhez kötött mediátorok félélet-ideje hosszabb

Hidrofil mediátor Hidrofób mediátor

Receptorok

• Receptor: speciális felismerő fehérjék, melyek a hírvivő molekulákkal (ligand) kapcsolódva közvetítik azok hatását (ligandspecificitás).

• Nagy affinitás, reverzibilis kötés

• Szerkezeti változás (konformáció változás, dimerizálódás)

• Ligand: a receptorhoz specifikusan kötődő, biológiai hatással rendelkező, bármilyen eredetű molekula

• Agonista: aktiválja a receptort és megindítja a jelátviteli folyamatokat

• Antagonista: a receptoron megkötve gátolja az agonista hatását

– Kompetitív vs nem-kompetitív

• A legtöbb ligand több receptortípussal is rendelkezik.

• Receptor lehet pre- és posztszinaptikus elhelyezkedésű

• Deszenzitizáció (foszforiláció), internalizáció

2019. 09. 10.

17

Receptorok csoportosítása

• Elhelyezkedés alapján:

– Membrán receptorok

– Intracelluláris receptorok

• Citoplazmatikus és nukleáris receptorok

• Működésüket tekintve:

– Metabotróp (G-fehérjéhez kapcsolt; A)

– Enzimhez-kapcsolt, vagy enzimaktivitással rendelkező (B)

– Ionotróp receptorok (C)

Ionotróp receptorok I.

• Tetramer vagy pentamer szerkezet

• A receptor maga egy ioncsatorna

• Ligand kötése (1.) – konformáció változás – ioncsatorna nyílik (2.) –ionpermeábilitás megváltozik (3.)

• Serkentő / Gátló

• pl.:

– GABA A, GABA C– Glicin receptor

– nACh receptor

– NMDA, non-NMDA (AMPA, Kainát) receptor

– Px (ATP) receptor

– 5HT3 receptor

Ligand-aktivált ioncsatornák

2019. 09. 10.

18

NMDA receptor-komplex sematikus ábrázolása

Glutamát kötőhely

Glicin kötőhely

Poliamin kötőhelyZn2+ kötőhely

Extracelluláristér

Intracelluláristér

Ionotróp nikotinos Acetil-kolin (Ach) receptor szerkezete

ACh kötőhely (2!)

Metabotróp muszkarinosAcetil-kolin (Ach) receptor

PLCβ ↑[Ca2+]IC ↑

AC ↓ff. Ca++-csatorna ↓

PKC ↑[Ca2+]IC ↑

Ionotróp nikotinos Acetil-kolin (Ach) receptor

2019. 09. 10.

19

Metabotróp receptorok I.

• 7 TM szerkezet

• G-fehérjéhez kapcsolt

– Gi/Gs/Gq

– Trimer szerkezet: α, β és γ alegység

– GDP (nyugalomban)/GTP (aktiválást követően) kötés

– GTP-áz aktivitás – GTP hasítás - inaktiválás

• Közvetlen ioncsatorna aktiválás/gátlás vagy másodlagos hírvivők felszabadítása

Inaktív receptor aktivált receptor

G fehérjék hatásai

1. Lassú, intracelluláris ligand-függő ioncsatornák közvetlen aktiválása vagy gátlása. (lassabb, de hosszabb hatás, mint az ionotróp receptorok esetén).

2. Másodlagos hírvivők szintézisének serkentése vagy gátlása – fehérje foszforilációsejtszintű válasz

2019. 09. 10.

20

Metabotróp receptorok II.másodlagos hírvivők

• cAMP (ciklikus adenozin-monofoszfát); cGMP (ciklikus guanozin-monofoszfát)

• IP3 (inozitol-trifoszfát), DAG (diacilglicerol)

• Kalcium

• Arachidonsav

Másodlagos hírvivők erősítő/sokszorozó funkció

1. Egy molekula számos fehérjét képes aktiválni

2. A hírvivő alacsony koncentrációja mellett is biztosítja a sejt szenzitivitását

3. Kaszkád folyamat, melyben az egymást követő lépések mind erősebb választ eredményeznek

2019. 09. 10.

21

Metabotróp receptorok III/1.jelátviteli folyamatok

• Gs(stimulatory)/Gi(inhibitory)

– Adenilát-cikláz enzim (AC) – cAMP – proteinkináz A enzim (PKA) –fehérje foszforiláció• Pl.: α2 (↓) és β1-3 adrenerg receptorok (↑); M2,4 acetilkolin receptor (↓);

– Guanilát-cikláz enzim (GC) – cGMP – proteinkináz G enzim (PKG)• Pl.: (atrialis natriuretikus peptid (ANP) receptor; NO

Metabotróp receptorok III/2.jelátviteli folyamatok

• Gq

– Foszfolipáz C enzim (PLC) – foszfatidilinozitol 4,5-biszfoszfát (PIP2) – inozitol-trifoszfát (IP3) + diacilglicerol (DAG)

• IP3 – IC kalcium felszabadulás – Ca-indukált sejtválasz

• DAG – proteinkináz C enzim (PKC) – fehérje foszforiláció

• α1 adrenerg receptor;

• M1, 3, 5 acetilkolin receptor

2019. 09. 10.

22

Metabotróp receptorok III/3.jelátviteli folyamatok

• Gq

– Foszfolipáz A enzim (PLA) – arachidonsav (AA) – prosztanoidok: prosztaglandinok, leukotriének

– Pl.: egyes hisztamin és bradikinin receptorok

M1, M3, M5

Metabotróp receptorok IV.példák

• Muszkarinos acetilkolin receptorok (M1-5)

• Adrenerg receptorok (α1-2, β1-3)

• Szerotonin receptorok (5HT1-2, 4-7)

• Hisztamin receptorok

• GABA-B receptor

• Dopamin receptorok

• Metabotróp glutamát receptorok

• Adenozin receptorok

• Peptid receptorok

• Py receptorok (ATP)

2019. 09. 10.

23

GsGiGq

Simaizomkontrakció,

glikogenolízis

NA felszabadulás

gátlása

Simaizom kontrakció

Simaizom relaxáció,

glikogenolízis, szívizom

kontrakció

Intracelluláris receptorok

• Citoplazma és nukleáris receptorok

• Szteroidok és pajzsmirigy hormonok

• Ligand-kötő domén: ligandspecificitás; DNS-kötő domén: hatásspecificitás

• Génátírás szabályozása – fehérjeszintézis változása

• Lassú, hosszú-távú hatás

2019. 09. 10.

24

Enzim- vagy enzimhez kapcsolt receptorok

• 1 TM szerkezet

• Extracelluláris ligand-kötőhely

• Intracelluláris enzim aktivitás, vagy enzimhez kapcsolódás (pl. tyrozin-kinázok)

• Pl.: növekedési faktorok, citokinek, inzulin…