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