Transmisja informacji (powtórzenie)

Transmisja informacji (powtórzenie) Gabriel Nowak Definicje Ŝycia śycie jako ciągły przepływ informacji Zakład Cytobiologii i Histochemii, Collegium Medicum Uniwersytet Jagielloński Przepływ informacji komunikowanie się PRZEKAŹNICTWOSYNAPTYCZNE Komórka moŝe rozmawiać sama z sobą wysyłanie informacji do samej siebie (autoreceptory) - komunikacja autokrynna Komórka moŝe rozmawiać z sąsiednimi komórkami - komunikacja parakrynna Komórka moŝe rozmawiać z komórkami oddalonymi - komunikacja endokrynna dyfuzja PRZEKAŹNICTWOSYNAPTYCZNE komunikacja parakrynna dyfuzja action potential axoplasmic flow komunikacja autokrynna presynaptic receptors beta2 alpha2 NA postsynaptic receptors a1 a2 b1 b2 1

Wiele cząsteczek informacyjnych ( sygnałów ) (np. neuroprzekaźniki) nie moŝe przenikać przez błonę plazmatyczną. Komórki omijają ten problem przy pomocy receptorów transmembranowych. Są to białka umieszczone wewnątrz błony z domeną wiąŝącą ligand* na zewnątrz komórki i z wewnątrzkomórkową domeną *Ligand cząsteczka łącząca się z receptorem i rozpoznawana przez niego zewnątrz wewnątrz Zewnątrzkomórkowa domena wiąŝąca ligand Błona plazmatyczna Domena śródbłonowa Domena wewnątrzkomórkowa łączy z następnym etapem (moŝe mieć aktywność enzymatyczną) Wiele cząsteczek informacyjnych ( sygnałów ) (np. neuroprzekaźniki) nie moŝe przenikać przez błonę plazmatyczną. Komórki omijają ten problem przy pomocy receptorów transmembranowych. Są to białka umieszczone wewnątrz błony z domeną wiąŝącą ligand* na zewnątrz komórki i z wewnątrzkomórkową domeną, która sprzęga z następnym etapem szlaku sygnałowego *Ligand cząsteczka łącząca się z receptorem i rozpoznawana przez niego zewnątrz wewnątrz Zewnątrzkomórkowa domena wiąŝąca ligand Błona plazmatyczna Domena śródbłonowa Domena wewnątrzkomórkowa łączy z następnym etapem (moŝe mieć aktywność enzymatyczną) Receptory Aby białko było sklasyfikowane jako receptor (a nie tylko jako białko wiąŝące) muszą być spełnione odpowiednie kryteria: Specyficzność receptor powinien odróŝniać często bardzo podobne sygnały Wysokie powinowactwo sygnały występują często w niskich stęŝeniach receptory mogą wykrywać stęŝenia nm do pm Wysycalność komórka ma skończoną ilość receptorów, więc jest teŝ ogranoczona ilość cząstek liganda jaką komórka moŝe związać Odwracalność wiązanie ligand-receptor nie jest kowalencyjne kiedy spada stęŝenie liganda kompleks moŝe dysocjować Połączenie receptor przenosi sygnał od liganda do komórki Ostatnie kryterium najbardziej odróŝnia receptory od białek wiąŝących. Wtórne przekaźniki Czynniki o niskiej masie molekularnej produkowane w komórce przez enzymy stymulowane przyłączeniem liganda do receptora Cyklaza adenylowa Fosfolipaza C RozróŜniamy 3 (4) główne grupy wtórnych przekaźników: Błona plazmatyczna PIP 2 DAG Cykliczne nukleotydy: camp i cgmp Aktywacja przez podjednostkę białka G Cyclic AMP 2P i ATP YK Aktywacja przez kinazę tyrozynową IP 3 Aktywacja kinazy białkowej C Indukuje wzrost stęŝenia Ca 2+ w cytozolu Trójfosforan inozytolu IP 3 i diacyloglicerol DAG Jony wapnia Ca 2+ Aktywuje kinazę białkową A PIP 2 dwufosforan fosfatydyloinozytolu IP 3 trójfosforan inozytolu DAG - diacyloglycerol [Prostaglandyny (poch. kwasu arachidonowego)] 2

Stymulujący AC (Rs) β-adrenergiczny H 2-histaminowy D 1-dopaminowy A 2-adenozynowy RECEPTOR (R) Hamujący AC (Ri) 2-adrenergiczny M-cholinergiczny D 2-dopaminowy A 1-adenozynowy Na + Ca 2+ Peptydy (ANP, BNP, CNP...) GCAP GCAP Cytokiny (TNF, IFNγ,...) LPS Aktywacja czynników transkrypcyjnych Hormony (Ach, melatonina...) Ca 2+ R s β γ + AC - Cyklaza adenylanowa β γ R i Kanał jonowy -Mg 2+ cgmp Ekspresja i aktywacja indukowanej NOS NO Aktywacja konstytutywnej NOS ATP camp + PPi PDE cgmp -Mg 2+ cgmp 5 -AMP PKA PDE 2 PKG II np.: enzymy, receptory, kanały jonowe, białka cytoszkieletu czynniki transkrypcyjne Fosforylacja białek substratowych Odpowiedź biologiczna camp PDE 3 camp Kanał jonowy otwarty Napływ jonów do komórki PKG I Fosforylacja białek Fosforylacja białek agonista agonista receptor Gq PI PIP PIP 2 PLC-β DAG PKC Błona komórkowa receptor Gq PI PIP PIP 2 PLC-β DAG PKC Błona komórkowa IP 3 IP 4 Fosforylacja białek IP 3 IP 4 Fosforylacja białek inozytol IP 1 IP 2 IP 3 Ca 2+ inozytol IP 1 IP 2 IP 3 Ca 2+ Receptor IP 3 Receptor IP 3 Siateczka śródplazmatyczna Siateczka śródplazmatyczna Aktywacja fosfolipazy C (PLC) prowadzi do powstania trójfosforanu inozytolu (IP 3 ) Wapń Uniwersalny przekaźnik Kalmodulina DAG PKC PLC IP 3 łączy się z receptorem na ER i otwiera kanał Ca 2+ (część receptora) Kalmodulina moŝe aktywować pompy Ca 2+ na ER obniŝając cytoplazmatyczne [Ca 2+ ] Kalmodulina moŝe aktywować pompy wapniowe w błonach plazmatycznych obniŝając poziom cytplazmatycznego [Ca 2+ ] Ca 2+ uwolniony z ER łączy się z kalmoduliną co pozwala na aktywację innych białek kinaza Kalmodulina moŝe aktywować wiele białek np. kalmodulinozaleŝne kinazy Uniwersalnym przekaźnikiem sygnału wapniowego w komórce jest kalmodulina. WiąŜe ona 4 jony Ca 2+, co prowadzi do zmiany konformacji tego białka. Zmiany takie umoŝliwiają interakcję kalmoduliny z innymi białkami, które są przez nią aktywowane. Kalmodulina oddziałuje w komórce m. in. z: Fosfodiesterazą camp Cyklazą adenylanową Syntazą NO 3

On-Off Off przełącznik Większość sygnałów jest krótkotrwała i taka sama powinna być teŝ odpowiedź. Jeśli uruchomimy sygnał to trzeba go teŝ wyłączyć. Np.: błąd wyłączania sygnałów mitotycznych jest jednym z mechanizmów powstawania nowotworów. Poszukujemy więc systemów biochemicznych, które są zdolne do przełączania jednego stanu w drugi. W wielu systemach sygnałowych stany te są regulowane przez białka wiąŝące i/lub fosforylację białek On-Off Off Switches białka wiąŝące Białka wiąŝące naleŝą do dwóch grup: małych monomerycznych białek wiąŝących (np.: p21 ras ) i heterotrimerycznych białek G. Sposób wiązania / jest w obu przypadkach taki sam. β NIEAKTYWNE podjednostka reasocjuje zβγ γ P i podjednostka posiada aktywność azy > +P i Zmiana związanego w podjednostka oddysocjowuje od βγ AKTYWNE Aktywna podjednostka moŝe oddziaływać i aktywować następne etapy szlaku sygnałowego On-Off Off przełącznik białka wiąŝące Dobrym przykładem tego typu przełączania jest białko ras (p21 ras ). Ras jest małym (21 kda) monomerycznym białkiem które wiąŝe lub i ma aktywność azy Czynnik zmiany guaniny oddziałuje z ras NIEAKTYWNE aza ras stymulowana przez asocjację z białkiem aktywującym azy- (GAP) On p21 ras p21 ras p21 ras Off P i p21 ras Powoduje to zmianę związanego w Aktywowane ras oddziałuje i aktywuje następne komponenty układu sygnałowego AKTYWNE Aktywna aza hydrolizuje do I P i Kinazy białkowe Są fosfotransferazami enzymami przenoszącymi grupy fosforanowe na akceptor, którym jest białko Donorem fosforu jest głównie ATP Na drodze fosforylacji regulowana jest aktywność wielu enzymów, a takŝe kanałów jonowych i innych białek docelowych On-Off Off Switches Fosforylacja białek Kinazy białkowe przenoszą reszty fosforanowe z ATP na specyficzne aminokwasy Fosfatazy białkowe usuwają reszty fosforanowe z aminokwasów Kinazy białkowe zaleŝne od jonów wapniowych (Ca 2+ ) i kalmoduliny (CaM-PK) O C C C O H NH Seryna ATP ADP O C Fosforylacja Kinaza O - C C O P O NH O - O-Fosfoseryna Fosfataza O - O C C C O P NH O - P i O C C C O H NH Seryna Defosforylacja O Bierze udział w odpowiedzi komórki na zmiany w wewnątrzkomórkowym poziomie Ca 2 Zbudowana z jednej lub wielu podjednostek, z których wszystkie mają zdolność wiązania kalmoduliny i podlegają autofosforylacji 4

Pochodne kwasu arachidonowego Pochodne kwasu arachidonowego eikozanoidy (EKZ) Kwas arachidonowy jest uwalniany z fosfolipidów w komórkach stymulowanych przez wiele przekaźników, np. neurotransmittery neuromodulatory neurohormony ZaleŜność od receptorów i działanie wewnątrzkomórkowe pozwala zaliczyć je do systemu wtórnych przekaźników. prostaglandyny tromboksan leukotrieny Pierwsze przekaźniki Pochodne kwasu arachidonowego Kanały jonowe Neurotransmitery i inne przekaźniki zewnątrzkomórkowe receptor Białka G Eikozanoidy róŝnią się od klasycznych wtórnych przekaźników tym, Ŝe mogą przenikać przez błonę, dyfundować w przestrzeni zewnątrzkomórkowej i oddziaływać z receptorami na sąsiednich neuronach. Dzięki tej zdolności kaskada kwasu arachidonowego łączy komunikację transmembranową i międzykomórkową. Jest to waŝny sposób integracji odpowiedzi neuronów postsynaptycznych z aktywnością presynaptycznych zakończeń lub innych kontaktujących się komórek. Proces szybki Aktywacja lub hamowanie kanałów jonowych Wtórne przekaźniki camp cgmp Ca 2+ DAG IP 3 Przekaźniki trzeciorzędowe Fosforylacja białek Kinazy białkowe Białko-P białko-oh Fosfatazy białkowe ODPOWIEDŹ FIZJOLOGICZNA Proces krótkoterminowy Synteza i uwalnianie neurotransmittera Zmiana potencjału komórkowego Pamięć krótkotrwała EKZ NO Proces długoterminowy Zmiana ekspresji genów Synteza kanałów, receptorów, Przekaźników wewnątrzkomórkowych Synaptogeneza, uczenie i pamięć Prosta sygnalizacja Jeśli cząsteczka sygnałowa moŝe swobodnie przenikać przez błonę plazmatyczną i jest produkowana w (stosunkowo) duŝych ilościach to sygnalizacja jest bardzo prosta... Receptor wewnątrzkomórkowy W tym przypadku kortyzol (steroid) moŝe przenikać przez błonę gdzie łączy się z receptorem dla glukokortykoidów (GR). Ten receptor jest takŝe czynnikiem transkrypcyjnym i razem z kortyzolem przenika do jądra gdzie aktywuje transkrypcję odpowiednich genów. Kortyzol GR Jądro 5

Budowa receptora jądrowego HNF-4 Budowa receptora estrogenowego (ER) AF-1 DBD H LBD F A/B(AF-1) C(DBD) D(H) E(LBD) F AF-1 (activating factor-1) domena transaktywacyjna zawiera fragmenty TAF-1 warunkujące aktywność transkrypcyjną bez konieczności przyłączenia się estrogenu DBD (DNA-binding domain) wiąŝe receptor z DNA genu docelowego. Ma budowę palców cynkowych. DNA binding domain AF-1 DBD H LBD F H (hinge) umoŝliwia translokację receptora z cytoplazmy do jądra komórkowego LBD (ligand binding domain) odpowiada za przyłączenie się receptora do liganda oraz białek szoku cieplnego a takŝe uczestniczy w dimeryzacji receptora. Zawiera fragmenty TAF-2 warunkujące aktywność transkrypcyjną uzaleŝnioną od związania receptora z ligandem F funkcja jeszcze nie poznana 6

Aktywacja receptora estrogenowego Nie związane z ligandem receptory połączone są z kompleksem białek opiekuńczych Hsp (białka szoku cieplnego) Przyłączenie liganda powoduje zmiany konformacyjne w obrębie domeny LBD zawierającej fragment TAF-2 Aktywacja receptora estrogenowego (cd.) Aktywacja obszaru TAF-2 przez przyłączenie się białek SRC/p160 (steroid receptor coactivators) i CBP/p300 (CREB binding proteins) Tworzenie dimerów (przedostanie do jądra komórkowego???) Aktywacja receptora estrogenowego Przyłączenie dimera receptora estrogenowego do DNA Lokalizacja!! I II 7

Komórka moŝe rozmawiać sama z sobą wysyłanie informacji do samej siebie (autoreceptory) - komunikacja autokrynna Komórka moŝe rozmawiać z sąsiednimi komórkami - komunikacja parakrynna Komórka moŝe rozmawiać z komórkami oddalonymi - komunikacja endokrynna? PODSTAWY IMMUNOLOGII Układ odpornościowy (immunologiczny) to drugi pod względem inteligencji (po układzie nerwowym) komórkowy układ organizmu. Oba te układy mają zdolność: uczenia się zapamiętywania samoregulacji reagowania na bardzo róŝne bodźce zdolność do oceny tych bodźców z punktu widzenia organizmu ROZPOZNAJĄC I BRONIĄC TEGO, CO WŁASNE, UKŁAD ODPORNOŚCIOWY (IMMUNOLOGICZNY) SPRAWIA, śe śycie STAJE SIĘ W OGÓLE MOśLIWE; JEŚLI FUNKCJONUJE ŹLE, POWODUJE CHOROBY I ŚMIERĆ sir Gustav J.V. Nossal KAśDĄ FUNKCJĘ OBRONNĄ ORGANIZM MOśE REALIZOWAĆ NA KILKA RÓśNYCH SPOSOBÓW I ZAŁAMANIE JEDNEGO Z NICH NIE CZYNI NAS JESZCZE ZUPEŁNIE BEZBRONNYMI nabytaodpowiedźimmunologiczna (cechy: swoistość i pamięć) Komórki wrodzonaodpowiedźimmunologiczna Układu Immunologicznego: Limfocyty - rozpoznają antygeny patogenach Fagocyty (monocyty, makrofagi) - pochłaniają patogeny i degradują je Antygeny - cząsteczki rozpoznawane przez receptory na limfocytach (cząsteczka na powierzchni patogenu lub toksyna) Limfocyty (z komórek macierzystych szpiku kostnego): Limfocyty B (rozwijają się w szpiku) - wytwarzają przeciwciała (immunoglobuliny-rozpuszczalne receptory) Limfocyty T (rozwijają się w grasicy): współpraca z Limfocytami B Limfocyty T cytotoksyczne (Tc) - niszczą komórki zakaŝone wirusem Limfocyty T pomocnicze (TH)- koordynują odpowiedź immunologiczną - wytwarzają cytokiny 8

Immunoglobuliny (Ig) - białka surowicy krwi wytwarzane przez Limfocyty B - rozpuszczalne receptory wiąŝące swoiście tylko jeden antygen immunoglobulina Cytokiny cząsteczki, które przenoszą sygnały (informacje) pomiędzy limfocytami, fagocytami i innymi komórkami organizmu POSTAWY ENDOKRYNOLOGII Interferony (IFN), interleukiny (IL), czynniki: TNF, TNFβ, TGFβ 9

Komórka moŝe rozmawiać sama z sobą wysyłanie informacji do samej siebie (autoreceptory) - komunikacja autokrynna Komórka moŝe rozmawiać z sąsiednimi komórkami - komunikacja parakrynna Komórka moŝe rozmawiać z komórkami oddalonymi - komunikacja endokrynna KOMÓRKI ENDOKRYNOWE TO KOMÓRKI, KTÓRYCH GŁÓWNĄ ROLĄ JEST WYDZIELANIE HORMONÓW. Modele rozmieszczenia komórek endokrynowych: Zgromadzone w jednym narządzie tworzącym gruczoł dokrewny np. przysadka mózgowa, szyszynka Tworzące wyosobnione grupy komórek w innym wyspecjalizowanym narządzie np. w jajniku, jądrze, trzustce? Rozmieszczone pojedynczo pomiędzy innymi komórkami nabłonkowymi, szczególnie w jelicie, przypisane do rozproszonego układu neuroendokrynowego KONTROLA UKŁADU ENDOKRYNNEGO Ujemne sprzęŝenie zwrotne KONTROLA UKŁADU ENDOKRYNNEGO dodatnie sprzęŝenie zwrotne kontrola przez inhibicję kontrola metaboliczna rytmy wydzielnicze 10

Oś HPA (podwzgórze-przysadka-nadnercza) (hypothalamic-pituitary pituitary-adrenocortical) podwzgórze CRF(corticotropin-releasing releasing factor) receptory glukokortykosterydowe hipokamp receptory glukokortykosterydowe Oś HPA (hypothalamic-pituitary pituitary-adrenocortical) receptory glukokortykosterydowe Stres podwraŝliwe hipokamp receptory Glukokostykosterydowe podwzgórze CRF(corticotropin-releasing releasing factor) receptory glukokortykosterydowe przysadka receptory glukokortykosterydowe ACTH (adrenocorticotropine( hormone) przysadka receptory glukokortykosterydowe ACTH (adrenocorticotropine( hormone) kora nadnerczy GCs (glucocorticoids) glukokortykosteroidy -kortyzol kora nadnerczy GCs (glucocorticoids) kortyzol 11