Struktura i dynamika błon biologicznych Transport przez błony Receptory błonowe i wewnątrzkomórkowe Receptory hormonalne

Struktura i dynamika błon biologicznych Transport przez błony Receptory błonowe i wewnątrzkomórkowe Receptory hormonalne

BŁONA KOMÓRKOWA - oddziela środowisko wewnętrzne komórki od otoczenia. Budowa: w dwuwarstwie fosfolipidowej są białka powierzchniowe oraz integralne, cholesterol i glikolipidy oraz pewne rodzaje proteoglikanów (syndekan) a także niewielka ilość trójglicerydów GLIKOLIPID GLIKOPROTEID GLIKOLIPID DWUWARSTWA LIPIDOWA TRANSBŁONOWE BIAŁKO KANAŁOWE OBSZAR WEWNĄTRZKOMÓRKOWY BIAŁKO POWIERZCHNIOWE BŁONY BIAŁKO WEWNĘTRZNE BŁONY FILAMENT CYTOSZKIELETU (GŁÓWNIE AKTYNA) BIAŁKO TRANSBŁONOWE źródło: Alan Stevens i James Lowe, Histologia człowieka. 2000

LIPIDY BŁONOWE Fosfolipidy Cholesterol Glikolipidy fosfatydylocholina fosfatydyloinozytol fosfatydyloseryna fosfatydyloetanoloamina sfingomielina CHOLINA galaktocerebrozyd gangliozydy Lipidy błon są amfipatyczne. Każda cząsteczka ma: część hydrofilną część hydrofobową. FOSFORAN GLICEROL KWAS TŁUSZCZOWY źródło: Alan Stevens i James Lowe, Histologia człowieka. 2000

Na płynność błony wpływa zawartość cholesterolu (-) i nienasyconych kwasów tłuszczowych (+) Dopasowanie cholesterolu do przestrzeni między cząsteczkami fosfolipidów w dwuwarstwie lipidowej Molecular Biology of the Cell, 4th ed.

Przemieszczenia fosfolipidów w błonie ruch lateralny (boczny) - w płaszczyźnie błony ruch rotacyjny wokół osi cząsteczki CZĘSTO ruch segmentalny zmiana położenia łańcuchów kwasów tłuszczowych w stosunku do osi cząsteczki flip-flop między listkami błony zachodzą rzadko CZĘSTO Enzymy katalizujące ruchy flip-flop: flipazy (skramblaza)

Cechy błon komórkowych asymetria płynność zdolność do samouszczelniania i samoorganizacji Asymetria dwuwarstwy lipidowej błony spowodowana jest niesymetrycznym rozmieszczeniem w obu warstwach błony grup polarnych fosfolipidów, łańcuchów węglowodorowych i ładunków elektrycznych. Asymetria jej utrzymywanie jest możliwe w przypadku rzadkich ruchów flip-flop cząsteczek lipidów błony biologicznej. Są one katalizowane przez flipazę (oraz jej odmianę - skramblazę)

Przyczyny asymetrii błony komórkowej: 1. rozmieszczenie białek 2. rozmieszczenie fosfolipidów 3. rozmieszczenie oligocukrowców Przestrzeń zewnątrzkomórkowa Cytozol

GLIKOKALIKS = to najbardziej zewnętrzna warstwa błony komórkowej. Tworzą ją RESZTY CUKROWCOWE: białka błony + białka zaabsorbowane + glikolipidy + proteoglikany Reszty cukrowcowe glikoprotein i glikolipidów zwrócone są tylko na zewnątrz komórki, w niektórych komórkach jest ich tak dużo, że tworzą warstewkę węglowodanową widoczną w ME: glikokaliks Glikokaliks posiada ujemny ładunek elektryczny. ROLA: Oddziaływania między komórkami oraz substancją międzykomórko wą np.: - rozpoznawanie i przyleganie komórek - ochrona przed uszkodzeniami chemicznymi i mechanicznymi Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Węglowodany obecne w glikokaliksie: galaktoza mannoza fruktoza galaktozamina glukozamina glukoza kwas sialowy (NANA) zwykle na końcu łańcuchów oligosacharydów stąd ujemny ładunek glikokaliksu Łańcuchy oligocukrów przyłączone są do seryny i asparaginy w części zewnętrznej białek błony

RODZAJE WIĄZAŃ BIAŁEK W BŁONIE (B) (A) UŁOŻENIE TRANSBŁONOWE ZWIĄZANE Z JEDNĄ MONOWARS- TWĄ BŁONY (C) PRZYŁĄCZENIE POPRZEZ LIPIDY (D) PRZYŁĄCZENIE POPRZEZ BIAŁKA DWU- WARSTWA LIPIDOWA CYTOZOL COOH Białka transbłonowe mogą formować w dwuwarstwie albo helisy α, albo tworzące walec harmonijki β (A). Niektóre białka błonowe są zakotwiczone na cytozolowej powierzchni błony poprzez helisę α (B). Inne białka błonowe są połączone z dowolną stroną dwuwarstwy wyłącznie dzięki wiązaniu kowalencyjnemu z cząsteczką lipidu (C). Wiele białek może łączyć się z błoną dzięki niekowalencyjnym oddziaływaniom z innymi białkami błonowymi (D). źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2007

BIAŁKA BŁONOWE SPEŁNIAJĄ WIĘKSZOŚĆ WYSPECJALIZOWANYCH FUNKCJI BŁON KOMÓRKOWYCH BIAŁKA TRANSPORTUJĄCE BIAŁKA KOTWICZĄCE I ADHEZYJNE RECEPTORY ENZYMY PRZESTRZEŃ ZEWNĄTRZ- KOMÓRKOWA CYTOZOL POMPA Na + - K + aktywnie wypompowuje z komórki Na + i wprowadza do niej K + INTEGRYNY wiążą filamenty aktyny z białkami matriks zewnątrzkomórkowej RECEPTOR PŁYTKOPOCHODNEGO CZYNNIKA WZROSTU (PDGF) wiąże zewnątrzkomórkowy PDGF i w konsekwencji wytwarza wewnątrzkomórkowe sygnały powodujące wzrost i podział komórki x y CYKLAZA ADENYLANOWA katalizuje wytwarzanie wewnątrzkomórkowego cyklicznego AMP, w odpowiedzi na sygnały zewnątrzkomórkowe źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2007

FUNKCJE BŁON Oddzielają środowiska zawierające różne substraty w różnym stężeniu. Wytwarzają zatem kompartmentalizację komórki względem otoczenia oraz różnych składników komórki względem siebie. Zapewniają selektywną wymianę substratów między komórką i otoczeniem oraz między różnymi składnikami komórki. Tworzą gradienty stężenia różnych jonów nieorganicznych i cząsteczek między otoczeniem a wnętrzem komórki oraz między różnymi składnikami komórki. Biorą udział w odbiorze i przekazywaniu sygnałów za pomocą glikoprotein i glikolipidów receptorów; przyczyniają się zatem do rozpoznawania chemicznego charakteru środowiska na zewnątrz błony. Przewodzą pobudzenia przy użyciu białek kanałowych i specjalnych struktur ich otoczenia. Są bogatym rezerwuarem substratów do syntezy wielu biologicznie czynnych związków. źródło: W. Sawicki, Histologia, 2005

Biogeneza błon komórkowych - lipidy Fosfolipidy i cholesterol syntetyzowane są w cysternach siateczki śródplazmatycznej gładkiej (SER) Glikolipidy syntetyzowane są w aparacie Golgiego (AG) Fosfatydyloglicerole syntetyzowane są w błonach mitochondriów Źródłem lipidów błonowych jest też środowisko zewnętrzne (np. wnikanie cholesterolu).

POWSTAWANIE BŁON - BIAŁKA - dobudowywanie nowych fragmentów błony już istniejącej przebiega w retikulum endoplazmatycznym, a następnie zachodzi ich transport wewnętrzny z wykorzystaniem mechanizmu recyrkulacji błon. - Występuje też dobudowywanie błony ze składników importowanych do wnętrza organelli np. w mitochondriach i peroksysomach. Dobudowywanie błony komórkowej zachodzi w warstwie P skierowanej ku cytozolowi. ŚRODOWISKO ZEWNĘTRZNE Histologia Sawicki i Malejczyk, 2012 E- exoplasmic space P- protoplasmic space CYTOPLAZMA źródło: J. Kawiak i M. Zabel, Seminaria z cytofizjologii.2002

Stężenie jonów wewnątrz komórki i w płynie pozakomórkowym (mmol\l) Cytozol K+ Na+ Cl- Ca2+ HCO3-160 15 10 0,0001 25 Macierz pozakomórkowa 4,5 145 105 4,5 10

TRANSPORT CZĄSTECZEK PRZEZ BŁONY BIOLOGICZNE błona komórkowa aminokwasy, cukry, nukleozydy, Na +, K +, Ca ++ wewnętrzna błona mitochondrialna pirogronian, ADP, H + /ATP błona lizosomowa - H + TRANSPORT PROSTY nie wymaga nośników, dyfundują małe cząsteczki niepolarne (woda, etanol, mocznik, CO 2, NO, O 2 ). Białka błonowe najczęściej nie biorą udziału. TRANSPORT UŁATWIONY BIAŁKAMI PRZENOŚNIKOWYMI transport ułatwiony aminokwasów, cukrów, nukleozydów, jonów do komórki. Wymaga udziału białek błonowych, ale nie potrzeba nakładu energii z zewnątrz. Cząsteczki przenikają przez błonę zgodnie z kierunkiem ich stężenia w poprzek błony, a jony zgodnie z potencjałem elektrycznym. W tym transporcie cząsteczki nie dyfundują przez dwuwarstwę bezpośrednio, ale biorą w tym udział integralne białka błonowe przenośnikowe (białka przenośnikowe / białka tworzące kanały) TRANSPORT AKTYWNY przenoszenie substancji przeciw gradientowi elektrochemicznemu, wymaga to dostarczenia energii: translokacja grupowa transport aktywny pierwotny transport aktywny wtórny KOTRANSPORT transport dwóch różnych cząstek wzajemnie od siebie uzależniony - gdy odbywa się na tę samą stronę błony SYMPORT; w kierunkach przeciwnych ANTYPORT UNIPORT transport tylko jednego rodzaju cząsteczek

DYFUZJA CZĄSTECZEK PRZEZ DWUWARSTWĘ LIPIDOWĄ MAŁE CZĄSTECZKI HYDROFOBOWE MAŁE CZĄSTECZKI POLARNE BEZ ŁADUNKU WIĘKSZE CZĄSTECZKI POLARNE BEZ ŁADUNKU JONY CO 2 N 2 O 2 benzen H 2 O glicerol etanol aminokwasy glukoza nukleotydy H +,Na + HCO 3-, K + Ca 2+, Cl - Mg 2+ Rozmiar i rozpuszczalność cząsteczki wpływa na szybkość z jaką cząsteczka dyfunduje przez sztuczną dwuwarstwę lipidową. Im mniejsza cząsteczka i im mniej polarna tym szybciej dyfunduje. SZTUCZNA DWUWARSTWA LIPIDOWA źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2007

KANAŁY I NOŚNIKI MOGĄ WPROWADZAĆ MAŁE CZĄSTECZKI DO KOMÓRKI SUBSTANCJA ROZPUSZCZALNA JON DWUWARSTWA LIPIDOWA MIEJSCE WIĄZANIA SUBSTANCJI ROZPUSZCZALNEJ NOŚNIK HYDROFILOWY POR KANAŁ Rozróżniają transportowane cząsteczki na podstawie ich wielkości i ładunku elektrycznego; Prowadzą transport szybciej niż nośniki Pozwala wejść tylko tej cząsteczce, która pasuje do miejsca wiążącego na białku nośnika; Pojedynczo przenosi cząsteczki poprzez błonę, za każdym razem zmieniając swą konformację źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2007

Cechy: Selektywność jonowa Kanały jonowe Zależy od średnicy i kształtu kanału, od rozmieszczenia naładowanych reszt aminokwasowych we wnętrzu kanału Bramkowanie oscylowanie pomiędzy stanem otwartym zamkniętym (przełączenie następuje w sposób przypadkowy) Transport bierny umożliwia szybkie, przejściowe dyfuzyjne przejście jonów w poprzek błony zgodnie z ich gradientem

Różne typy bodźców wpływają na otwieranie i zamykanie kanałów jonowych Kanały jonowe są bramkowane co najmniej na 4 sposoby bramkowany ligandem aktywowany zewnątrzkomórkowym mechanicznie (naprężeniem) (związanie z kanałem chemicznego (wywołane siłą przyłożoną do białka kanału) liganda z zewnątrz) ZAMKNIĘTY + + + + + + + + OTWARTY bramkowany napięciem (zmiana potencjału błonowego) bramkowany ligandem wewnątrzkomórkowym (związanie z kanałem chemicznego liganda z wnętrza komórki) CYTOZOL źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2

KANAŁY JONOWE - KANAŁ POTASOWY filtr selekcjonujący zawierający atomy tlenu grup karbonylowych CYTOZOL PRZEDSIONEK JON POTASU + POR Przez kanał może przepływać zazwyczaj tylko 1 rodzaj jonów. Kanały jonowe wykazują selektywność jonową pozwalającą na przejście tylko niektórych jonów nieorganicznych. W pewnych miejscach kanał jest dostatecznie wąski, by jony miały kontakt z jego ścianą przechodzą tylko te jony, które mają odpowiednią wielkość i ładunek. W obrębie filtra selekcjonującego dochodzi do kontaktu transportowanych jonów z atomami reszt aminokwasowych tego filtra. Filtr kontroluje transport jonów przez ten kanał. źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2007

ZAMKNIĘTY OTWARTY źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2007 filtr selekcjonujący w hydrofilowym porze Kanały jonowe nie są ustawicznie otwarte, działają wg zasady Wszystko albo nic czyli: Kanał jest albo zamknięty i nie przewodzi żadnych jonów albo otwarty i przewodzi niezależnie od wielkości czynnika otwierającego mają maksymalną szybkość transportu, nie mogą sprzęgać przepływu jonów z żadnym źródłem energii, umożliwiającym im prowadzenie transportu aktywnego, ich funkcją jest przejściowe zwiększenie przepuszczalności błony dla wybranych jonów nieorganicznych, przełączają się między stanem otwartym i zamkniętym w sposób przypadkowy, tj. obecność czynnika otwiera kanał z pewnym prawdopodobieństwem (stochastycznie) Wielkość czynnika otwierającego wpływa na ilość otwartych kanałów dwuwarstwa lipidowa

KANAŁ JONOWY TYPOWA LOKALIZACJA FUNKCJA Spoczynkowy kanał K + Bramkowany napięciem kanał Na + Bramkowany napięciem kanał K + Bramkowany napięciem kanał Ca 2+ Receptor acetylocholinowy (kanał Na + i Ca 2+ bramkowany acetylocholiną) Kanał kationowy aktywowany naprężeniem błona komórkowa większości komórek zwierząt błona komórkowa aksonu komórki nerwowej błona komórkowa aksonu komórki nerwowej błona komórkowa zakończenia komórki nerwowej (błona presynaptyczna) błona komórkowa wielu neuronów (w synapsach) słuchowe komórki rzęsate w uchu wewnętrznym podtrzymywanie potencjału błonowegow stanie spoczynkowym wytwarzanie potencjału czynnościowego powrót błony do potencjału stanu spoczynkowego po inicjacji potencjału czynnościowego uruchomienie wydzielania neuroprzekaźnika pobudzająca sygnalizacja synaptyczna odbiór fal akustycznych źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2007

Akwaporyny Kanały białkowe transportujące cząsteczki wody (lub glicerolu) w poprzek błony komórkowej Nieprzepuszczalne dla protonów Cząsteczki wody zmieniają orientację w połowie drogi przez kanał - Flip-flop

TRANSPORT AKTYWNY Transport aktywny pierwotny gdy występuje bezpośrednie sprzężenie transportu z procesem uwalniania energii (hydroliza ATP w pompie sodowo-potasowej) Transport aktywny wtórny gdzie aktywnie transportowana pierwsza substancja (np. Na + ) tworzy gradient potencjału elektrochemicznego, który warunkuje transport innej substancji, np. cukru, aminokwasu, zgodnie z tym gradientem gradient stężenia powstały w wyniku transportu aktywnego pierwotnego rodzaju może stanowić źródło energii dla wtórnego transportu aktywnego kotransport

TRANSPORT AKTYWNY PIERWOTNY Pompa Na/K zależna od energii z hydrolizy ATP transportuje jony Na+, ustanawiając gradient Na+ TRANSPORT AKTYWNY WTÓRNY Ruch jonów Na+, zgodnie z gradientem ich stężenia, napędza transport glukozy niezgodnie z gradientem stężenia glukozy (wyższe stężenie w komórce)

Może odbywać się dzięki: Transport glukozy Białkom z rodziny GLUT (glucose transporter) wysycalny, stereoswoisty, dwukierunkowy Białkom z rodziny SGLT (Sodium-driven glucose symporters) SGLT1 - jelitowy kotransporter Na/glukoza Transport glukozy i galaktozy Bierze udział w pobieraniu tych cukrów z jelita cienkiego SGLT2 - reabsorpcja glukozy z moczu w kanalikach proksymalnych nerki nerce Funkcja i lokalizacja (przykłady) białek GLUT GLUT1 GLUT2 GLUT3 GLUT4 GLUT5 Erytrocyty, tkanki płodowe, BBB, nerka, jelito grube Hepatocyty, enterocyty w jelicie cienkim, komórki beta trzustki, nerka. Jedyny transporter z dwukierunkowym transferem glukozy, b. wysokie powinowactwo do glukozy Neurony w mózgu, łożysko, jądra, niskie powinowactwo do glukozy Komórki mięśni prążkowanych, adipocyty Uczestniczy w zależnym od insuliny pobieraniu glukozy Głównie transportuje fruktozę w enterocytach jelita cienkiego, także wystepuje w nerce i mózgu E

Transport glukozy GLUT2 Niezależny od insuliny Komórki beta trzustki i hepatocyty Transporter o niskim powinowactwie do glukozy Czuły na wzrost stężenia glukozy w surowicy powyżej 5 mm Indukcja wydzielania insuliny tylko po wzroście poziomu glukozy po spożyciu posiłku E

Transport glukozy przez GLUT 4 GLUT4 jest zależny od insuliny Obecny tylko w komórkach mięśniowych poprzecznie prążkowanych i komórkach tłuszczowych (adipocytach) Wysokie powinowactwo do glukozy białka GLUT4 obecne są w błonie pęcherzyków w cytoplazmie. Pęcherzyki ulegają fuzji z błoną komórkową w mechanizmie egzocytozy w ciągu kilku minut po przyłączeniu się insuliny do swojego receptora błonowego. E

Transport glukozy z wykorzystaniem gradientu elektrochemicznego jonów sodu.

POMPA Na + - K + PRACUJE CYKLICZNIE ATP przestrzeń zewnątrzkomórkowa ADP Etap 3 - ufosforylowanie wymusza zmianę konformacji pompy, umożliwiającą uwolnienie Na + na zewnętrznej powierzchni komórki i równocześnie 1 wskazywanie przy tej samej powierzchni cytozol miejsca wiążącego dla K +. Etap 1 - Na + wiąże się z pompą w miejscach eksponowanych do cytozolu, uruchamiając aktywność ATPazową. 2 grupa fosforanowa złączona wiązaniem o wysokiej energii Etap 2 - ATP ulega rozszczepieniu, z uwolnieniem ADP, grupa fosforanowa zostaje przyłączona do białka pompy. Pompa sama się fosforyluje. 3 Etap 4, 5 związanie zewnątrzkomórkowego K + uruchamia usunięcie grupy fosforanowej... 6 Etap 6 -...powodując powrót pompy do jej wyjściowej konformacji, 4 umożliwiającej uwolnienie K + do wnętrza komórki. 5 Strofantyna glikozyd roślinny, toksyna, środek farmakologiczny łączy się z pompą, hamuje jej aktywność i uniemożliwia wiązanie K +. Zapas energii jest dostatecznie duży, aby przez wiele minut podtrzymywać inne procesy transportowe napędzane przez wpływanie Na + zgodnie z gradientem. źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2007

TRANSPORT AKTYWNY PIERWOTNY Istnieją 4 klasy białek transportujących zależnych od ATP Pompa klasy P wymaga fosforylacji jednej podjednostki (pompa Na + - K + ) Pompa klasy F transport protonów w przeciwną stronę energia gradientu H + służy do syntezy ATP (syntaza ATP w wewnętrznej błonie mitochondrialnej) Pompa klasy V zależna od ATP pompa H + w lizosomach Pompy ABC

ZJAWISKO OPORNOŚCI WIELOLEKOWEJ (MDR, multi-drug resistance) Pewne białka transportujące należą do tzw. nadrodziny białek ABC (ATP-binding casette). Glikoproteina P kodowane jest przez gen ABCB1. Działa ona w mechanizmie transportu aktywnego zależnego od ATP. P-glikoproteina (P-gp) jest aktywna w komórkach nowotworowych opornych na cytostatyki usuwa je na zewnątrz komórki chroniąc ją przed zniszczeniem. Oprócz tego, transportery P-gp są zaangażowane w obronę zdrowych komórek przed nagromadzeniem ksenobiotyków naturalny mechanizm obronny (wątroba, nerki, płuca, mózg, łożysko, komórki macierzyste miejsca o naturalnie wysokim poziomie ekspresji transporterów)

Modele działania P-gp Poru cząsteczki leku usuwane są z komórki przez kanał białkowy Flippazy substancje hydrofobowe usuwane są z cytozolu do zewnętrznej części dwuwarstwy lipidowej, skąd mogą dyfundować do przestrzeni zewnątrzkom. Zmiatacza hydrofobowego usuwanie związków hydrofobowych na zewnątrz komórki z dwuwarstwy lipidowej przez kanał białkowy (połączenie dwóch pierwszych modeli) - dominujący

CFTR = cystic fibrosis transmembrane conductance regulator CFTR należy do nadrodziny białek transportowych ABC (ATP-binding cassette) 2 domeny przezbłonowe MSD1 i MSD2 (struktura α-helisy) Ponadto 2 cytozolowe domeny wiążące ATP wykorzystują energię z hydrolizy ATP 250 kpz 27 egzonów 1480 aa 170 kda 12 domen hydrofobowych TM1 - TM12 domeny wiążące ATP NBD1, NBD2 (ang.nucleotide binding domain) regiony przezbłonowe MSD1, MSD2 domena regulatorowa R www.genet.sickkids.on.ca/cftr/cftrdomainpage.html E

Mutacje w genie CFTR wywołują mukowiscydozę CFTR (ang. cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) błonowy regulator przewodnictwa białko tworzące kanał chlorkowy w błonie komórkowej, kodowane przez gen CFTR znajdujący się na długim ramieniu chromosomu 7 w locus 7q31.2. Mukowiscydoza (zwłóknienie torbielowate, ang. cystic fibrosis) choroba genetyczna (autosomalna recesywna) wywoływana przez mutacje w genie CFTR, powodujące zaburzenia w transporcie przezbłonowym jonów Cl -. W klasycznej postaci objawia się skłonnością do zapalenia oskrzeli i płuc, niewydolnością zewnątrzwydzielniczą trzustki, niepłodnością oraz podwyższonym stężeniem chlorków w pocie. Opisano ~1600 mutacji w genie CFTR. Nosicielstwo pojedynczego zmutowanego allelu 1/25 osób. Mgr A. Częstość występowania mukowiscydozy 1/2500 osób. Wikimedia Commons E

Hydroliza ATP nie jest wymagana do transportu Cl - (zgodnie z gradientem elektrochemicznym), a jedynie do zmiany konformacji CFTR! Stan spoczynku: kanał błonowy zamknięty, konformacja cząsteczki nie pozwala na swobodny przepływ jonów Cl -. Jeśli do domen NBD przyłączy się ATP, ulega tam hydrolizie, jednocześnie Ser domeny R ulegają fosforylacji. Zmienia się konformacja cząsteczki, powodując otwarcie kanału i umożliwienie transportu Cl - przez błonę. W fosforylacji Ser biorą udział kinaza proteinowa A (PKA) oraz kinaza PP2A.

BŁONA KONWENCJONALNA to dwuwarstwa lipidowa której głównym składnikiem są fosfolipidy, cholesterol i glikolipidy. Wyspy w których dwuwarstwa lipidowa błony ma strukturę inną niż większość błon określane są jako TRATWY BŁONY. Zagłębienia błony KAWEOLE - pokryte są białkiem kaweoliną. Tratwy i kaweole NIE WYSTĘPUJĄ w błonach limfocytów, erytrocytów i komórek nerwowych. Histologia Sawicki i Malejczyk, 2012

STRUKTURA TRATW I KAWEOLI Strukturę tratw i kaweoli charakteryzuje występowanie glikozylofosfatydyloinozytolu (GPI) oraz zwiększona zawartość cholesterolu w stosunku do błon konwencjonalnych. Na powierzchni kaweoli występują : białka uczestniczące w przekazywaniu sygnałów komórkowych np. białka G receptory np. receptory dla syntazy tlenku azotu białka typowe dla kaweoli jak kaweoliny 1,2,3 czy flotylina W tratwach i kaweolach odbywa się przekazywanie sygnałów przez błonę z komórki i do komórki. Przekazywanie sygnału może odbywać się przez receptory błonowe, a także na drodze endocytozy i egzocytozy. Inna nazwa kaweoli to SYGNALOSOMY- ciałka na powierzchni których różnego typu sygnały krzyżują się i przekazywane są przez błonę komórkową. Histologia Sawicki i Malejczyk, 2012

INFORMATORY PIERWOTNE I WTÓRNE UWALNIANE Z BŁON EIKOSANOIDY LIZOFOSFOLIPIDY POCHODNE FOSFATYDYLOINOZYTOLU Kwas lizofosfatydowy Prostaglandyny Diacyloglicerol Lizofosfatydylocholina Leukotrieny Trifosforan inozytolu IP 3 Fosforan sfingozyny Lipoksyny Sfingozylofosforocholina Receptory współdziałające z białkiem G w błonach i w jądrach komórek. Receptory współdziałające z białkiem G na powierzchni makrofagów, komórek tucznych i płytek krwi. Receptory dla IP 3 występują obficie w błonach komórek móżdżku, hipokampa i innych formacji mózgowia. Histologia Sawicki i Malejczyk, 2012

Główne zasady sygnalizacji międzykomórkowej Sygnalizacja międzykomórkowa jest niezbędna dla: prawidłowego funkcjonowania komórek namnażania komórek różnicowania komórek przeżycia komórek Cząsteczki sygnałowe działają w różnych kombinacjach, co umożliwia uzyskanie różnorodnych odpowiedzi komórki. Na rycinie sygnały niebieskie są modulowane przez sygnały czerwone i zielone). Główne rodzaje cząsteczek sygnałowych: neuroprzekaźniki hormony czynniki wzrostu cytokiny

Komunikacja endokrynowa komórki endokrynowe wydzielają przekaźniki hormony, które są rozprowadzane za pośrednictwem krwi docierają do swoich komórek docelowych Parakrynowa mediatory lokalne działają na sąsiednie komórki (stan zapalny, gojenie się ran) Autokrynowa cząsteczki sygnałowe działają na komórkę, która je wydzieliła (stan zapalny) Neuronalna wysyłanie informacji na duże odległości (szybko i swoiście) poprzez włókna nerwowe (aksony) i synapsy (wraz z neuroprzekaźnikami) Jukstakrynowa = Kontakt bezpośredni dzięki białkom zakotwiczonym w błonie komórek (rozwój embrionalny, stan zapalny) Sposoby komunikowania się komórek E

Główne zasady sygnalizacji międzykomórkowej Receptory przekazują sygnały za pośrednictwem wewnątrzkomórkowych szlaków sygnalizacyjnych Receptory dla hydrofilowych cząsteczek sygnałowych znajdują się na powierzchni komórki (są to receptory błonowe) Cząstki rozpuszczalne w tłuszczach przenikają przez błony i wiążą się z receptorami wewnątrzkomórkowymi Lokalizacja receptora w komórce zależy od tego, czy cząsteczka sygnałowa może przejść przez błonę komórkową. E

Główne zasady sygnalizacji międzykomórkowej 1. Na sygnał reagują tylko te komórki, które mają receptory dla cząsteczek sygnałowych. 2. Odpowiedź komórki na sygnał zależy od specjalizacji czynnościowej komórki i od rodzaju receptora: mogą istnieć różne receptory dla jednej cząsteczki sygnałowej ta sama cząsteczka sygnałowa może indukować różną odpowiedź w różnych komórkach docelowych Różne typy komórek są w różny sposób wyspecjalizowane w zakresie odpowiedzi na acetylocholinę ( ).

PRZEKAZYWANIE SYGNAŁU KOMÓRKOWEGO INFORMATORY I RZĘDU = INFORMATORY PIERWOTNE (cząsteczki sygnałowe, hormony, cytokiny, neurotransmitery, składniki pożywienia), które trafiają do krwi i mogą być transportowane po całym organizmie, mogą oddziaływać na komórki znajdujące się w pobliżu lub oddziałują na tą samą lub taką samą komórkę. Histologia Sawicki i Malejczyk, 2012

INFORMATORY II RZĘDU/INFORMATORY WTÓRNE Informator pierwotny Zmiana konformacji receptora Błona komórkowa Receptor Informator II rzędu camp, cgmp, DAG, IP 3, Ca 2+ Aktywacja kinaz białkowych i czynników transkrypcyjnych Otwieranie kanałów białek kanałowych Histologia Sawicki i Malejczyk, 2012

ZJAWISKA ZWIĄZANE Z TRANSDUKCJĄ SYGNAŁU PRZEŁĄCZNIKI MOLEKULARNE A. Fosforylacja i defosforylacja białek (głównie enzymów i czynników transkrypcyjnych) B. Białka wiążące GTP. Aktywność białek zależy od tego, czy jest z nimi związany GTP czy GDP Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Receptory błonowe Istnieją 3 klasy receptorów błonowych: Receptory jonotropowe - sprzężone z kanałami jonowymi (= kanały bramkowane ligandem) Bezpośrednia odpowiedź: natychmiastowe otwarcie kanału Receptory metabotropowe - sprzężone z białkami G Bezpośrednia odpowiedź: aktywacja pierwszego efektora (np. enzymu) Receptory katalityczne wykazują aktywność katalityczną Bezpośrednia odpowiedź: aktywacja wewnątrzkomórkowej enzymatycznej części receptora Funkcje receptora błonowego: rozpoznanie i związanie cząsteczki sygnałowej przekazanie - transdukcja sygnału aktywacja efektora błonowego lub wewnątrzkomórkowego

Receptory jonotropowe Receptory będące kanałami jonowymi = kanały jonowe bramkowane napięciem lub ligandem. Otwierają się i zamykają czasowo. Przepływ jonów zachodzi na zasadzie transportu biernego zgodnie z gradientem szybki efekt Selektywne (w zależności od ligandów i jonów np. dla Na +, K +, Ca 2+, Cl - ) Przykład: receptor nikotynowy acetylocholiny w mięśniach szkieletowych Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) E

Receptory katalityczne Struktura białko transbłonowe (najczęściej zawiera jedną przezbłonową helisę α wewnątrzkomórkowa domena posiada aktywność enzymatyczną (kinazową) i może wiązać białka cytoplazmatyczne zewnątrzkomórkową domenę więże ligand Działają powoli (z wyjątkiem receptora insuliny) Odpowiadają za: odpowiedź na zewnątrzkomórkowe mediatory regulujące przeżycie, proliferację, różnicowanie, migrację Szybkie zmiany cytoszkieletu aktywny ruch komórki, zmiana jej kształtu E

Receptory dla czynników wzrostu (e.g. FGF, EGF, PDGF, VEGF) wykazują aktywność kinaz tyrozynowych. Przebieg sygnałowania: Związanie liganda z receptorem zbliżenie się w błonie 2 cząsteczek receptora utworzenie dimeru stymulacja ich aktywności kinazowej wzajemne ufosforylowanie ich reszt tyrozynowych powstanie przy cytozolowych domenach kompleksów sygnalizacyjnych elementy tych kompleksów po związaniu ulegają fosforylacji przekazanie/ amplifikacja sygnału do wnętrza komórki Zatrzymanie sygnalizacji poprzez: Usunięcie reszt fosforanowych przez odpowiednie fosfatazy Endocytozę i trawienie receptorów E

Aktywność kinaz tyrozynowych Białko RAS Zwane monomerycznym białkiem G wiążące GTP Związane z błoną komórkową Oscyluje między stanem: Aktywnym związane z GTP Nieaktywnym związane z GDP W stanie aktywnym stymuluje kaskadę fosforylacyjną kaskadę kinazy MAP, która przenosi sygnał z cytoplazmy do jądra Kinaza MAP ostatnie w tej kaskadzie Fosforyluje reszty seryny i treoniny białek regulujących ekspresję genów E

Receptory metabotropowe - związane z białkiem G Struktura receptora: białko z 7 helisami transbłonowymi Posiada: wewnątrzkomórkową domenę wiążącą białko G zewnątrzkomórkową domenę wiążącą ligand Działają bardzo szybko (20 milisekund dla czopków siatkówki oka) Odpowiadają za: odpowiedź na sygnały środowiska odczuwanie zmysłów odpowiedź na działanie hormonów i neuroprzekaźników adaptacja do warunków otoczenia

Białka G Zbudowane są z 3 podjednostek Podjednostka α funkcja regulatorowa w stos. do efektora aktywność GTPazy zakotwiczona w błonie Podjednostka β hamują reakcję podj. α z efektorem stabilizują nieaktywną podj. α GDP warunkują wymianę GDP - GTP Podjednostka γ hamują reakcję podj. α z efektorem stabilizują nieaktywną podj. α GDP warunkują wymianę GDP GTP zakotwiczona w błonie Efekty wywierane przez białka G w komórce zachodzą poprzez: Kanały jonowe kanał K + kanał Ca 2+ Białka błonowe cyklaza adenylanowa (AC) camp fosfolipaza C fosfatydyloinozytol wytworzenie wtórnych cząsteczek sygnałowych

RECEPTORY ZWIĄZANE Z BIAŁKIEM G Białko G zbudowane jest z 3 podjednostek białkowych Stan niepobudzony podjednostka alfa ma związany GDP, a całe białko G jest w stanie spoczynkowym Stan pobudzenia receptor wiąże się z białkiem G, dochodzi do odrzucenia GDP i zastąpienia go przez GTP. Białko G rozpada się na podjednostkę α i kompleks βγ Powstałe podjednostki oddziałują na: - cyklazę adenylanową (camp) oraz - fosfolipazę C (IP 3, DAG, jony Ca++) Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Znaczenie regulacji aktywności białek G Toksyna cholery po przedostaniu się do komórek nabłonka jelita modyfikuje podjednostkę α białka Gs (stymulujące białko G) utrata aktywności GTPazowej stała aktywność białka G stała stymulacja białka docelowego (cyklazy adenylanowej) masowy napływ jonów Cl - oraz wody do jelita biegunka/ odwodnienie

Białka G aktywują enzymy błonowe - cyklaza adenylanowa Ligandy powodujące aktywację cyklazy adenylanowej adrenalina, acetylocholina, glukagon Ligand łączy się z receptorem aktywacja białka G podjednostka α łączy się z cyklazą stymulacja jej aktywności synteza camp (wtórnego przekaźnika) zmiana konformacji kompleksu kinazy A stymulacja jej aktywności fosforylacja reszt seryny i treoniny innych białek komórkowych odpowiadających za: Rozpad glikogenu komórki mięśniowe Regulację ekspresji genów komórki endokrynowe podwzgórza (synteza somatostatyny)

SZLAKI SYGNALIZACYJNE AKTYWOWANE PRZEZ FOSFOLIPAZĘ C Ligandy powodujące aktywację fosfolipazy C acetylocholina, wazopresyna, trombina Ligand łączy się z receptorem aktywacja białka G podjednostka α łączy się z fosfolipazą C stymulacja jej aktywności rozkład fosfatydyloinozytolu obecnego w cytoplazmatycznej części błony komórkowej utworzenie wtórnych przekaźników: 1,4,5-trifosforanu inozytolu (IP 3 ) hydrofilny, dyfunduje w komórce wywierając efekt biologiczny diacyloglicerol (DAG) pozostaje związany z błoną IP 3 wędruje do SER wiąże się z kanałami dla Ca 2+ otwarcie kanałów jony wypływają do cytozolu skurcz mięśnia/ rozwój zarodka DAG wraz z Ca 2+ rekrutują kinazę białkową C z cytozolu fosforylacja białek wewnątrzkomórkowych źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 1999

Cykl białek G Związanie liganda z receptorem zmiana konformacji receptora aktywacja podjednostki α białka G zmniejszenie powinowactwa do GDP połączenie z GTP podjednostka α odłącza się od kompleksu Obie zaktywowane cząsteczki (α i βγ) mogą oddziaływać na błonowe białka docelowe Podjednostka α hydrolizuje GTP do GDP (dzięki swojej aktywności GTPazowej) kompleks białka G ulega ponownemu złączeniu (regeneracja) wyłączenie sygnału

RECEPTORY WEWNĄTRZKOMÓRKOWE Zlokalizowane w cytoplazmie lub w jądrze Aktywacja pod wpływem związania ligandu (zmiana konformacji) Ligandy - hormony steroidowe, hormony tarczycy, witamina D, kwas retinowy W sposób bardzo specyficzny regulują ekspresję genów (częściej aktywują transkrypcję, rzadziej hamują)

Receptory jądrowe Steroidy, hormony tarczycy, wit. D, kwas retinowy Receptory dla kwasów tłuszczowych Inne receptory Aktywują geny uczestniczące w procesach metabolicznych i rozwojowych Uczestniczące w regulacji metabolizmu lipidów Np. wytwarzane przez komórki w stanach zwiększonego zapotrzebowani a na energię

Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) RECEPTORY JONOTROPOWE W SYNAPSACH NERWOWO- MIEŚNIOWYCH Receptor nikotynowy: kanał bramkowany acetylocholiną Receptor rianodynowy: bramkowany jonami Ca 2+ kanał wapniowy w błonie postsynaptycznej NICOTINIC RECEPTOR: RYANODINE RECEPTOR

NO przenika przez błony i oddziałuje bezpośrednio na docelowe białka Tlenek azotu (NO) W komórce powstaje z argininy w wyniku działania syntazy NO (są 3 rodzaje) Lokalnie aktywna cząsteczka sygnalizacyjna Działa miejscowo w macierzy międzykomórkowej ulega przekształceniu w azotany i azotyny Wiąże się bezpośrednio do enzymu, który aktywuje bardzo szybki efekt jego działania Komórki śródbłonka naczyń wydzielają NO w odpowiedzi na pobudzenie nerwowe związanie NO z cyklazą guanylanową w komórce utworzenie cgmp rozkurcz mięśni gładkich w ścianie naczynia rozszerzenie naczynia