Řízení dějů v buňce. Buněčná signalizace - soubor dějů - mají podíl na vzájemné komunikaci buněk

Transkript

1 Řízení dějů v buňce Buněčná signalizace - soubor dějů - mají podíl na vzájemné komunikaci buněk Endogenní signalizace - signální molekuly (ligandy) jsou vylučovány buňkou (např. růstový faktor, cytokin ): a) na buněčný povrch b) do mimobuněčného prostoru Buňky přijímají většinou signál vazbou ligandu se specifickým receptorem Aktivovaný receptor spustí tzv. signalizační kaskádu, která reguluje aktivitu cílových genů

2 Řízení dějů v buňce Obecné schéma buněčné signalizace Signalizace je zahájena vazbou ligandu se specifickým receptorem na buněčné membráně nebo nitrobuněčným receptorem Po navázání ligandu aktivovaný receptor spustí tzv. signalizační kaskádu Účastní se řada proteinů (sekundární poslové), z nichž každý je aktivován tím předcházejícím Odehraje se tak řada nitrobuněčných pochodů v celém buněčném prostoru

3 BUNĚČNÁ SIGNALIZACE (mezibuněčná komunikace) Zajišťuje koordinaci pochodů v organismu Buňky geneticky naprogramovány tak, že mohou na signální látky reagovat selektivně podle vývojového stadia organismu a typu buněk Přenos signálu od signální molekuly do jádra je zprostředkován mnohastupňovým signalizačním systémem

4 Řízení dějů v buňce Aktivita a množství enzymů zajišťuje koordinaci pochodů v organismu a) ovlivnění transkripce b) posttranskripční úpravy mrna c) regulace translace d) cílený transport enzymů, proteolýza e) fosforylace, acetylace, metylace.

5 BUNĚČNÁ SIGNALIZACE (endogenní) Signalizační systém: Povrchové a nebo nitrobuněčné receptory Proteinkinasy, proteinfosfatasy, G proteiny, ATP a další molekuly Signální molekuly (ligandy) - uvolnění z buněk exocytózou nebo difuzí plasmatickou membránou K cílovým buňkám přepravovány (např. hormony) nebo vázány k povrchu secernující buňky Cílová buňka reaguje se signálními molekulami pouze prostřednictvím receptorů Vazba s receptorem je vysoce specifická ligand-receptorové komplexy

6 Řízení dějů v buňce Endokrinní signalizace - na delší vzdálenost, ovlivňování vzdálených tkání Parakrinní signalizace na krátkou vzdálenost; např. testosteron z Leydigových buněk ve varlatech účinkuje na buňky semenotvorných semenných kanálků Neurokrinní signalizace signální molekuly vylučované nervovými buňkami působí na jiné buňky jako neurotransmitery nebo jako neurohormony Autokrinní signalizace vylučovaná signální látka se váže na tutéž buňku (tkáň), v níž vznikla Juxtakrinní signalizace mezi dvěma sousedními buňkami; propojení membránovými proteiny a receptory; typické pro různé růstové faktory (jako TNFalfa, EGF ) Intrakrinní signalizace úprava signální molekuly v cílové tkáni : a) Je zcela změněna b) Je zvýšena/snížena biologická aktivita (např. thyroxin se enzymaticky mění na trijodthyroxin s odlišnou aktivitou)

7 SIGNÁLNÍ MOLEKULY Lipofilní signální substance (téměř nerozpustné ve vodě hydrofóbní) Např. steroidní hormony (gestageny, kortikoidy, androgeny, estrogeny, prostaglandiny), thyroidní hormony (thyroxin), vitamin D, retinoidy (deriváty vitaminu A - retinolu) a další Hormony - secernovány do krevního řečiště, v krvi reversibilní vazba na bílkovinné nosiče Po vazbě s receptorem cílové buňky z vazby uvolněny Vstupují do buňky plasmatickou membránou prostou difuzí V buňce se reversibilně váží na nitrobuněčné receptory Působí i na velké vzdálenosti od místa sekrece Přenos je pomalý

8 SIGNÁLNÍ MOLEKULY Lipofóbní signální substance (převážně substance rozpustné ve vodě) vazba s receptory plasmatické membrány Například: Růstové faktory (většinou produkty protoonkogenů) Hormony insulin a glukagon (hormon produkovaný A-buňkami slinivky břišní-antagonista inzulinu) Produkty buněk mesenchymálního původu, makrofágů, granulocytů, lymfocytů (cytokiny - řadí se též mezi růstové faktory) Interleukiny; Interferony Katecholaminy (dopamin, adrenalin, noradrenalin) jsou přenašeči nervových vzruchů na synapsích - hlavním zdrojem katecholaminů jsou buňky dřeně nadledvin, uvolňují je do krevního řečiště Aminokyseliny, nukleotidy, atp.

9 BUNĚČNÁ SIGNALIZACE - přenos signálu

10 Protoonkogeny a buněčná signalizace Kódují MOLEKULY všech úrovních SIGNÁLNÍCH DRAH signální molekuly, receptory, tzv. sekundární molekuly REGULACE BUNĚČNÉHO MNOŽENÍ PROTOONKOGENY geny se skrytým onkogenním potenciálem

11 SIGNÁLNÍ MOLEKULY Růstové faktory působí v komplexu se specifickým membránovým receptorem převážně s tyrosinkinasovou aktivitou Růstové faktory stimulují proliferaci, regulují proteosyntézu, buněčný růst, diferenciaci buněk, jejich vyzrávání, migraci Některé růstové faktory (často v závislosti na množství) buněčnou proliferaci inhibují (například transformující růstový faktor beta - TGF-β) Působí jak specificky, tak pleiotropně Často nutná kombinace účinku více faktorů Na převodu signálu do nitra buňky se podílejí tři typy membránových receptorů: a) iontové kanály, b) receptory, které aktivují G proteiny (GTP/GDP), c) receptory s enzymovou aktivitou

12 RŮSTOVÉ FAKTORY - vybrané příklady Rodina růstových faktorů PDGF/VEGF PDGF - destičkové růstové faktory (platelet-derived growth factor) Několik isoforem růstových faktorů PDGF protoonkogeny na různých chromosomech (např. gen PDGFA - chromosom 7p22, PDGFB - chromosom 22q13, PDGFC - chromosom 4q32) Mohou navzájem kooperovat pleiotropní účinky PDGF jsou převážně uvolňovány z krevních destiček, ale i z jiných hematopoietických a epiteliálních buněk Stimulují buněčnou proliferaci fibroblastů, buněk hladké svaloviny, neurogliálních buněk atp., Významná úlohu v embryonálním období a při hojení ran EPO (erythropoietin) - specificky působící růstový faktor Má pouze vliv na proliferaci prekursorů erytrocytů Jeho zdrojem jsou hepatocyty a ledviny

13 RŮSTOVÉ FAKTORY - pokračování VEGF - cévní endoteliální růstové faktory (vascular endotheliar growth factor - chromosom 6p21) Odlišný sestřih transkriptu téhož genu několik isoforem VEGF (VEGF- A, VEGF-B, VEGF-C, VEGF-D, VEGF-E) Jednotlivé isoformy VEGF podporují angiogenezu, vaskulogenezu, růst endoteliálních buněk, podněcují permeabilizaci cévních stěn Aktivita genu VEGF je regulována jinými růstovými faktory (např. FGF-2), cytokiny (např. IL-8), gonadotropiny, NO, hypoxií a hypoglykemií

14 RŮSTOVÉ FAKTORY - pokračování EGF (epidermální růstový faktor) stimuluje proliferaci epidermálních i neepiteliálních buněk FGF (fibroblastové růstové faktory) - proliferace fibroblastů, chondrocytů, stimulace angiogeneze Členové rodiny NGF (nervový růstový faktor) - podpora přežití a růstu neuronů GGF (gliový růstový faktor) stimuluje Schwanovy buňky a astrocyty TGF-alfa a TGF-beta - rodina strukturně odlišných transformujících růstových faktorů, působí nepřímo - transkripční faktory TGF-alfa stimuluje mitózu, podporuje hojení ran, stimuluje zánětlivé reakce TGF-beta inhibuje mitózu, má protizánětlivý účinek. Inhibice buněčné proliferace souvisí s aktivací inhibitorů Cdk-proteinkinas např. tumor-supresorový gen Rb1

15 Receptory aktivující G proteiny Jediný polypeptidický řetězec - tři části: (i) vně plasmatické membrány, (ii) prostupující plasmatickou membránou a (iii) uvnitř buňky K vnější části se váže signální molekula - mění konformaci receptoru a aktivuje ho K vnitřní části se po aktivaci receptoru váží G proteiny G proteiny (GTP-vázající regulační proteiny) převádějí signál od receptoru k dalším signálním molekulám v buňce Jsou tvořeny třemi podjednotkami - alfa, beta a gama (trimerické GTPasy) G proteiny aktivují enzymy, které podněcují vznik nitrobuněčných mediátorů signálu (sekundárních poslů)

16 α β γ G protein: podjednotky α, β, γ signální molekula (např. hormon) Receptor aktivující G proteiny (GTP/GDP) (G protein podjednotky α,β,γ) receptor α β γ GDP G s protein adenylatcyklasa komplex signální molekula receptor (aktivovaný) α GTP β γ adenylatcyklasa GDP GDP komplex signální molekula receptor (aktivovaný) hydrolýza GTP β γ adenylatcyklasa komplex signální molekula - receptor hormon α GTP β γ α GTP adenylatcyklasa camp proteinkinasa A fosforylace serinů a threoninů regulačních proteinů

17 Aktivace a inaktivace G proteinů KOMPLEX ligand-receptor Signalizační kaskáda GDP GTP Inaktivní G-proteinRAS /GDP Aktivní G-protein RAS / GTP GTPasy GDP Hydrolýza GTP GDP

18 Protoonkogen ras Produkty protoonkogenů ras - G proteiny Proteiny Ras regulují buněčnou proliferaci a diferenciaci pomocí posttranslační úpravy bílkovin fosforylací Aktivace Ras proteinů - fosforylace tyrosinů tyrosinkinasami Signál v cytosolu předán MAP-kinasam (mitogen-activated protein kinases) Aktivované Ras proteiny fosforylují a tím aktivují kaskádu tří typů MAP-kinas MAP-kinasy - první MAP-kinasa (Raf) a druhá v pořadí - fosforylace serinů, threoninů a nebo i tyrosinů; třetí MAP-kinasa jak threoniny tak tyrosiny) Třetí MAP-kinasa vstup do jádra fosforylace regulačního proteinu genů časné odpovědi (geny myc, jun a fos) Produkty genů myc, jun a fos stimulují transkripci genů pozdní odpovědi např. cyklinů a cyklin-dependentních proteinkinas

19 Signální dráha - protein Ras

20 Mezibuněčná komunikace Gap-junction Spojení plazmatické membrány sousedících buněk a vytvoření úzkých kanálků, zejména velký význam v průběhu embryonálního vývoje živočichů Výměna malých intracelulárních molekul jako jsou Ca 2+ a cyklický 3',5'-adenosinmonofosfát (camp)

21 Neurokrinní signalizace - Iontové kanály Iontové kanály se nacházejí v plasmatických membránách elektricky vzrušivých buněk rychlá synaptická signalizace Signální látky - převážně neurotransmitery: katecholaminy (dopamin, adrenalin, noradrenalin); buňky dřeně nadledvin je uvolňují do krevního řečiště Neurotransmitery přechodně otevírají nebo uzavírají iontové kanály - tím mění dráždivost buněčných membrán

22 Mezibuněčná komunikace neurokrinní Iontové kanálky Podráždění nervové buňky a i vedení nervového vzruchu nerovnoměrná hladina sodíku a draslíku uvnitř a vně buňky Na vnitřní straně buněčné membrány - vyšší hladina draslíku a nižší hladina sodíku; na vnější straně buněčné membrány naopak Při podráždění - náhlá propustnost membrány buňky; sodné ionty proudí dovnitř buňky - dochází ke vzniku akčního potenciálu

23 Synaptická komunikace Synaptická signalizace Přenos neurotransmiterů mezi synaptickým zakončením axonu a cílovou buňkou - prostor chemické synapse V prostoru chemické synapse se nachází konec axonu v těsném kontaktu s receptory cílové buňky anebo iontovými kanály. Těsný kontakt axonu a cílové buňky umožňuje velice rychlý přenos neurotransmiteru (v milisekundách i rychleji) Různé neurony uvolňují vždy tytéž neurotransmitery, ale cílové buňky reagují specifickým způsobem podle typu buněk Neurotransmiterů je vylučováno velké množství receptory cílových buněk k nim mají nízkou afinitu rychlá disociace neurotransmiteru z receptoru

24 Synaptická komunikace

25 Neurohormony hypotalamo-hypofyzární systém Hypotalamus koordinuje nervové a endokrinní funkce udržování homeostázy Řídí funkci hypofýzy tím ovládá sekreci většiny hormonů signály pro biorytmy autonomní nervový systém působení na buňky tkání a na orgány Na úrovni buněk orgánů organismu řídí a) metabolismus b) produkci a výdej tepla c) krevní oběh a tlak d) dýchání e) hladinu glukózy f) iontové složení tělních tekutin g) vyměšování atd..