Jelzőmolekulák, receptorok és jelátvitel SZIGNÁLTRANSZDUKCIÓ

Átírás

1 Jelzőmolekulák, receptorok és jelátvitel SZIGNÁLTRANSZDUKCIÓ Tanulási támpontok 6. és 7. Dr. Kékesi Gabriella Receptorok, szignáltranszdukció jelátviteli mechanizmusok Ismertesse a mediátorok (jelátvivő anyagok) típusait: parakrin és autokrin jelzőmolekulák, hormonok, neurotranszmitterek, neurohormonok és interleukinok. Ismertesse a receptor, ligand, agonista, antagonista (kompetitív, nem kompetitív) fogalmakat. Receptorok osztályozása: 1. elhelyezkedésük alapján (membrán- és cytosolreceptorok, magreceptorok, intracelluláris membránreceptorok (IP 3, 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 (G s /G i /G q ), működésük.definiálja a másodlagos hírvivő fogalmát, ismertesse a legfontosabbakat (camp, cgmp, kalcium, IP 3 /DAG, arachidonsav). Vázolja fel a szignalizációs útvonalat, a szignáltranszdukció elemeit és jelentőségüket a sejtben. 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: cytosolaris és magreceptorok felépítésének és működésének bemutatása egy-egy példán keresztül (pl. szteroid és pajzsmirigy hormon receptorok). 1

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 praesynapticus membrán depolarizációjától a postsynapticus membránon keletkező gradált válasz (PSP) kialakulásáig). Írja le az alábbi lokális potenciálok ionális hátterét: excitatoros postsynapticus potenciál (EPSP), inhibitoros postsynapticus potenciál (IPSP), véglemezpotenciál (EPP) és receptorpotenciál. Írja le a postsynapticus potenciálok (EPSP és IPSP) időbeli és térbeli szummációját és szerepüket az akciós potenciál keletkezésében. Írja le a klasszikus neurotranszmitterek jellemzőit. Csoportosítsa a klasszikus és nem klasszikus 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. Normálértékek: szinaptikus késés: 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 2

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, arachidonsav származékok, hisztamin, bradikinin ) Hormonok Neurotranszmitterek és neurohormonok (pl. CRH, TRH ) Neurotranszmisszió - Szinapszis 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 3

4 Elektromos szinapszis Kémiai szinapszis Elektromos szinapszis Kémiai szinapszis Gap junction réskapcsolat (~2 nm) Connexonok 6 connexin alegység 4 TM molekula Nincs szinaptikus késés közvetlen ionáramlás Mindkét irányba vezet 1. n. vagus elektromos ingerlése Otto Loewi (1936 Nobel-díj) DONOR béka szív 3. Perfúziós oldatból mintavétel 4. Perfúziós oldat injektálása a RECIPIENS béka szívbe 2. Szívfrekvencia csökken 5. Szívfrekvencia csökken Funkció: összerendezett gyors válasz Szinaptikus késés: 1-1,5 ms Szinaptikus rés : nm Serkentő / gátló 4

5 Interneuronális szinapszisok ~ szinapszis / neuron Konvergencia, divergencia elv CNS: neuron 2 x szinapszis Axo-dendritikus szinapszis Axo-szomatikus szinapszis Axa-axonális szinapszis Transzmitter-felszabadulás mechanizmusa Preszinaptikus sejt Szinaptikus rés Akciós Potenciál (AP) 1. AP eléri AP eléri az az axon-végződést axonvégződést 2. Feszültségfüggő kalciumcsatornák ff. kálcium-csatornák nyílnak kinyílnak 3. Kalcium beáramlás Kálcium beáramlás 4. Kalcium-jel a vezikulumoknak 5. A vezikulumok a membránhoz közelednek 6. A dokkolt vezikulumok exocitózissal kiürítik a neurotranszmittert 7. A neurotranszmitter diffúzióval eljut a szinaptikus résen keresztül a receptorokhoz Posztszinaptikus sejt 5

6 H + -Neurotranszmitter antiporter Neurotranszmitter felvétele a vezikulumba Aktív zónához közeledés Dokkolás az axonterminál membránján Kalcium-aktivált exocitózis Clathrin-mediált vezikulum endocitózis Axonterminál citoplazmája Szianaptikus rés Dokkoló és kalcium-szenzor fehérjék Dokkoló (SNARE) fehérjék: syntaxin, SNAP-25; synaptobrevin, syntagmin. Transzmitter felszabadulás Kvantumok Dale-elv: a neuron minden axon-végződésből ugyanaz az egy transzmitter szabadul fel Co-existance : kémiailag különböző transzmitterek együttes 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 6

7 Boyd and Martin Transzmitterfelszabadulás kvantalis elmélete Felszabadult transzmitterek sorsa Kismolekulájú neurotranszmitterek Gáz transzmitterek neuropeptidek Receptorkötés 2. Enzimatikus lebontás a szinaptikus résben 3. Diffúzió kapillárisokba, nyirokerekbe, extraszinaptikus receptorokhoz 4. Visszavétel a preszinaptikus axonvégződésbe; felvétel a glia sejtekbe (transzporterek révén) 7

8 Transzmitter-felszabadulás és hatás preszinaptikus módosításának lehetőségei 1. Transzmitter szintézis befolyásolása Pl. α-metil-p-tirozin gátolja a tirozin-hidroxiláz enzimet, így gátolva a katekolaminok szintézisét 2. Axonális transzport befolyásolása Pl. a kolhicin a mikrotubulusok károsításával akadályozza az axonális transzportot 3. Akciós potenciál terjedésének befolyásolása Pl. a gömbhalból kivonható tetrodotoxin (TTX) blokkolja a feszültségfüggő nátrium-csatornákat 4. Transzmitterek vezikuláris felvételének befolyásolása Pl. rezerpin gátolja a transzmitter felvételt a vezikulumokban 5. Transzmitter felszabadulás befolyásolása Pl. ff. Kalcium-csatorna blokkolók (verapamil) gátolják; amfetamin fokozza a noradrenalin felszabadulást; fekete özvegy pók mérge kiüríti az Ach raktárakat; botulinum toxin csökkenti az Ach felszabadulást 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 a kokain és az amfetamin gátolja a transzmitterek visszavételét, ezzel fokozva a szinaptikus aktivitást; antidepresszánsok (SSRI) Transzmitterhatás posztszinaptikus módosításának lehetőségei 1. Transzmitterek inaktivációjának befolyásolása Pl. fizosztigmin AChE gátló 2. Posztszinaptikus receptorok számának a befolyásolása Pl. az alkohol emeli a GABA receptorok számát 3. Posztszinaptikus receptorok gátlása Pl. antipszichotikumok; kurare 4. Posztszinaptikus receptorok aktiválása Pl. nikotin; LSD 5. Másodlagos hírvivők befolyásolása Pl. lítium (camp ); PDE gátlók (Viagra) 8

9 Neuromuszkuláris junkció (NMJ) I.: a motoros ideg és a beidegzett vázizom közötti ingerületátvitel helye 1. Akciós potenciál (AP) az α motoneuron axonján 2. ff. kalcium-csatornák nyílás 3. ACh tartalmú vezikulumok exocitózisa 4. nach receptorok aktiválása a posztszinaptikus vázizomroston 5. Na + -ion beáramlás, K + -ion kiáramlás véglemezpotenciál (EPP) 6. ff. Na + -csatornák nyílása 7. Na + -ionok beáramlása AP keletkezése 8. Az izomsejt membránján végigterjedő AP 9. ACh enzimatikus lebontása (AChE) Neuromuszkuláris junkció II. Kompetitív nach antagonisták Preszinaptikus toxinok Pl. botulinum toxin Nem-depolarizáló izomrelaxánsok Pl.:d-tubokurarin, gallamin Depolarizáló izomrelaxánsok Pl.:szukcinil-kolin AChE gátlók Pl.: fizosztigmin, neosztigmin; harci gázok 9

10 1. Preszinaptikus sejt Akciós potenciáljának felszálló szára Retrográd transzmitterek pl. endokannabinoidok, NO A posztszinaptikus sejtből felszabaduló lipidoldékony anyagok a preszinaptikus végződéshez diffundálva befolyásolják annak transzmitterleadását Pl.: 2-AG (arachidonoil-glicerol) csökkenti a glutamát preszinaptikus felszabadulását Posztszinaptikus elektromos jelenségek Helyi, elektrotónusos, posztszinaptikus potenciál változások EPSP (Excitátoros posztszinaptikus potenciál); IPSP (inhibítoros posztszinaptikus potenciál) 4. Akciós potenciál a posztszinaptikus sejten 3. EPSP Axondomb Ingerküszöb Szummáció az axondombon 2. Kalcium beáramlása (Llinás 1982.) 10

11 Szinaptikus integráció posztszinaptikus potenciálok összegződése Időbeli szummáció Térbeli szummáció Transzmitter-felszabadulás preszinaptikus szabályozása Szelektíven befolyásol egyetlen befutó pályát A/ preszinaptikus facilitáció B/ preszinaptikus gátlás 11

12 Szinaptikus gátlás és facilitáció Posztszinaptikus gátlás (IPSP, glycin) Preszinaptikus facilitáció Axo-axonális szinapszisok Fokozott transzmitter felszabadulás nagyobb EPSP Preszinaptikus gátlás Axo-axonális szinapszisok Csökkent transzmitter felszabadulása kisebb EPSP Transzmitter felszabadulásra kifejtett direkt gátló hatás (toxinok) GABA-mediált gátlás Szinaptikus plaszticitás 1. Rövid-távú változások szinapszisban résztvevő neuronok aktivitása határozza meg a szinaptikus átvitel erősségét (ingerületáttevődés hatásfokát) - a két neuron közötti kapcsolat erősségének változása Preszinaptikus változások 1. Facilitáció: egymást rövid időn belül követő preszinaptikus ingerületek egyre növekvő PSP-kat váltanak ki 1. Egyre magasabb preszinaptikus [Ca 2+ ] IC - több transzmitter szabadul fel 2. Classified as: 1. neural facilitation, synaptic augmentation or post-tetanic potentiation 2. Depresszió: vezikulumok depletálásának a következménye 12

13 Szinaptikus plaszticitás 2. Hosszú-távú változások (>órák) Posztszinaptikus váltizások 1. LTP (long-term potentiation = hoszzú távú potenciáció): Magas frekvenciájú preszinaptikus ingerületsorozatot követően a további preszinaptikus aktiválással kiváltott EPSP amplitudója meghaladja az ingerületsorozat előtt kiváltott EPSP amplitudóját 1. ok pl. hippocampus eltérő glutamát receptorai (AMPA, NMDA) 2. LTD (long term depression= hoszzú távú depresszió): egy szinapszis hatékonyságának aktivitás-függő csökkenése Posztszinaptikus receptorsűrűség csökkesés és/vagy csökkent transzmitter felszabadulás Memóriatárhelyek ürítése Kezdeti depolarizáció Mg 2+ elmozdulása NMDA receptor aktivációja Ca 2+ beáramlás Ca 2+ beáramlás újabb AMPA receptorok kihelyeződése - szenzitizáció Alacsony frekvenciás ingerlés eltérő kalcium jel keletkezik AMPA receptorok endocitózisa csökkent szenzitivitás 13

14 LTP kialakulása NMDA receptor 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, H 2 S 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 14

15 Acetil-kolin szintézise és metabolizmusa Acetil-koenzim A kolin Kolin-acetiltranszferáz (ChAT) Acetil-kolin Acetil-kolin-észteráz (AChE) acetát kolin Katekolaminok szintézise és metabolizmusa Noradrenalin Normetadrenalin Dihidroximandulasav Mandulasav Adrenalin Metadrenalin MAO: monoamin-oxidáz COMT: katekol-o-metiltranszferáz 15

16 Szteroidok szintézise Helye: sima felszínű endoplazmás retikulum (SER); mitokondrium Lipofilek egyszerű diffúzió Nem tárolódnak vezikulumokban szükségletnek megfelelő szintézis és felszabadulás Koleszterin Progeszteron Kortikoszteron Dehidroepiandtroszteron Kortizol Aldoszteron Androsztendion Tesztoszteron Ösztron Dihidrotesztoszteron Ösztradiol Ösztriol 16

17 Gáz mediátorok: NO, CO, H 2 S 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 H 2 S Vazodilatáció, gyulladáscsökkentő, sejtek túlélése Hem-oxigenáz Hem Guanilátcikláz Proeinkináz G Fehérjék Nitrogén-monoxid szintáz L-arginin Foszfodiészteráz 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 17

18 Lipidek - eikozanoidok Membrán foszfolipidek PLA 2 arachidonsav Ciklooxigenáz út Lipoxigenáz út Prosztaglandinok, leukotriének gyulladás Prosztaciklin, thromboxánok véralvadás Membrán foszfolipidek Foszfolipáz A 2 ARACHIDONSAV Ciklooxigenáz út Lipoxigenáz út Prosztaglandinok Prosztaciklinek Thromboxánok Leukotriének 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 18

19 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 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) 19

20 Metabotróp receptorok I. 7 TM szerkezet G-fehérjéhez kapcsolt Gi/Gs/Gq Trimer szerkezet: α, β és γ alegység GDP/GTP kötés GTP-áz aktivitás Közvetlen ioncsatorna aktiválás/gátlás vagy másodlagos hírvivők felszabadítása Inaktív receptor aktivált receptor G fehérjék hatásai 1. Lassú, ligand-függő ioncsatornák közvetlen aktiválása vagy gátlása. (lassabb, de hosszabb hatás, mint az ionotróp receptorok esetén). 2. Másodlagos hírvivők szintézisének serkentése vagy gátlása fehérje foszforiláció sejtszintű válasz 20

21 Metabotróp receptorok II. másodlagos hírvivők camp (ciklikus adenozin-monofoszfát); cgmp (ciklikus guanozin-monofoszfát) IP 3 (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 21

22 Metabotróp receptorok III/1. jelátviteli folyamatok Gs/Gi Adenilát-cikláz enzim (AC) camp proteinkináz A enzim (PKA) Pl.: α 2 ( ) és β 1-3 adrenerg receptorok ( ); M 2,4 acetilkolin receptor ( ); Guanilát-cikláz enzim (GC) cgmp proteinkináz G enzim (PKG) Pl.: (atrialis natriuretikus peptid (ANP) receptor; NO Metabotróp receptorok III/2. jelátviteli folyamatok G q Foszfolipáz C enzim (PLC) foszfatidilinozitol 4,5-biszfoszfát (PIP 2 ) inozitoltrifoszfát (IP 3 ) + diacilglicerol (DAG) IP 3 IC kalcium felszabadulás DAG proteinkináz C enzim (PKC) Pl.: α 1 adrenerg receptor; M 1, 3, 5 acetilkolin receptor 22

23 Metabotróp receptorok III/3. jelátviteli folyamatok G q Foszfolipáz A enzim (PLA) arachidonsav (AA) prosztanoidok: prosztaglandinok, leukotriének Pl.: egyes hisztamin és bradikinin receptorok Metabotróp receptorok IV. példák Muszkarinos acetilkolin receptorok (M 1-5 ) Adrenerg receptorok (α 1-2, β 1-3 ) Szerotonin receptorok (5HT 1-2, 4-7 ) Hisztamin receptorok GABA-B receptor Dopamin receptorok Metabotróp glutamát receptorok Adenozin receptorok Peptid receptorok Py receptorok (ATP) 23

24 G q G i G s Símaizom kontrakció, glikogenolízis NA felszabadulás gátlása Símaizom kontrakció Símaizom 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 24

25 Enzim- vagy enzimhez kapcsolt receptorok 1 TM szerkezet Extracelluláris ligandkötőhely Intracelluláris enzim aktivitás, vagy enzimhez kapcsolódás (pl. tyrozin-kinázok) Pl.: növekedési faktorok, citokinek, inzulin Ionotróp receptorok I. Tetramer vagy pentamer szerkezet A receptor maga egy ioncsatorna Ligand kötése (1.) konformáció változás ioncsatorna nyílik (2.) ionpermeábilitás megváltozik (3.) Ligand-aktivált ioncsatornák Serkentő / Gátló pl.: GABA A, GABA C Glicin receptor nach receptor NMDA, non-nmda (AMPA, Kainát) receptor P x (ATP) receptor 5HT 3 receptor 25

26 NMDA receptor-komplex sematikus ábrázolása Glutamát kötőhely Poliamin kötőhely Zn 2+ kötőhely Extracelluláris tér Glicin kötőhely Intracelluláris tér Ionotróp nikotinos Acetil-kolin (Ach) receptor szerkezete ACh kötőhely (2!) Metabotróp muszkarinos Acetil-kolin (Ach) receptor Ionotróp nikotinos Acetil-kolin (Ach) receptor PLCβ [Ca 2+ ] IC AC ff. Ca ++ -csatorna PKC [Ca 2+ ] IC 26