Βιολογικές Μεμβράνες και Μεταγωγή Σήματος

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Βιολογικές Μεμβράνες και Μεταγωγή Σήματος Ενδοκυττάρια σήματα Διδάσκουσα: Καθ. Μαρία - Ελένη Ε. Λέκκα

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

ΕΝΔΟΚΥΤΤΑΡΙΑ ΣΗΜΑΤΑ Δεύτεροι αγγελιοφόροι BIOXHMEIA, TOMOΣ I ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ

Ενδοκυττάρια σήματα Κυτοσολικά camp cgmp Φωσφοϊνοσιτίδια Ca 2+ Μεμβρανικά DAG (Διακυλογλυκερόλη) Φωσφατιδυλοϊνοσιτόλες (PtdIns)

Ιδιότητες των 2 ων αγγελιοφόρων Συντίθενται και αποδομούνται μέσω ειδικών ενζυμικών αντιδράσεων. Αποθηκεύονται σε ειδικές αποθήκες (πχ Ca 2+ ) Συντίθενται σε ειδικές περιοχές και μπορεί να απενεργοποιηθούν ανάλογα με τη θέση τους. Έτσι το κύτταρο μπορεί να δημιουργήσει σήματα που είναι χωρικά και χρονικά περιορισμένα.

Σύνθεση και αποδόμηση του camp 3',5' κυκλική μονοφωσφορικής αδενοσίνης Παράγεται από ΑΤΡ μέσω της αδενυλικής κυκλάσης (ΑC). Αποικοδομείται από φωσφοδιεστεράσες (PDE). Συνεντοπίζεται σε υποκυττάριες θέσεις μαζί με τις ΑC, PDE και μόρια στόχους όπως η πρωτεϊνική κινάση Α (ΡΚΑ). Έτσι ελέγχεται με ακρίβεια η σύνθεση, αποικοδόμηση και η στόχευσή του.

Ενεργοποίηση του camp BIOXHMEIA, TOMOΣ I ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ

15-2. Aποκρίσεις που διαμεσολαβούνται από ορμόνες μέσω κυκλικού AMP Εξωκυττάριο σηματοδοτικό μόριο Αδρεναλίνη Αδρεναλίνη Αδρεναλίνη, ACTH, γλυκαγόνη ACTH Ιστός-Στόχος Καρδιά Μύς Λιπώδης ιστός Επινεφρίδια Κύρια απόκριση Αύξηση καρδιακής συχνότητας & έντασης καρδιακής συστολής Αποδόμηση γλυκογόνου Αποδόμηση λίπους Έκκριση κορτιζόλης Το cαμρ διαμεσολαβεί αποκρίσεις και από τοπικούς μεσολαβητές και νευροδιαβιβαστές

Στόχοι και μηχανισμοί ενεργοποίησης μέσω camp Το camp ενεργοποιεί καθοδικά σηματοδοτικά μόρια που έχουν θέσεις πρόσδεσης για το camp. H ενεργοποίηση γίνεται μέσω αλλοστερικών μηχανισμών. Ενεργοποιεί: Ιοντικούς διαύλους ελεγχόμενους από camp Την ΡΚΑ MAPKs μέσω της Epac, ενός GEF που αυξάνει την ανταλλαγή GDP με GTP στην Rap1

Κύριος στόχος του c AMP είναι η Πρωτεϊνική Κινάση Α (ΡΚΑ) Η ΡΚΑ βρίσκεται αγκυροβολημένη στην κυτταρική μεμβράνη μέσω της πρωτεΐνης ΑΚΑΡ (Α-kinase Anchoring Protein) Protein kinase A is a primary target of camp in a diverse number of tissues and cell types. In its inactive state two regulatory subunits keep two substrate binding (catalytic) subunits in an inactive state. A pseudosubstrate domain in the regulatory subunits binds to the catalytic domain of the catalytic subunits. Binding of camp to the regulatory subunits changes the conformation of the pseudosubstrate domains resulting it the disassociation of the now active PKA catalytic subunits. The active PKA can now phosphorylate target proteins.

Ρύθμιση της γλυκόλυσης από camp-pka The camp binds to protein kinase A (PKA), a camp-dependent protein kinase, activating it. PKA in turn phosphorylates other downstream target proteins including phosphorylase kinase (PhosK) and glycogen synthase (GS). The phosphorylation of PhosK leads to its activation. Conversely, phosphorylation of GS causes its inhibition stopping the formation of glycogen. The activated PhosK then phosphorylates the next kinase in the chain, glycogen phosphorylase kinase (GPhos). Phosphorylation of GPhos activates the enzyme leading to the release of glucose subunits from glycogen. Thus a chain of phosphorylations leads to the activation of some downstream signaling components while inhibiting others. ΑΣΚΗΣΗ ΦΟΙΤΗΤΩΝ

Φωσφατιδυλοϊνοσιτόλες (PtdIns)

Φωσφατιδυλοϊνοσιτόλη Ptd Ins(3,4,5)P3 (PIP3) Διακυλογλυκερόλη (DAG) Τριφωσφορική Ινοσιτόλη (ΙΡ3) Ptd Ins(4,5)P2 (PIP2)

Καταρράκτες σημάτων (signaling cascades ) Φωσφολιπίδια που περιέχουν ινοσιτόλη και βρίσκονται στο εσωτερικό της πλασματικής μεμβράνης διασπώνται με ειδικά ένζυμα και παράγουν καταράκτη σημάτων: Μεμβρανικά, Διακυλογλυκερόλες (DAG) Ενδοκυττάρια, Φωσφοϊνοσιτίδια (IP, IP2, IP3 κλπ) Μετατροπές των φωσφατιδυλο-ινοσιτoλών και φωσφοϊνοσιτιδίων καταλήγει στην παραγωγή περίπου 30 γνωστών μεταβολιτών με πιθανή σηματοδοτική λειτουργία.

Φωσφατιδυλοϊνοσιτόλη Ασκηση φοιτητών: ονοματολογία ενώσεων κατά IUPAC

Πορεία ενεργοποίησης της PtdInsP2

Μεταβολισμός φωσφατιδυλοϊνοσιτόλης

Σηματοδότηση από Φωσφατιδυλοϊνοσιτόλες PKC PLC PIP2 ΡΙ3Κ ΡΤΕΝ PIP3 IP3 PDK1 Akt (PH domain) Ca++ Προσδέτης PIP2 Phosphatidylinositol bisphosphate (Ptd InsP2) Υποδοχέας Διακυλογλυκερόλη Ινοσιτόλη Binding PH domain PO4- IP3 Inositol triphosphate (Ins(1,4,5)P3) PLC Phospolipase C PKC Protein Kinase C PI3K Phosphoinositide 3-kinases PTEN phosphatase and tensin homolog PH Pleckstrin homology PDK1 Pyruvate dehydrogenase kinase, isozyme 1

Το Ca 2+ ως 2 ος αγγελιοφόρος Το ιόν ασβεστίου σχηματίζει ενώσεις συναρμογής με κατάλοιπα ασπαρτικού και γλουταμικού μέσω δεσμών υδρογόνου

Λειτουργίες Ca 2+ Μεταφορά Μάθηση και μνήμη Σύσπαση μυών Νευροδιαβίβαση Εκκριση Κινητικότητα Διέγερση μεμβρανών Γονιδιακή έκφραση Κυτταρική διαίρεση Απόπτωση

Αποθήκευση και απελευθέρωση Ca 2+ H κύρια λειτουργία της Ins(1,4,5)P3 είναι η απελευθέρωση του Ca ++ από της αποθήκες του. Η συγκέντρωση του ελεύθερου Ca ++ στο κυτταρόπλασμα είναι 10-7 Μ, ενώ εξωκυττάρια και σε ειδικές αποθήκες είναι της τάξης του 10-3 Μ. Αποθήκες Ca 2+ : μιτοχόνδρια και κυρίως το ενδοπλασματικό δίκτυο. Στις αποθήκες του μέρος του Ca 2+ είναι προσδεδεμένο στην πρωτεΐνη καλρετικουλίνη (Calreticulin). H απελευθέρωση του Ca 2+ από τις αποθήκες γίνεται μετά πρόσδεση του ΙΡ3 σε ειδικούς υποδοχείς.

Υποδοχείς ΙΡ3 και Ca 2+ Προσδετοελεγχόμενοι δίαυλοι Ca 2+. Ρυθμίζονται από ΙΡ3, ΑΤΡ και Ca 2+. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις το Ca 2+ λειτουργεί συνεργατικά με την ΙΡ3, ενώ σε υψηλές αναστέλλει το άνοιγμα των διαύλων. Η διφασική λειτουργία του Ca 2+ είναι σημαντική για τον τερματισμό της λειτουργίας των διαύλων Ca 2+.

Απελευθέρωση του Ca 2+ Ca ++ binds to Calmodulin, Troponin C and other Ca++ binding proteins provoking activation of some enzymes, actin myosine interaction, promotes exocytosis, synthesis of NO, and other effects.

Δομή των υποδοχέων της ΙΡ3 The InsP 3 R Ca 2+ release channel. Cartoon depicting three of four InsP 3 R molecules (in different colors) in a single tetrameric channel structure. Part of the luminal loop connecting transmembrane helices 5 and 6 of each monomer dips into the fourfold symmetrical axis, creating the permeation pathway for Ca 2+ efflux from the lumen of the endoplasmic reticulum.

Ενεργοποίηση των υποδοχέων ΙΡ3 IRBIT regulates activity through direct competition for the binding site on the IP receptors. Once IP 3 reaches a threshold concentration, it displaces IRBIT from the binding site. (P = phosphate group indicating phosphorylation status; green dots = calcium ions)

BIOXHMEIA, TOMOΣ I ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ

Απεικόνιση του ελεύθερου Ca 2+ Time series tracking calcium release following fertilization of zebra fish egg (false color rendering of calcium green dextran conjugate)

Είσοδος εξωκυττάριου Ca 2+ Το φωσφατιδικό οξύ, προϊόν δράσης της φωσφολιπάσης D, προκαλεί τη διάνοιξη διαύλων ασβεστίου στην πλασματική μεμβράνη. H μείωση της συγκέντρωσης του Ca ++ στις ενδοκυττάριες αποθήκες προκαλεί διάνοιξη των διαύλων Ca ++ στην πλασματική μεμβράνη. Το εισερχόμενο Ca 2+ έχει δύο λειτουργίες: Πλήρωση των ενδοκυττάριων αποθηκών Ενεργοποίηση σηματοδοτικών μορίων Οι δίαυλοι Ca 2+ ονομάζονται SOC (store-operated calcium channels). Ο πλέον καλά μελετημένος είναι ο CRAC (calcium-release-activated calcium ). Πως οι δίαυλοι «αισθάνονται» τη μείωση των επιπέδων Ca 2+ στις αποθήκες δεν έχει πλήρως διερευνηθεί.

Δέσμευση του Ca 2+ σε πρωτεΐνες στόχους

Καλμοδουλίνη: πρωτεϊνη μεταφοράς Ca 2+ Η καλμοδουλίνη (Calmodulin, CaM) ενεργοποιείται μετά από δέσμευση 4 μορίων Ca 2+ σε θέσεις χεριού EF. H CaM ενεργοποιεί σειρά στόχων, μεταξύ των οποίων την κινάση της CaM, μόριο κλειδί για την περαιτέρω μετάδοση του μηνύματος. Μεταξύ άλλων στόχων η CaMK φωσφορυλιώνει την φωσφατάση καλσινευρίνη (Calcineurine, Cn), τις CaMεξαρτώμενες αδενυλικές κυκλάσες, PDEs, την κινάση της ελαφράς αλυσίδας της μυοσίνης (myosin light chain kinase).

BIOXHMEIA, TOMOΣ I ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ Δέσμευση του Ca 2+ σε πρωτεΐνες στόχους

Διακυλογλυκερόλη (DAG)

Διακυλογλυκερόλη (DAG) Από τη διάσπαση της PtdInsP 2 προκύπτει η ΙnsP3 και η DAG. Η DAG παραμένει προσδεδεμένη στη μεμβράνη. Κύρια λειτουργία της DAG είναι η ενεργοποίηση της PKC (protein kinase C).

Πρωτεϊνική κινάση C (PKC) Οι PKC είναι οικογένεια περισσότερων από 10 κινασών Ser/thr που ενεργοποιούνται από DAG και Ca ++. Χωρίζονται σε 3 υποοικογένειες cpkcα,βι,βιι,γ (classical) ενεργοποιούνται από DAG και Ca++ npkc δ,ε,θ,η (novel) ενεργοποιούνται μόνο από DAG apkc ζ, λ, ι (atypical) ενεργοποιούνται απουσία DAG και Ca++ Οι α, δ, ζ μορφές βρίσκονται σε όλους τους ιστούς ενώ οι άλλες μορφές απαντώνται σε ειδικούς ιστούς (πχ T κύτταρα PKCθ).

Δομικές περιοχές της PKC

Ενεργοποίηση της PKC (1) Η PKC ενεργοποιείται με φωσφορυλίωση καταλοίπων Ser/thr Απουσία Ca 2+ και DAG η ρυθμιστική περιοχή (C1) της PKC αναστέλλει την καταλυτική περιοχή δρώντας ως ψευδοϋπόστρωμα Το Ca 2+ και η DAG αναιρούν την αυτοαναστολή και σταθεροποιούν την PKC και την πρόσδεσή της στη μεμβράνη. Η DAG προσδένεται στην C1 περιοχή της PKC.

PKC Src CDCD1 Ενεργοποίηση της PKC (2) PI3K lipids PDK1 PKC p ser/thr (activation loop) autophosphorylation PKC p ser/thr (C-terminus) membrane dissociation p p tyr p ADP ATP

Λειτουργίες της PKC Αναδιάταξη του κυτταροσκελετού Κυτταρικός πολλαπλασιασμός Κυτταρική μετανάστευση Απόπτωση Μεταφορά μηνύματος από τους ανοσοϋποδοχείς (TCR, BCR) Εγκατάσταση μνήμης

BIOXHMEIA, TOMOΣ I ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ

ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΤΑ ΒΑΚΤΗΡΙΑ ΚΑΙ ΦΥΤΑ

Μεταγωγή σήματος στα βακτήρια

Μεταγωγή σήματος στα φυτά Τα φυτά ανταποκρίνονται στο περιβάλλον τους μέσω συστημάτων σηματοδότησης που χρησιμοποιούνται από τα βακτήρια και τα ζωικά κύτταρα. Στο φυτό Arabidopsis thaliana κωδικοποιούνται περίπου 1,000 ser/thr κινάσες( περιλαμβάνοντας 60 MAPK κινάσες, 400 υποδοχείς με δράση κινάσης) ποικιλία από φωσφατάσες, scaffold πρωτείνες, ένζυμα για την σύνθεση και την αποδόμηση κυκλικών νουκλεοτιδίων και παραπάνω από 100 διαύλους ιόντων.

Τέλος Ενότητας

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Σημειώματα

Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. Έχουν προηγηθεί οι κάτωθι εκδόσεις: Έκδοση 1.0 διαθέσιμη εδώ. http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1074.

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκουσα: Καθ. Μαρία - Ελένη Ε. Λέκκα. «Βιολογικές Μεμβράνες και Μεταγωγή Σήματος. Ενδοκυττάρια σήματα». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1074.

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη. [1] https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/.