Μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις. των πρωτεϊνών. και. κυτταρική φυσιολογία

Μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις των πρωτεϊνών και κυτταρική φυσιολογία

Στερεοδιαμόρφωση των πρωτεϊνών

Η δομή των πρωτεϊνών εξαρτάται από την αμινοξική τους αλληλουχία Η πρωτεϊνική δομή ξεκινάει από δημιουργία α-ελίκων και β-φύλλων. Στη συνέχεια διαμορφώνονται οι πρωτεϊνικές δομικές και λειτουργικές μονάδες και ακολουθούν οι ανώτερες στερεοδιαμορφώσεις. Η πρωτεϊνική δομή είναι τέτοια ώστε στο μικροπεριβάλλον του το μόριο να λάβει μία από τις διαμορφώσεις ελάχιστης ενέργειας.

ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ- ΔΟΜΗ ΠΡΩΤΟΤΑΓΗΣ ΔΟΜΗ- ΑΛΛΗΛΟΥΧΙΑ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ ΔΕΥΤΕΡΟΤΑΓΗΣ ΔΟΜΗ- ΕΛΙΚΑ, ΦΥΛΛΟ ΤΡΙΤΟΤΑΓΗΣ ΔΟΜΗ- ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ Β ΤΑΓΩΝ ΔΟΜΩΝ ΤΕΤΑΡΤΟΤΑΓΗΣ ΔΟΜΗ- ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΠΕΠΤΙΔΙΩΝ

F U Hartl & M Hayer-Hartl. Nature Structural & Molecular Biology 2009; 16, 574-81

Η δομή των πρωτεϊνών εξαρτάται από τις αλληλεπιδράσεις των αμινοξικών καταλοίπων τόσο μεταξύ τους όσο και με τα μόρια του περιβάλλοντος διαλύτη- στα συστήματα ζώσας ύλης είναι το νερό. 1. δεσμοί υδρογόνου 2. δυνάμεις van der Waals 3. ηλεκτροστατικές δυνάμεις 4. αλληλεπιδράσεις υδροφοβικότητας 5. δυνάμεις μοριακών τροχιακών 6. εντροπία στερεοδιαμόρφωσης

Molecular Cell Biology 2008. Fig 2-12

Κυτταρικές περιοχές όπου λαμβάνει χώρα η πρωτεϊνοσύνθεση Προκαρυωτικούς: κυτταρόπλασμα (τυχαία κατανομή- χωροκατευθυνόμενη) Ευκαρυωτικούς: κυτταρόπλασμα (τυχαία κατανομή- χωροκατευθυνόμενη) ενδοπλασματικό δίκτυο μιτοχόνδριο χλωροπλάστης

Το ριβόσωμα με τη βοήθεια υποδοχέα πρόσδενεται στην κυτταροπλασματική μεμβράνη του ενδοπλασματικού δικτύου (ER) και η εξελισσόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα μέσω μεμβρανικού καναλιού εισέρχεται στον αυλό του ER. http://edoc.hu-berlin.de/dissertationen/halic-mario-2005-10-12/html/image001.jpg Τα μιτοχόνδρια και η χλωροπλάστες φέρουν γενετικό υλικό που κωδικοποιεί για πρωτεϊνες που μεταφράζονται στο εσωτερικό των οργανιδίων με τη βοήθεια ατιστίχων ριβοσωμάτων. http://images.tutorvista.com/content/feed/tvcs/mitochondria.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/chloroplast

Κυτταρικές περιοχές όπου μεταφέρονται πρωτεϊνες στα ευκαρυωτικά ενδοπλασματικό δίκτυο σύστημα Golgi- κυστιδίων μεταφοράς πυρήνας μιτοχόνδριο χλωροπλάστης περοξυσώματα λυσοσώματα κυτταροπλασματική μεμβράνη

E Schleiff & Τ Becker Nature Reviews Molecular Cell Biology 2011; 12: 48-59

http://www.univie.ac.at/ibmz/groups/kragim/kragler%20protein%20transport.jpg

Η στερεοδιαμόρφωση των πρωτεϊνών γίνεται με τη βοήθεια ειδικών πρωτεϊνών Chaperones Οικογένεια HSP70: TF, DnaJ/DnaK, Hsp70/Hsp40, PFD, BiP Οικογένεια HSP90 Chaperonins GroEL/GroES Thermosome TRiC/CCT

F U Hartl, A Bracher, M Hayer-Hartl. Nature 2011; 475: 324-32.

Τα διάφορα συστήματα Chaperones/Chaperonines συνεργάζονται προκειμένου να γίνει σωστή στερεοδιαμόρφωση των πρωτεϊνών, να διατηρηθεί η δομή των πρωτεϊνών σε αντίξοες συνθήκες, να προαχθεί η πρωτεόλυση των βλαμμένων πρωτεϊνών.

Βιοχημικές μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις πρωτεϊνών 1. Αποκοπή πεπτιδικού τμήματος 2. Φωσφορυλίωση- αποφωσφορυλίωση 3. Δημιουργία δισουλφιδικού δεσμού 4. Σύνδεση με συμπαράγοντα- ιόν, βιταμίνη, αίμη 5. Σύνδεση με λιπίδια: μυριστοποίηση, παλμιτοποίηση, ισοπρενιλίωση 6. Σύνδεση με σάκχαρα- γλυκοζυλίωση 7. Ακετυλίωση ή Μεθυλίωση 8. Προϊόντα οξείδωσης με ρίζες Ο ή Ν 9. Προσθήκη Ubiquitin ή SUMO

Καταστροφή των πρωτεϊνών

Πρωτεόλυση 1. Σήμανση των πρωτεϊνών με Ubiquitin- Ubiquitinilation και καταστροφή στο πρωτεόσωμα 2. Συσσωματώματα πρωτεϊνών καταστρέφονται με τη διαδικασία της αυτοφαγίας μικροαυτοφαγία γενικευμένη μικροαυτοφαγία συνδεδεμένη με ubiquitinilation των πρωτεϊνών

Το σύστημα σήμανσης μιας πρωτεϊνης με ουρά: Lys48-Ubiquitine Η πρωτεϊνη Ε1 χρησιμοποιείται για ενεργοποίηση της Lys48-Ubiquitine. Στη συνέχεια αυτή μεταφέρεται στο μόριο Ε2. Το τελευταίο αλληλεπιδρά με το σύμπλοκο Ε3-πρωτεϊνη και ακολουθεί μεταφορά της ενεργοποιημένης ubiquitine στην πρωτεϊνη. http://en.wikipedia.org/wiki/ubiquitin

Το πρωτεόσωμα Πρωτεϊνικό σύμπλοκο από δύο διμερή καθένα από τα οποία αποτελείται από δύο 7μερείς πρωτεϊνικούς δακτυλίους (τον α και τον β) και ένα καπέλο. Στο τμήμα β πραγματοποιείται η πρωτεόλυση ενώ από το καπέλο γίνεται η εισαγωγή μετά από αναγνώριση των ubiquitinitaled πρωτεϊνών. Η κατανάλωση ATP απαιτείται για την αποδιάταξη και όχι για την καταστροφή των πεπτιδικών αλυσίδων. http://www.neurology.org/content/66/10_suppl_4/s37/f1.large.jpg

Πρωτεόλυση με αυτοφαγία Στο πρώτο μονοπάτι- γενικευμένη μικροαυτοφαγία πραγματοποιείται εγκόλπωμα σε λυσόσωμα με απορρόφηση μικρού τμήματος του κυττοσολίου Στο δεύτερο μονοπάτι- μικροαυτοφαγία με μεσολάβηση chaperones πραγματοποιείται πρόσδεση του συμπλόκου chaperone-πρωτεϊνη σε μεμβρανικούς υποδοχείς του λυσόσωμα και ακόλουθη είσοδος στο λυσόσωμα http://www.intechopen.com/source/html/44103/media/image1.png

Δομή κυτταρικών μεμβρανών

Κυτταροπλασματική μεμβράνη Η κυτταροπλασματική μεμβράνη είναι μια λιπιδική διπλοστιβάδα η οποία παρουσιάζει κατά τόπους ετερογένεια που σχετίζεται με την λιπιδική σύσταση και την παρουσία πρωτεϊνών.

Ενδοκυττάριες μεμβράνες Αντίστοιχη δομή με την κυτταροπλασματική μεμβράνη παρουσιάζουν και όλες οι ενδοκυττάριες μεμβράνες: Υπάρχουν συστήματα που δομούνται 1. με διπλή μεμβράνη: μιτοχόνδρια, πυρήνας 2. με απλή μεμβράνη: ενδοπλασματικό δίκτυο, σύμπλεγμα Golgi-κυστίδια, λυσόσωμα, περοξείσωμα. Οι χλωροπλάστες θεωρούνται συστήματα τριπλής μεμβράνης

Στη δομή των μεμβρανών συμμετέχουν τρείς κατηγορίες λιπιδίων 1. φωσφογλυκερίδια 2. σφιγγολιπίδια 3. στερόλες

Η δομή και η ιδιότητες κάθε μεμβράνης- κατά τόπους, αλλά και μεμβρανών διαφορετικών κυτταρικών δομών εξαρτάται και από τη λιπιδική σύσταση όπως φαίνεται παρακάτω:

Τα λιπιδικά νησίδια- lipid rafts Στα πλαίσια ετερογένειας και λειτουργικής διαφορικότητας μεμβρανικών τμημάτων αναφέρονται οι περιοχές που είναι πλούσιες σε χοληστερίνη- τα λιπιδικά νησίδια: lipid rafts. Σε αυτές της θέσεις παρατηρείται συσσώρευση κυτταροπλασματικών και μεμβρανικών πρωτεινών που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και συμμετέχουν σε κοινά μονοπάτια μεταγωγής σήματος. http://en.wikipedia.org/wiki/lipid_raft

Σύνθεση των λιπιδίων Η έναρξη της σύστασης των μεμβρανικών λιπιδίων γίνεται στο κυτταρόπλασμα από το AcetylCoA με τη δημιουργία ενεργοποιημένω λιπαρών οξέων και ολοκληρώνεται με την παρουσία P-γλυκερόλης και τη δράση ακετυλοτρανσφερασών στην κυτταροπλασματική μεμβράνη του λείου ενδοπλασματικού δικτύου- φψσφατιδικό οξύ. Περαιτέρω τροποποιήσεις γίνονται με τη δράση άλλων ενζύμων και τελικά το λιπίδια μεταφέρονται στην μεμβρανική επιφάνεια του αυλού με τη δράση μιας φλιπάσης. Η χοληστερόλη δημιουργείται από AcetylCoA και AcetacetylCoA. Κομβικό μόριο είναι το μεβαλονικό οξύ που προέρχεται από το υδρόξυμεθυλογλουταριλοcoa- HMG-CoA με τη δράση της αντίστοιχης αναγωγάσης. Από το ίδιο μονοπάτι προκύπτουν και ενδιάμεσα λιπίδια που συμμετέχουν σε μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις πρωτεϊνώνισοπεντενύλιο και φαρνεσύλιο. Με περαιτέρω τροποποιήσεις του χοληστερονικού δακτυλίου προκύπτουν: VitD, στεροειδείς ορμόνες, χολικά οξέα. Κύρια θέση σύνθεσης όλων αυτών είναι το λείο ενδοπλασματικό δίκτυο.

Μεταφορά των πρωτεϊνών διαμέσου των κυτταρικών δομών

Η πορεία των πρωτεϊνών στο κύτταρο Η πρωτεϊνοσύνθεση γενετικά καθορισμένων από τον πυρήνα πρωτεϊνών λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα ή στο ενδοπλασματικό δίκτυο. Στην πρώτη περίπτωση αναφερόμαστε σε: κυτταροπλασματικές πρωτεϊνες, πυρηνικές πρωτεϊνες, πρωτεϊνες μιτοχονδρίου, πρωτεϊνες χλωροπλάστη, πρωτεϊνες περοξεισώματος. Στη δεύτερη περίπτωση αναφερόμαστε σε: πρωτεϊνες ενδοπλασματικού δικτύου, πρωτεϊνες συμπλέγματος Golgi, πρωτεϊνες λυσοσωμάτων και πρωτεϊνες κυτταροπλασματικής μεμβράνης. Η πορεία αυτή των πρωτεϊνών είναι προκαθορισμένη και εξαρτάται από την πρωτοδίαταξη τους- παρουσία χαρακτηριστικών αλληλουχιών

Μετακίνηση των πρωτεϊνών στον πυρήνα Ο πυρηνικός πόρος είναι μια σύνθετη δομή που επιτρέπει την επικοινωνία του πυρηνοπλάσματος με το κυτταρόπλασμα. Αποτελείται από μια δομή που σταθεροποιείται ανάμεσα στη διπλή πυρηνική διπλοστιβάδα- μεμβρανικές νουκλεοπορίνες και σύμπλεγμα Υ, ενώ αλληλεπίδρα με το κυτταρικό και πυρηνικό σκελετό- στην τελευταία περίπτωση δημιουργείται μια δομή που καλείται πυρηνικό καλάθι. Το κέντρο του πόρου ελέγχεται από το δίκτυο των FG-νουκλεοπορινών. Για να μετακινηθεί μια πρωτεϊνη στον πυρήνα πρέπει να φέρει μια ειδική αλληλουχία- NLS. Η αλληλουχία αυτή αναγνωρίζεται από ειδική πρωτεϊνη μεταφορέα- importin η οποία και τη μεταφέρει στον πυρήνα μετά από αλληλεπίδραση με τις FG- νουκλεοπορίνες. Στη συνέχεια η importin στο κυτταρόπλασμα με τη βοήθεια της Ran και κατανάλωση ενέργειας (GTP).

Μετακίνηση των πρωτεϊνών στo μιτοχόνδριο (βλέπε επόμενη διαφάνεια) Η μετακίνηση των πρωτεϊνών στα διάφορα μιτοχονδριακά τμήματα: εξωτερική μεμβράνη (θα περιγραφτεί παρακάτω στο ενδοπλασματικό δίκτυο), ενδομεμβρανικό χώρο (σχ.1), εσωτερική μεμβράνη (σχ.2) και στρώμα (σχ.3) εξαρτάται από χαρακτηριστικές αλληλουχίες που αναγνωρίζονται στην πρωτοδιάταξη των όπως δίδεται στο παρακάτω σχήμα. Αξίζει να σημειωθεί ότι σε όλες τις περιπτώσεις μετακίνησης πρωτεϊνών προς τα ενδότερα του μιτοχονδρίου παρατηρείται η ύπαρξη της αλληλουχίας κατεύθυνσης στο στρώμα- matrix targeting sequence-mts. Τέλος προκειμένου να διέλθουν των διαμεμβρανικών συμπλόκων μετακίνησης Tom οι πρωτεϊνες πρέπει να είναι αποδιατεταγμένες- δράση του κυτταροπλασματικου Hsc70.

Μετακίνηση των πρωτεϊνών στo μιτοχόνδριο II Τα βασικά σύμπλοκα μετακίνησης της εξωτερικής μεμβράνης είναι τα Tom20/22,Tom40 ενώ στην εσωτερική μεμβράνη υπάρχουν τα Tim44, Tim23/17. Από αυτά τα πρώτα αναγνωρίζουν την MTS ενώ τα δεύτερα επιτρέπουν τη διέλευση του πολυπεπτιδίου. Στο Σχ1. οι πρωτεϊνες παράμενουν στον διαμεμβρανικό χώρο μετά από αλλοστερικές τροποποιήσειςπρωτεόλυση, δισουλφιδικοί δεσμοί. Στο Σχ.2 οι πρωτεϊνες είτε αγκυστρώνονται στη μεμβράνη κατά την πρωτεϊνοσύνθεση ή ενσωματώνονται σε δευτερο χρόνο (με τη βοήθεια της Oxa1) ή αναδιπλώνονται στο διαμεμβρανικό χώρο και σε δεύτερο χρόνο ενσωματώνονται στη μεμβράνη (με τη βοήθεια των Tim9/10, Tim 22, Tim64). Στο Σχ.3 το πολυπεπτίδιο διέρχεται πλήρως από τα δύο σύμπλοκα μετακίνησης και απελευθερώνεται στο στρώμα. Σχ.1 Σχ.3 Σχ.2

Μετακίνηση των πρωτεϊνών στο περοξείσωμα Το περοξείσωμα είναι μια δομή όπου πραγματοποιούνται αντιδράσεις της οξείδωσης των λιπαρών οξέων και του κύκλου των φωσφοπεντοζών. Για να μετακινηθεί μια πρωτεϊνη στο περοξείσωμα πρέπει να φέρει μια ειδική αλληλουχία- PTS1. Η αλληλουχία αυτή αναγνωρίζεται από ειδική πρωτεϊνη μεταφορέα- Pex5 η οποία και τη μεταφέρει στο στρώμα μετά από αλληλεπίδραση με τον υποδοχέα Pex14.

Μετακίνηση των πρωτεϊνών στο στρώμα του ενδοπλασματικού δικτύου Οποιαδήποτε πρωτεΐνη πρόκειται να εισέλθει στο ενδοπλασματικό δίκτυο ή να ενσωματωθεί στη μεμβράνη του φέρει μια ειδική αλληλουχία- signal sequence. Αυτή η αλληλουχία αναγνωρίζεται από ειδική πρωτεΐνη- SRP. Η τελευταία προκαλεί προσωρινή παύση της πρωτεϊνοσύνθεσης και μεταφορά του ριβοσώματος στο ενδοπλασματικό δίκτυο μετά από πρόσδεση με τον υποδοχέα της. Ο υποδοχέας βρίσκεται σε επαφή με ένα σύμπλοκο μετακίνησης και το συντιθέμενο πολυπεπτίδιο εισέρχεται μέσα από τον αυλό του συμπλόκου στο στρώμα. Εκεί με τη βοήθεια του Chaperone BiP γίνεται στερεοδιαμόρφωση του μορίου- αν αποτύχει αυτό μόρια BiP αφήνουν ελεύθερο τον υποδοχέα Ire1 ο οποίος διμερίζεται και κινητοποιεί το μονοπάτι σήματος για καταστροφή των πρωτεϊνών με λάθος στερεοδιαμόρφωση.

Μετακίνηση των πρωτεϊνών σε μεμβράνες του ενδοπλασματικού δικτύου Η ενσωμάτωση των πρωτεϊνών στη μεμβράνη του ενδοπλασματικού δικτύου εξαρτάται από την αλληλουχία τους. Συγκεκριμένες αλληλουχίες καθορίζουν την κατεύθυνση και τον τρόπο διευθέτησης του πρωτεΐνης στη μεμβράνη. Από τις αλληλουχίες αυτές αξίζει να αναφερθούν οι STA και SA με παρόμοια δράση αφού προκαλούν παύση της εξέλιξης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας προς το στρώμα και ενσωμάτωση του μορίου στη μεμβράνη- η SA συνοδεύεται από παρακείμενη θετικά φορτισμένη περιοχή που τροποποιεί τη φορά ενσωμάτωσης. Μόρια που φέρουν τη SA δε φέρουν την κλασική αλληλουχία αναγνώρισης. Η υδρόφοβη COOH tail anchored protein- αναγνωρίζεται από τη Cet3 η οποία εναποθέτει το πολυπεπτίδιο μετά από πρόσδεση στον υποδοχέα Cet1/Cet2.

Type II Type III Tale-anchored protein GPI-linked protein

Γλυκοζυλίωση των πρωτεϊνών στο στρώμα του ενδοπλασματικού δικτύου Κάποιες πρωτεϊνες που προορίζονται για το εξωκυττάριο τμήμα της κυτταροπλασματικής μεμβράνης και πρωτεϊνες του λυσοσώματος γλυκοζυλιώνονται. Το ολιγοσακχαριτιδικό πρόδρομο μόριο- ως γλυκολιπίδιο συντίθεται αρχικά στο κυτοσολικό τμήμα της μεμβράνης και στη συνέχεια με τη δράση μιας φλιπάσης στο στρώμα του ενδοπλασματικού δικτύου. Το τελικό μόριο- Glc3Man9(GlcNAc)2 συνδέεται με τη δράση μια Ν- ολιγοσακχαροτρανσφεράση σε Asn- μοτίβο Asn-X-Ser, Asn-X-Thr. Ακολουθούν περαιτέρω τροποποιήσεις στο ολιγοσακχαριτιδικό κατάλοιπο που επιτρέπουν εκλεκτική δέσμευση από λεκτίνες.

Chaperons στο ενδοπλασματικό δίκτυο Οι γλυκοζυλιωμένες πρωτεϊνες λαμβάνουν τη στερεοδιαμόρφωση τους στο χώρο με τη βοήθεια των chaperons: BiP, PDI- δισουλφιδική ισομεράση, και των λεκτινών: Calreticulin-CRT, Calnexin-CNX. Πρωτεϊνες με λάθος στερεοδιαμόρφωση προκαλούν κατανάλωση των μορίων BiP και ενεργοποίηση των Ire1 υποδοχέων και αναγνώριση από εναλλακτικές λεκτίνες- EDEM, OS9. Και τα δυο αυτά μονοπάτια ενεργοποιούν μονοπάτια πρωτεόλυσης.

Η πορεία των πρωτεϊνών από το ΕΔ στο σ.golgi και απόκει στα κυστίδια μεταφοράς Οι πρωτεϊνες από το ΕΔ μεταφέρονται με κυστίδια στο εγγύς Golgi και ωριμάζουν μαζί με την ωρίμανση των δεξαμενών του συστήματος. Στο σύστημα Golgi γίνεται τροποποίηση-ωρίμανση των γλυκοπρωτεϊνών, ωρίμανση των λυσοσωμικών ενζύμων, προσωρινή αποθήκευση εκκριτικών πρωτεϊνών, και πακετάρισμα πρωτεϊνών προς κυστίδια μεταφοράς (άπω Golgi)

Τροποποίηση- ωρίμανση των γλυκοπρωτεϊνών στις δεξαμενές του σ.golgi (αριστερά) Τροποίηση- σήμανση γλυκοπρωτεϊνών για μεταφορά προς τα λυσοσώματα (κάτω)

Η επικοινωνία του ΕΔ με το εγγύς Golgi Οι πρωτεϊνες από το ΕΔ μεταφέρονται με τα COP II κυστίδια στο εγγύς Golgi. Η ανακύκλωση πρωτεϊνών και μεμβρανικών στοιχείων του ΕΔ πραγματοποιείται μέσω των COP I κυστιδίων. Η δημιουργία και των δύο κυστιδίων πραγματοποιείται με το σχηματισμό ενός μανδύα ενώ η σύζευξη τους γίνεται μέσω του ζεύγους υποδοχέων: vsnare(κυστίδιο), tsnare(μεμβράνη στόχος) (αριστερά) Δημιουργία κυστιδίου COP II (κάτω) Η φωσφορυλιωμένη Sar1 καθηλώνεται στη μεμβράνη και προσελκύει το σύμπλοκο μανδύα: Sec23/Sec24

Κυστίδια μεταφοράς από το trans Golgi 1. κυστίδια COPΙ: ανάστροφη κίνηση στις δεξαμενές 2-3. κυστίδια μεταφορά λυσοσωμικών ενζύμων καλυμμένα ή όχι με κλαθρίνη 4-5. κυστίδια συνεχούς έκκρισης ή έκκρισης αποθηκευμένων πρωτεϊνών

Κυστίδια καλυμμένα με κλαθρίνη (αριστερή εικόνα) Η κλαθρίνη είναι μια 6μερής τρισκελής πρωτεϊνη: 3 μεγάλες & 3 μικρές αλυσίδες που περιβάλει AP-καλλυμένα κυστίδια. Τα κυστίδια αυτά είτε είναι αποτέλεσμα ενδοκύττωσης (βλέπε κάτω εικόνα για λεπτομέρειες) ή προέρχονται από το trans Golgi και φέρουν λυσοσωμικά ένζυμα. Και στις δύο περιπτώσεις συνεισφέρουν στη δημιουργία του όψιμου ενδοσώματος.

H ΟΔΟΣ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΣΗΜΑΤΟΣ

Οδό μεταγωγής σήματος καλούμε το βιοχημικό εκείνο μονοπάτι που συλλέγει ένα εξωκυττάριο σήμα (κυτταρικός υποδοχέας) και μέσω μεταμεταφραστικών πρωτεϊνικών τροποποιήσεων ή/και μικρομοριακών ουσιών (δευτερογενείς σηματοδότες) το οδηγούν σε πρωτεΐνες εκτελεστές οι οποίες με τη σειρά τους ρυθμίζουν την κυτταρική φυσιολογία και τη γονιδιακή έκφραση.

Τρόποι διακυτταρικής επικοινωνίας α. ενδοκρινική β. παρακρινική γ. αυτοκρινική δ. άμεσα διακυτταρική Σε όλες τις περιπτώσεις παρατηρούμε ότι είναι απαραίτητη η ύπαρξη υποδοχέων στο υποδεκτικό κύτταρο.

Ομάδες υποδοχέων α. υποδοχέας με ενδοκυττάρια δράση κινάσης β. υποδοχέας που ενεργοποιεί κυτοσολική κινάση γ. υποδοχέας που οδηγεί σε κυτοσολική διάσπαση πρωτεϊνικού συμπλόκου δ. υποδοχέας που υπόκειται σε μερική πρωτεόλυση

Μεταμεταφραστικές τροποποιήσεις με καίριο ρόλο σε οδούς μεταγωγής σήματος α. φωσφορυλίωση/αποφωσφορυλίωση (δράση κινασών Ser/Thr, Tyr και δράση φωσφατασών) β. αλλοστερική τροποποίηση μετά σύνδεση με μικρομοριακέ ουσίες/ιόντα (GTP, DAG, Ca) γ. αλλοστερική τοποποίηση μετά σύνδεση με άλλα πρωτεϊνικά μόρια (πρωτεϊνες G, καταστολείς) δ. μερική ή ολική πρωτεόλυση

Οι υποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτεϊνες Οι υποδοχείς αυτοί αποτελούν μια υπερ-οικογένεια διαμεμβρανικών υποδοχέων με 7 α-έλικες που στο συνολό τους αποτελούν το 4% των κυτταρικών πρωτεινών. Σχετίζονται με μια μεγάλη ποικιλία μηνυμάτων : ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, οσμηρές ουσίες, βιογενείς αμίνες, αμινοξέα, ιόντα, λιπίδια, δραστικά ολιγοπεπτίδια. Η δράση τους εξαρτάται από τον κύκλο των G-τριμερών πρωτεϊνών. Οι πρωτεΐνες αυτές απαρτίζονται από δύο υπομονάδες- Gα και Gβ/γ, από τις οποίες η πρώτη συνδέεται με GTP/GDP με αποτέλεσμα αλλοστερικές τροποποιήσεις. Τέτοιες τροποποιήσεις επιτρέπουν αλληλεπίδραση με τον ενεργοποιημένο υποδοχέα και την εκτελεστική πρωτεΐνη έτσι ώστε σε ένα κύκλο G-πρωτεϊνη/ GTP-GDP να μεταβιβάζεται το μήνυμα από τον υποδοχέα στην εκτελεστική πρωτεϊνη.

Οι υποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτεϊνες II Ανάλογα με τον υπότυπο της Gα ή τη Gβ/γ υπομονάδα που συμμετέχει αλλάζει η εκτελεστική πρωτεϊνη και η περαιτέρω πορεία του σήματος: αδενυλική κυκλάση (αύξηση camp) φωσφοδιεστεράση (μείωση camp) PKA PLCβ PI3Kγ ενεργοποίηση Rho κινασών ρύθμιση καναλιών ιόντων καθώς και το άμεσο τελικό αποτέλεσμα: ενζυμική ρύθμιση βιοχημικών οδών μεταγραφική ενεργοποίηση γονιδίων Dorsam and Gutkind Nature Reviews Cancer 7, 79 94 (February 2007) doi:10.1038/nrc2069

Οι υποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτεϊνες III Ενεργοποίηση του μονοπατιού του camp Ο ενεργοποιημένος υποδοχέα μέσω της Gαs ενεργοποιεί την αδενυλική κυκλάση η δράση της οποίας αυξάνει τα επίπεδα του camp. Με τη σειρά της η camp ενεργοποιεί την camp-dependend Protein Kinase PKA. Η PKA δρά στο κυτταρόπλασμα ενεργοποιώντας μια σειρά ενζύμων του ιδίου μεταβολικού μονοπατιού ή δρά στον πυρήνα ενεργοποιώντας τον μεταγραφικό παράγοντα CREB.

Οι υποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτεϊνες IV Ενεργοποίηση του μονοπατιού της PLC Ο ενεργοποιημένος υποδοχέα μέσω της Gαq ενεργοποιεί την φωσφολιπάση C PLC η δράση της οποίας αυξάνει τα επίπεδα δύο β γενων μηνυτώρων: DAG και IP3. To IP3 συνδέεται σε και ενεργοποιεί κανάλια Ca του ενδοπλασματικού δικτύου προκαλώντας αύξηση του κυτοσολικού Ca. Τα DAG IP3 συνδέονται και ενεργοποιούν την Protein kinase B/Akt. Με τη σειρά τoυς τα DAG, Ca συνδέονται και ενεργοποιούν την Protein kinase C, PKC

Οι υποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτεϊνες V Το μονοπάτι της Akt Οι Akt και PKC δρούν στο κυτταρόπλασμα ρυθμίζοντας σημαντικά μονοπατιά ελέγχου Των: Κυτταρικού κύκλου Απόπτωση Οργανωση ινιδίων-κίνηση Ρύθμιση μεταβολισμού

Οι υποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτεϊνες VI Ενεργοποίηση καναλίων ιόντων Ο ενεργοποιημένος υποδοχέα μέσω της Gβγ ενεργοποιεί κανάλια ιόντων.

Οι υποδοχείς με δραστικότητα Tyr κινάσης Οι υποδοχείς αυτοί δέχονται μηνύματα από ορμόνες. Ο πλήρης υποδοχέας αποτελεί ένα διμερές από δύο ενεργοποιημένα μονομερή- ως ομο ή έτεροδιμερή- το καθένα από τα οποία επιτρέπει στο ζευγάρι του να το φωσφορυλιώσει. Υπάρχουν 20 διαφορετικές ομάδες ανάλογα με το σηματοδοτικό μόριο.

Οι υποδοχείς με δραστικότητα Tyr κινάσης ΙΙ Το μονοπάτι Jak/Stat Το πλήρως φωσφορυλιωμένο διμερές αποτελεί μια πλατηφόρμα αλληλεπίδρασης πρωτεϊνών με δομές SH2 και PTB. Μόρια με τέτοιες δομές ενεργοποιούνται μετά από φωσφορυλίωση και αποτελούν την απαρχή ενός μονοπατιού μεταγωγής σήματος. Ένα τέτοιο μονοπάτι είναι αυτό των Jak/Stat. Οι Stat μετά τη φωσφορυλίωση τους διμερίζονται και οδηγούνται στον πυρήνα όπου διαδραματίζουν ρόλο μεταγραφικών παραγόντων.

Οι υποδοχείς με δραστικότητα Tyr κινάσης ΙΙI Το μονοπάτι Sos/Ras/Raf/MEK/MAPK Το πλήρως φωσφορυλιωμένο διμερές αποτελεί μια πλατηφόρμα πρόσδεσης της GRB2. Με τη μεσολάβηση της GRB2 (δομές SH2/SH3) τροποποιείται αλλοστερικά η Sos η οποία με τη σειρά της τροποποιεί αλλοστερικά τo Ras/GDP μετατρέποντας το στην ενεργή μορφή Ras/GTP. Το Ras/GTP φωσφορυλιώνει και ενεργοποιεί τη Raf. Ακολουθεί μια σειρά από κινάσες που η προηγούμενη φωσφορυλιώνει και ενεργοποιεί την επόμενη (ΜΕΚ/ΜAPK) με κατάληξη την φωσφορυλίωση και ενεργοποίηση μεταγραφικών πυρηνικών παραγόντων.

https://en.wikipedia.org/wiki/mitogen-activated_protein_kinase Στους μύκητες, οι αντιδράσεις στο μονοπατι των MAP κινασών εξελίσσονται σε πρωτεϊνες πλατηφορμες στο κυτταρόπλασμα και κάθε διακριτό μονοπάτι ρυθμίζει συγκεκριμένη κυτταρική λειτουργία. Στα θηλαστικά δεν έχει βρεθεί αντίστοιχη πλατηφόρμα και κάθε μονοπατι των MAP κινασων μπορεί να αλληλεπιδρά με τα άλλα στη ρύθμιση της κυτταρικής φυσιολογίας.

Οι υποδοχείς με δραστικότητα Ser κινάσης Το μονοπάτι Smad Στην κατηγορία αυτή ανήκουν υποδοχείς της οικογενείας TGF. Πρόκειται για ανεξάρτητα αρχικά σύμπλοκα- μονομερές RIII, διμερές RIΙ, διμερές RI, τα οποία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μετά τη σύνδεση με τον TGF- o TGF συνδέεται στον RII ή και RIII. Αυτό οδηγεί σε ένα σύμπλοκο όπου ο RII φωσφορυλιώνει τον RI ο οποίος με τη σειρά τους ενεργοποιεί τον Smad2/3. Ο ενεργοποιημένος Smad2/3 ετεροδιμερίζεται με τον Smad4 εισάγεται στον πυρήνα όπου ενεργοποιεί μεταγραφικούς παράγοντες

Μονοπατι μεταγωγής σήματος που προϋποθέτει ubiquitinilation/πρωτεόλυση Το μονοπάτι NF-kB Εδώ στην κυτταροπλασματική πλευρά των ενεργοποιημένων υποδοχέων δημιουργείται μια πλατηφόρμα polyubiquitin όπου φωσφορυλιώνεται το σύμπλοκο κινάση του αναστολέα του NF-kB: IKKαβ/ΝΕΜΟ. Αυτό με τη σειρά του φωσφορυλιώνει τον αναστολέα ο οποίος σημαίνεται με ubiquitin αποδεσμεύεται από τον NF-kB και πρωτεολύεται. Ο ελέυθερος NF-kB οδηγείται στον πυρήνα. ᄆ

Μονοπατι μεταγωγής σήματος που προϋποθέτει ubiquitinilation/πρωτεόλυση Το μονοπάτι Wnt/β-catenin Στην περίπτωση αυτή απουσία σήματος ο ελεύθερος μεταγραφικός παράγοντας β-catenin δεσμεύεται σε μια πρωτεϊνη πλατηφόρμα- Axin όπου φωσφορυλιώνεται, συνδέεται με ubiquitin και πρωτεολύεται. Όταν ενεργοποιείται ο υποδοχέας (σύμπλοκο Fz/LRL/Wnt) το προηγούμενο σύμπλοκο Axin/APC/GSK3/CK1/b-cat καταστρέφεται μετά από φωσφορυλίωση της Axin από την LRP-η Dsl μεταφέρει το σύμπλοκο στον υποδοχέα, και η β-catenin οδηγείται στον πυρήνα.

Μονοπατι μεταγωγής σήματος που προϋποθέτει μερική πρωτεόλυση του υποδοχέα Το μονοπάτι Delta/Notch Στην περίπτωση αυτή απαιτείται αλληλεπίδραση δύο κυττάρων- ο σηματοδότης που φέρει τον υποδοχέα Delta και το ανταποκρινόμενο κύτταρο που λαμβάνει χώρα η οδός μεταγωγής σήματος- φέρει υποδοχέα Notch. Η αλληλεπίδραση Delta/Notch επιτρέπει την πρωτεολυτική δράση των μεμβρανικών πρωτεασών ADAM10(εξωκυττάρια δράση), γ-secretase(ενδομεμβρανική δράση) στον υποδοχέα Notch με τελικό αποτέλεσμα την απόσπαση ενός κυττοσολικού τμήματος με συμπεριφορά μεταγραφικού παράγοντα το οποίο μεταφέρεται και δρά στον πυρήνα.