Χηµική Μεταβίβαση Σήµατος Ηλίας Ηλιόπουλος Εργαστήριο Γενετικής, Τµήµα Γεωπονικής Βιοτεχνολογίας, Γεωπονικό Πανεπιστήµιο Αθηνών 1
Η Επικοινωνία στα Ζωϊκά Κύτταρα 1. Δίκτυα εξωκυτταρικών και ενδοκυτταρικών µηνυµάτων Το κύτταρο είναι το µέσον όπου η πληροφορία που περιέχεται στο σύνολο των εξωκυτταρικών µηνυµάτων µεταφράζεται σε ένα σύνολο ειδικών αποκρίσεων. 2
Υπάρχει πληθώρα εξωτερικών µηνυµάτων που λαµβάνει το κύτταρο. Ορµόνες, νευροδιαβιβαστές, τοπικές ορµόνες, µορφογενή, χηµικές ενώσεις εσωτερικές του οργανισµού, ξένες χηµικές ενώσεις, φως. Οι τοπικές ορµόνες περιέχουν αυξητικούς παράγοντες, αραχιδονικό οξύ, φωσφολιπίδια κλπ. 3
Χηµική Μεταβίβαση Σήµατος Μεταξύ Κυττάρων Συνήθεις µοριακοί µηχανισµοί για µεταβίβαση σηµάτων. α. Μηχανισµοί β. Ενεργές οµάδες. Ορµόνες, νευροµεταδότες, τοπικοί χηµικοί µεσολαβητές. Μεταβίβαση σήµατος στις µεµβράνες και το κυτόπλασµα. Στεροειδείς ορµόνες και οι υποδοχείς τους. Φεροµόνες Δοµή µεµβρανικών πρωτεινών. Κανάλια και υποδοχείς. 4
Σχεδόν όλα τα εξωκυτταρικά µηνύµατα αποτελούνται από την αλλαγή της συγκέντρωσης ενός ή περισσοτέρων µορίων στο περιβάλλον του κυττάρου. 5
Τα µηνύµατα και η αντίδραση διαφέρουν σηµαντικά και στο χρονικό τους εύρος και διάρκεια αλλα και στην απόσταση που διανύουν (π.χ. νευροδιαβιβαστές, ορµόνες). 6
Παραδείγµατα δράσης ζωϊκών κυττάρων που συµβάλουν στην επιβίωση και µερικά εξωκυτταρικά µηνύµατα που κατευθύνουν αυτές τις δράσεις. 7
Οι βασικοί τύποι εξωκυτταρικών µηνυµάτων που ρυθµίζουν διεργασίες στα ζωϊκά κύτταρα. 8
2. Μηχανισµοί λήψης εξωτερικού σήµατος από τα κύτταρα. 9
Τα ζωϊκά κύτταρα αναγνωρίζουν εξωκυτταρικά µηνύµατα διαµέσου : Πλασµατικών µεµβρανών υποδοχέων ορµονών, νευροδιαβιβαστών και τοπικών ορµονών όπως οι κυτοκινίνες. Υποδοχείς πρωτεϊνών που δεσµεύονται σε διακριτές ακολουθίες DNA για ορµόνες ή µορφογενή που βρίσκονται στον κυτοπλασµατικό χώρο και µερικά ένζυµα του κυτοπλασµατικού χώρου που µεταβολίζουν εξωκυτταρικούς µεταβολίτες. 10
α. Υποδοχείς που βρίσκονται στην εξωτερική επιφάνεια της κυτταρικής µεµβράνης. β. Υποδοχείς πρωτεϊνών που δεσµεύουν DNA που βρίσκονται στο κυτόπλασµα. 11
Βασικά µονοπάτια επικοινωνίας µεταξύ ζωϊκών κυττάρων. Συντονισµός λειτουργιών συντήρησης του κυττάρου. Ρύθµιση έκφρασης γονιδίων. Μεταφορά µεταβολιτών και ιόντων διαµέσου ενδοκυτταρικών µεµβρανών. Μετακίνηση πρωτεϊνών Μεταφορά της πληροφορίας που περιέχεται σε εξωκυττάρια σήµατα που επάγουν κυτταρικές αποκρίσεις. Αλληλεπίδραση υποδοχέων µε πρωτεϊνες γ περιφερειακά της µεµβράνης. Μετακίνηση ενδοκυττάριων µηνυµάτων και µεταβολιτών στον κυτοπλασµατικό χώρο. Μετακίνηση λιπόφιλων ορµονών από τον εξωκυττάριο χώρο στον πυρήνα. Μετακίνηση πρωτεϊνών που δεσµεύονται από το DNA από τον κυτοπλασµατικό χώρο στον πυρήνα Αλληλεπίδραση και µετατόπιση κινασών και φωσφατασών Σύνθεση και µετατόπιση εξιδεικευµένων ενζύµων 12
Μεµβρανικοί υποδοχείς πρωτεϊνών που συµµετέχουν σε ενδοκυτταρική επικοινωνία. 13
Κατηγοριοποίηση µεµβρανικών υποδοχέων πρωτεϊνών µε βάση τον µηχανισµό µε τον οποίο οι υποδοχείς αλληλεπιδρούν µε το προκαλούν ένζυµο ή το ιοντικό κανάλι. 14
Οι επτά γνωστοί τύποι δοµών υποδοχέων που διαχέουν πληροφορία που µεταφέρεται από αγωνιστές διαµέσου της κυτταρικής µεµβράνης. 15
γ. Ενζυµα σε διαδικασίες ενδιάµεσου µεταβολισµού 16
δ. Ενδοµεµβρανικές οπές (Gap Junction). 17
3. Βασικοί µηχανισµοί ενδοκυτταρικής επικοινωνίας. α. Μηχανισµοί συντονισµού δράσεων συντήρησης. β. Μηχανισµοί µεταβίβασης εξωκυτταρικών µηνυµάτων. 18
Τα εξωκυτταρικά µηνύµατα ρυθµίζουν τις συγκεντρώσεις κινητών ενδοκυτταρικών διαβιβαστών µε τρεις τρόπους: α. Με απ'ευθείας σύνδεση υποδοχέων µε ένζυµα ή κανάλια ιόντων. β. Με έµεση αλληλεπίδραση υποδοχέων και καναλιών ιόντων µε µεταβολή της πολικότητας της κυτταρικής µεµβράνης (π.χ. νευροδιαβιβαστές). γ. Με µεταβολισµό εξωτερικών µεταβολιτών από ενδοκυτταρικά ένζυµα (π.χ. αραχιδονικά παράγωγα). 19
4. Επικοινωνία µέσα στον πυρήνα. Υπάρχουν ρυθµιστικές πρωτεΐνες που δεσµεύονται από το DNA που εξαρτόνται ειδικά από την ακολουθία βάσεων του που µεταφέρουν πληροφορίες µεταξύ γονιδίων. Μια κατηγορία από αυτές δεσµεύουν ορµόνες και µορφογενή όπως στεροειδή, βιαµινη D και Α και θυροειδείς ορµόνες. Η µεταφορά του σήµατος από το εξωκυτταρικό περιβάλλον στον πυρήνα περιέχει τρία στάδια. Την µεταφορά των ορµονών διαµέσου της µεµβράνης, την µετακίνηση του συµπλόκου µεµβράνης-υποδοχέα διαµέσου του κυτοπλάσµατος στον πυρήνα και την δέσµευση του συµπλόκου αυτού από το DNA. Οι περισσότεροι δρόµοι ενδοκυτταρικής επικοινωνίας ενισχύουν το αρχικό εξωκυτταρικό σήµα. Ο αριθµός των δυνατών δρόµων για την µεταφορά πληροφορίας µεταξύ κυττάρων είναι µικρός σε σχέση µε τον τεράστιο αριθµό διαφορετικών αποκρίσεων. Η µοναδικότητα της απόκρισης επιτυγχάνεται µε τον συνδυασµό διαφορετικών τύπων µηνυµάτων. 20
5. Το δίκτυο των κινασών και φωσφατασών πρωτεϊνών. Το δίκτυο των κινασών και φωσφατασών πρωτεϊνών είναι ένα σύνολο βιοχηµικών µονοπατιών µε το οποίο µεταφέρεται πληροφορία µεταξύ ενδοκυτταρικών θέσεων σε ζωικά κύτταρα. 21
Οι κινάσες καταλύουν την µεταφορά µιάς φωσφορικής οµάδας από MgATP2- σε µία σερίνη ή τυροσίνη στην πολυπεπτιδική αλυσίδα της πρωτεΐνης στόχου. 22
Το δίκτυο των κινασών µεταφέρει πληροφορία µεταξύ ευκίνητων ενδοκυτταρικών φορέων µηνυµάτων ή µεµβρανικών υποδοχέων και ενδοκυτταρικών πρωτεϊνών στόχων. Οι κινάσες ενεργοποιούνται αλλοστερικά στον κυτοπλασµατικό χώρο είτε από ένα ενδοκυτταρικό διαβιβαστές ή µε φωσφορυλίωση που καταλύεται από µία µεµβρανική κινάση της τυροσίνης. 23
Σχηµατική αναπαράσταση ενός νευρικού κυττάρου που δείχνει τις πρωτεΐνες στόχους για τις κινάσες και τα µεταβολικά µονοπάτια όπου ενεργούν. Οι κινάσες αναπαρίστανται µε τα παρακάτω σύµβολα: Α κινάση που εξαρτάται από κυκλικό ΑΜΡ ; CAΜ ( κινάση της Ca2+ + Καλµοντουλίνης); C κινάση της πρωτίνης C; MLCK κινάση της ελαφριάς αλυσίδας της µυοσίνης. 24
Πίνακας κυτταρικών διεργασιών που ρυθµίζονται από κινάσες C και οι πρωτεΐνες στόχοι τους. 25
Αλλες κινάσες που φωσφορυλιώνουν πρωτεΐνες σε αµινοξικά κατάλοιπα σερίνης και θρεονίνης. 26
6. Τα κυκλικά νουκλεοτίδια Τα κυκλικά νουκλεοτίδια µονοφωσφορική αδενοσίνη (ΑΜΡ) και µονοφωσφορική γουανοσίνη (GMP) έχουν εξελιχθεί σε ενδοκυτταρικούς διαβιβαστές στα ζωικά κύτταρα. Το µεγαλύτερο ποσοστό των δράσεων των κυκλικών νουκλεοτιδίων (AΜP,GMP), ιόντων ασβεστίου και διακυλγλυκερόλης γίνονται δια µέσου των κινασών πρωτεϊνών. 27
Παραδείγµατα του ρόλου του κυκλικού ΑΜΡ σαν ενδοκυτταρικός διαβιβαστής. 28
Οι δύο µηχανισµοί µε τους οποίους το κυκλικό ΑΜP δρά σαν ένας ενδοκυτταρικός διαβιβαστής. α) Το µεγαλύτερο ποσοστό των δράσεων των κυκλικών νουκλεοτιδίων (AΜP,GΜΡ), γίνονται δια µέσου των ΑΜΡ εξαρτωµένων κινασών πρωτεϊνών. Στην περίπτωση των επιθηλια κων κυττάρων που συνδέονται µε την οσµή το κυκλικό ΑΜΡ ενεργοποιεί ένα 29 ιοντικό κανάλι χωρίς την παρέµβαση µιάς κινάσης.
Η ενίσχυση του αρχικού εξωκυτταρικού µηνύµατος που παρέχεται από µία ορµόνη ή άλλο αγωνιστή διαµέσου του συστήµατος ενδοκυτταρικών µηνυµάτων του κυκλικού ΑΜΡ. Η ενίσχυση επιτυγχάνεται µε την καταλυτική δράση του συµπλόκου αγωνιστούυποδοχέα που ενεργοποιεί την πρωτείνη G (αsgdpβγ); την ενεργό µορφή της πρωτεΐνης G (αsgdpβγ) που ενεργοποιεί την κυκλάση της αδενίνης; την κυκλαση της αδενίνης που µετατρέπει ΑΤΡ σε κυκλικό ΑΜΡ; και την κινάση του κυκλικού ΑΜΡ που φωσφορυλιώνει το ένζυµο στόχο. 30
Παραδείγµατα του ρόλου του κυκλικού GMP σαν ένας ενδοκυτταρικός διαβιβαστής. 31
Οι δύο µηχανισµοί µε τους οποίους το κυκλικό GMP δρά σαν ένας ενδοκυτταρικός διαβιβαστής. α) Σε µερικούς κυτταρικούς τύπους σύµπλοκα αγωνιστού-υποδοχέα ενεργοποιούν την κυκλάση της γουανίνης και αυξάνουν την συγκέντρωση του κυκλικού GMP. Το αποτέλεσµα της αυξησης του GMP στις πρωτεΐνες στόχους ρυθµίζεται από την ενεργοποίηση της κινάσης του κυκλικού GMP. Στα κύτταρα φωτουποδοχέων. Η αλληλεπίδραση του φωτός µε την ροδοψίνη ενεργοποιεί την φωσφοδιεστεράση του κυκλικού GMP που οδηγεί σε µιά µείωση της συγκέντρωσης του κυκλικού GMP και κλείσιµο του ιοντικού καναλιού. Σε αυτά τα κύτταρα το κυκλικό GMP δρα σαν ένας αλλοστερικός διεγέρτης του εξαρτώµενου απο το κυκλικό GMP ιοντικού καναλιού. 32
7. Τα πολυφωσφωρικά και οι διαλκυλγλυκερόλες. 33
Κυτταρικές διεργασίες που χρειάζονται την δράση του ινοσιτολ 1,4,5 τριφωσφορικού σαν έναν ενδοκυτταρικό διαβιβαστή. 34
Οι ρόλοι του Ins 1,4,5 P3 και της sn-1,2 διαλκυλ γλυκερόλης ως ενδοκυτταρικοί διαβιβαστές. 35
8. Τα ιόντα Ασβεστίου (Ca 2+ ) Ο ρόλος του Ca2+σαν ένας ενδοκυτταρικός διαβιβαστής στην διάδοση µηνυµάτων από το σύµπλοκο αγωνιστού-υποδοχέως στην πλασµατική µεµβράνη διαµέσου του κυτοπλασµατικού χώρου σε ενδοκυτταρικές πρωτεΐνες στόχους. Ο συνδυασµός του αγωνιστού µε τον υποδοχέα του οδηγεί σε µία αυξηση της µετακίνησης των ιόντων ασβεστίου στον κυτοπλασµατικό χώρο από τον εξωκυτταρικό. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα στην αύξηση της συγκέντρωσης του ενδοκυτταρικού Αυτό από την πλεύρα του ενεργοποιεί τις κινάσες που εξαρτωνται απο τα ιόντα ασβεστίου και άλλες πρωτείνες στόχους δεσµευόµενο σε αλλοστερικές 36 περιοχές τους.
Ο ρόλος των ιόντων νατρίου, καλίου και ασβεστίου στην µεταφορά της πληροφορίας κατα µήκος του νευρικού κυττάρου. 37
Παραδείγµατα κυτταρικών αντιδράσεων που ρυθµίζονται από την συγκέντρωση Ca2+ στον κυτοπλασµατικό χώρο. 38
Ενζυµα και άλλες πρωτεΐνες που ρυθµίζονται από την απ ευθείας αλληλεπίδραση µε το σύµπλοκο Ca 2+ και καλµοντουλίνης 39
Μεταβολικά παράγωγα του αραχιδονικού οξέος. Η δοµή του αραχιδονικού οξέως είναι cis 5,8,11,14 εικοσατετρανοϊκό οξύ. 40
Τα βιοσυνθετικά µονοπάτια των ποσταγλαντινών, θροµβοξανών, λευκοτριενίων, λιποχινών και 12-ΗΡΕΤΕ µε τα ένζυµα που συµµετέχουν στην κατάλυση. 41
Το γενικό σχήµα δράσης των µεταβολιτών του αραχιδονικού οξέως (ΑΑΜ) σαν ένας διακυτταρικός διαβιβαστής µηνυµάτων. Ο συνδυασµός ενός αγωνιστού µε ένα κύτταρο (το κύτταρο διέγερσης) οδηγεί στον σχηµατισµό του ΑΑΜ που διαχέεται έξω από τον κυτοπλασµατικό χώρο στον εξωκυτταρικό. Μερικά µόρια ΑΑΜ δεσµεύονται από υποδοχείς γειτονικών κυττάρων (το κύτταρο στόχος) και επάγουν την διέγερση σε αυτά. Οι υποδοχείς των ΑΑΜ είναι συνδεδεµένοι µε την δηµιουργία ενδοκυτταρικών διαβιβαστών διαµέσου µεµβρανικών και ενδοκυτταρικών συστηµάτων διαβίβασης µηνυµάτων. ΑΑΜ δρουν και στο κύτταρο διέγερσης για την ενίσχυση του σήµατος που µεταφέρθηκε από τον αρχικό αγωνιστή. 42
Η δράση της θροµβοξάνης Α2 (ΤΧΑ2) σαν ενδοκυτταρικός διαβιβαστής. Η ΤΧΑ2 συντίθεται από το αραχιδονικό οξύ σαν αντίδραση του συνδυασµού του αγωνιστή, όπως η θροµβίνη, µε τον υποδοχέα του. Η ΤΧΑ2 δεσµεύεται από τον υποδοχέα που βρίσκεται σε γειτονικά κύτταρα και στο αρχικό κύτταρο διεγέρτη. Αυτό οδηγεί στην σύνθεση ΙΡ3 και DG, αύξηση ιόντων ασβεστίου, ενεργοποίηση της κινάσης του ασβεστίου. Η ίδια η ΤΧΑ2 ενισχύει το µήνυµα που µεταφέρεται από την θροµβίνη ή άλλους αγωνιστές σε γειτονικές συγκεντρώσεις κυττάρων. 43
Εξειδικευµένες πρωτεΐνες που δεσµεύονται από το DNA. Η ενεργοποίηση των πρωτεϊνών που δεσµεύουν DNA γίνεται µε κάποιο εξωκυτταρικό σήµα που ενεργοποιεί την έκφραση ενός ή περισσοτέρων γονιδίων. Η ενεργοποιηµένη πρωτεΐνη δρά στην περιοχή του προαγωγέα (promoter Ρ) ενός δευτέρου γονιδίου και αυξάνει την µεταγραφή αυτού του γονιδίου. Το δεύτερο γονίδιο µπορεί να µεταγράφει µία άλλη πρωτεΐνη που δεσµεύεται από το DNA που ενεργοποιεί µία άλλη οµάδα πρωτεϊνών µε κυτοπλασµατική δράση. 44
Οι βασικές οµάδες πρωτεϊνών που δεσµεύουν DNA που ενεργούν στην µεταφορά πληροφορίας από εξωκυτταρικά µηνύµατα για την διέγερση της µεταγραφής εξειδικευµένων γονιδίων. 45
Η ρύθµιση της µεταγραφής των γονιδίων µε πρωτεΐνες που δεσµεύονται σε διακριτές ακολουθίες DNA. 46