ΚΕΦΑΛΑΙΟ 15 Κυτταρική ρύθμιση Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 1
ΕΙΚΟΝΑ 15.1 Μηχανισμοί διακυτταρικής σηματοδότησης. Η διακυτταρική σηματοδότηση μπορεί να συμβαίνει είτε απευθείας μέσω των επαφών μεταξύ κυττάρων είτε μέσω της δράσης εκκρινόμενων σηματοδοτικών μορίων. (Α) Στην ενδοκρινή σηματοδότηση, μια ορμόνη μεταφέρεται μέσω του κυκλοφορικού συστήματος και επιδρά σε απομακρυσμένα κύτταρα-στόχους. (Β) Στην παρακρινή σηματοδότηση, ένα μόριο που απελευθερώνεται από ένα κύτταρο δρα τοπικά, επηρεάζοντας γειτονικά κύτταραστόχους. (Γ) Στην αυτοκρινή σηματοδότηση, ένα κύτταρο παράγει ένα σηματοδοτικό μόριο στο οποίο αποκρίνεται το ίδιο το κύτταρο που το εκκρίνει. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 2
ΕΙΚΟΝΑ 15.2 Δομές των στεροειδών ορμονών, της θυρεοειδούς ορμόνης, της βιταμίνης D3 και του ρετινοϊκού οξέος. Στα στεροειδή περιλαμβάνονται οι φυλετικές ορμόνες (τεστοστερόνη, οιστρογόνα και προγεστερόνη), τα γλυκοκορτικοειδή και τα μεταλλοκορτικοειδή. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 3
ΕΙΚΟΝΑ 15.3 Δράση των γλυκοκορτικοειδών. Τα γλυκοκορτικοειδή διαχέονται μέσω της κυτταροπλασματικής μεμβράνης και δεσμεύονται από τον υποδοχέα των γλυκοκορτικοειδών. Απουσία προσδέτη, ο υποδοχέας βρίσκεται σε σύμπλοκο με τον μοριακό συνοδό Hsp90 στο κυτταρόπλασμα. Η δέσμευση του γλυκοκορτικοειδούς εκτοπίζει τον Hsp90 από τον υποδοχέα και επιτρέπει τον διμερισμό του υποδοχέα. Οι ενεργοποιημένοι υποδοχείς μετατοπίζονται στον πυρήνα, προσδένονται στο DNA και συνδέονται με συνενεργοποιητές που διαθέτουν ενεργότητα ακετυλοτρανσφεράσης των ιστονών (HAT, Histone Acetyltransferase), με αποτέλεσμα την επαγωγή της μεταγραφής των γονιδίων-στόχων. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 4
ΕΙΚΟΝΑ 15.4 Γονιδιακή ρύθμιση από τον υποδοχέα της θυρεοειδούς ορμόνης. Ο υποδοχέας της θυρεοειδούς ορμόνης έχει την ικανότητα να προσδένεται σε DNA τόσο παρουσία όσο και απουσία ορμόνης. Ωστόσο, η πρόσδεση της ορμόνης μεταβάλλει τη λειτουργία του υποδοχέα, μετατρέποντάς τον από καταστολέα σε ενεργοποιητή της μεταγραφής του γονιδίουστόχου. Απουσία ορμόνης, ο υποδοχέας συνδέεται με συγκαταστολείς που διαθέτουν ενεργότητα απακετυλάσης των ιστονών (HDAC, Histone Deacetylase). Παρουσία ορμόνης, ο υποδοχέας συνδέεται με συνενεργοποιητές που διαθέτουν ενεργότητα ακετυλοτρανσφεράσης των ιστονών (HAT). Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 5
ΠΙΝΑΚΑΣ 15.1 Αντιπροσωπευτικές πολυπεπτιδικές ορμόνες, νευροπεπτίδια και αυξητικοί παράγοντες *Οι τιμές που δίνονται εκφράζουν τον αριθμό των αμινοξέων στις αντίστοιχες πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Ορισμένες ορμόνες και αυξητικοί παράγοντες αποτελούνται από δύο πολυπεπτιδικές αλυσίδες, οι οποίες ονομάζονται είτε Α και Β είτε α και β. **Οι περισσότερες ορμόνες και αυξητικοί παράγοντες του πίνακα έχουν και άλλες λειτουργίες εκτός από αυτές που αναφέρονται εδώ. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 6
ΕΙΚΟΝΑ 15.7 Πρωτοταγής δομή του επιδερμικού αυξητικού παράγοντα (EGF). Ο EGF είναι μια μονή πολυπεπτιδική αλυσίδα 53 αμινοξέων. Εδώ απεικονίζονται οι δισουλφιδικοί δεσμοί μεταξύ κυστεϊνών. (Από τη δημοσίευση των G. Carpenter και S. Cohen, 1979. Ann. Rev. Biochem. 48: 193.) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 7
ΕΙΚΟΝΑ 15.11 Δομή ενός υποδοχέα συνδεδεμένου με πρωτεΐνη G. Ο υποδοχέας που είναι συνδεδεμένος με μια πρωτεΐνη G φέρει επτά χαρακτηριστικές διαμεμβρανικές α-έλικες. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 8
ΕΙΚΟΝΑ 15.12 Ορμονική ενεργοποίηση της αδενυλικής κυκλάσης. Η δέσμευση της ορμόνης επάγει την αλληλεπίδραση του υποδοχέα με μια πρωτεΐνη G. Στη συνέχεια, η ενεργοποιημένη υπομονάδα α της πρωτεΐνης G αποσυνδέεται από τον υποδοχέα και διεγείρει την αδενυλική κυκλάση, η οποία καταλύει τη μετατροπή του ATP σε camp. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 9
ΕΙΚΟΝΑ 15.13 Ρύθμιση των πρωτεϊνών G. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 10
ΕΙΚΟΝΑ 15.19 Σύνθεση και αποικοδόμηση του camp. Το κυκλικό AMP συντίθεται από ATP με τη δράση της αδενυλικής κυκλάσης και αποικοδομείται σε AMP με τη δράση της φωσφοδιεστεράσης του camp. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 11
ΕΙΚΟΝΑ 15.20 Ρύθμιση της πρωτεϊνικής κινάσης A. Η ανενεργή μορφή της πρωτεϊνικής κινάσης A αποτελείται από δύο ρυθμιστικές (Ρ) και δύο καταλυτικές (Κ) υπομονάδες. Η δέσμευση camp στις ρυθμιστικές υπομονάδες επάγει μια μεταβολή στη στερεοδιαμόρφωση που προκαλεί την αποσύνδεση των καταλυτικών υπομονάδων, οι οποίες με τον τρόπο αυτό καθίστανται ενζυμικά ενεργές. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 12
ΕΙΚΟΝΑ 15.21 Ρύθμιση του μεταβολισμού του γλυκογόνου από την πρωτεϊνική κινάση A. Η πρωτεϊνική κινάση A φωσφορυλιώνει δύο ένζυμα, τη συνθάση του γλυκογόνου και την κινάση της φωσφορυλάσης. Η συνθάση του γλυκογόνου (η οποία καταλύει τη σύνθεση του γλυκογόνου) καταστέλλεται από τη φωσφορυλίωσή της, ενώ η κινάση της φωσφορυλάσης ενεργοποιείται από τη φωσφορυλίωσή της. Η κινάση της φωσφορυλάσης στη συνέχεια φωσφορυλιώνει και ενεργοποιεί τη φωσφορυλάση του γλυκογόνου, η οποία καταλύει τη διάσπαση του γλυκογόνου σε 1-φωσφορική γλυκόζη. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 13
ΕΙΚΟΝΑ 15.22 Επαγωγή της γονιδιακής έκφρασης από το κυκλικό AMP. Η ελεύθερη καταλυτική υπομονάδα της πρωτεϊνικής κινάσης A μετατοπίζεται στον πυρήνα και φωσφορυλιώνει τον μεταγραφικό παράγοντα CREB, με αποτέλεσμα τη στρατολόγηση συνενεργοποιητών και την έκφραση των γονιδίων που αποκρίνονται στο camp. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 14
ΕΙΚΟΝΑ 15.23 Ρύθμιση των επιπέδων φωσφορυλίωσης πρωτεϊνών από την ισορροπία ανάμεσα στην πρωτεϊνική κινάση A και την πρωτεϊνική φωσφατάση I. Η φωσφορυλίωση πρωτεϊνών-στόχων από την πρωτεϊνική κινάση A αντιστρέφεται με τη δράση της πρωτεϊνικής φωσφατάσης I. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 15
ΕΙΚΟΝΑ 15.14 Οργάνωση των υποδοχέων-πρωτεϊνικών κινασών τυροσίνης. Κάθε υποδοχέας αποτελείται από την εξωκυτταρική αμινοτελική επικράτεια που ευθύνεται για τη δέσμευση του αντίστοιχου προσδέτη, από μια μονή διαμεμβρανική α-έλικα και από την κυτταροπλασματική καρβοξυτελική επικράτεια που φέρει ενεργότητα πρωτεϊνικής κινάσης τυροσίνης. Εδώ απεικονίζονται οι δομές τριών διαφορετικών υποοικογενειών υποδοχέων-πρωτεϊνικών κινασών τυροσίνης. Οι υποδοχείς τόσο του EGF όσο και της ινσουλίνης διαθέτουν εξωκυτταρικές επικράτειες που είναι πλούσιες σε κυστεΐνες, ενώ ο υποδοχέας του PDGF διαθέτει επικράτειες που μοιάζουν με ανοσοσφαιρίνες (Ig). Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι η επικράτεια κινάσης του υποδοχέα του PDGF διακόπτεται από μια προσθήκη 100 περίπου αμινοξέων που δεν έχουν καμία ομοιότητα με τις αμινοξικές αλληλουχίες που συναντάμε στις καταλυτικές επικράτειες των περισσότερων πρωτεϊνικών κινασών τυροσίνης. Ο υποδοχέας της ινσουλίνης εμφανίζει μια ασυνήθιστη διμερή δομή, αφού αποτελείται από δύο ζεύγη πολυπεπτιδικών αλυσίδων (υπομονάδες α και β). Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 16
ΕΙΚΟΝΑ 15.15 Διμερισμός και αυτοφωσφορυλίωση των υποδοχέωνπρωτεϊνικών κινασών τυροσίνης. Η πρόσδεση του αυξητικού παράγοντα επάγει τον διμερισμό του υποδοχέα. Ο διμερισμός προκαλεί την αυτοφωσφορυλίωση του υποδοχέα καθώς η μία πολυπεπτιδική αλυσίδα φωσφορυλιώνει την άλλη. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 17
ΕΙΚΟΝΑ 15.16 Σύνδεση των καθοδικών σηματοδοτικών μορίων με τους υποδοχείς-πρωτεϊνικές κινάσες τυροσίνης. Οι επικράτειες SH2 των καθοδικών σηματοδοτικών παραγόντων αναγνωρίζουν και προσδένονται ειδικά σε πεπτίδια των ενεργοποιημένων υποδοχέων τα οποία περιέχουν φωσφοτυροσίνες. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 18
ΕΙΚΟΝΑ 15.34 Ενεργοποίηση της κινάσης MAP ERK. Η διέγερση υποδοχέων αυξητικών παραγόντων οδηγεί στην ενεργοποίηση της μικρής πρωτεΐνης που δεσμεύει GTP Ras, η οποία αλληλεπιδρά με την πρωτεϊνική κινάση Raf. Η ενεργοποιημένη Raf με τη σειρά της φωσφορυλιώνει και ενεργοποιεί τη MEK, μια πρωτεϊνική κινάση με διπλή ειδικότητα που ενεργοποιεί την ERK φωσφορυλιώνοντας θρεονίνες και τυροσίνες μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται μόνο ένα αμινοξύ (π.χ. Thr-183 και Tyr-185). Η ERK στη συνέχεια φωσφορυλιώνει διάφορες πυρηνικές και κυτταροπλασματικές πρωτεΐνες-στόχους. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 19
ΕΙΚΟΝΑ 15.35 Ρύθμιση των πρωτεϊνών Ras. Οι πρωτεΐνες Ras μετατρέπονται με αντιστρεπτό τρόπο από την ανενεργή μορφή τους, που είναι συνδεδεμένη με GDP, στην ενεργή μορφή τους, που είναι συνδεδεμένη με GTP. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 20
ΕΙΚΟΝΑ 15.36 Ο μηχανισμός ενεργοποίησης της Ras από υποδοχείς-πρωτεϊνικές κινάσες τυροσίνης. Το σύμπλοκο της Grb2 με τον παράγοντα ανταλλαγής νουκλεοτιδίων γουανίνης Sos προσδένεται, μέσω της επικράτειας SH2 της Grb2, στον ενεργοποιημένο υποδοχέα σε μια θέση πρόσδεσης που περιέχει μια φωσφοτυροσίνη. Αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης είναι η στρατολόγηση του παράγοντα Sos στην κυτταροπλασματική μεμβράνη, όπου μπορεί να διεγείρει την ανταλλαγή του GDP της Ras με GTP. Στη συνέχεια, το ενεργοποιημένο σύμπλοκο Ras-GTP αλληλεπιδρά με την πρωτεϊνική κινάση Raf. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 21
ΕΙΚΟΝΑ 15.37 Επαγωγή πρώιμων γονιδίων από την ERK. Η ενεργοποιημένη ERK μετατοπίζεται στον πυρήνα, όπου φωσφορυλιώνει τον μεταγραφικό παράγοντα Elk-1. Ο Elk-1, σε σύμπλοκο με τον παράγοντα απόκρισης στον ορό (SRF), προσδένεται στο στοιχείο απόκρισης στον ορό (SRE). Η φωσφορυλίωση ενεργοποιεί τον θετικό μεταγραφικό παράγοντα Elk-1, προκαλώντας την επαγωγή των πρώιμων γονιδίων. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 22
ΕΙΚΟΝΑ 15.46 Το σηματοδοτικό μονοπάτι των ιντεγκρινών. Η πρόσδεση ιντεγκρινών στο εξωκυτταρικό στρώμα οδηγεί στη δημιουργία συμπλόκων επιφέροντας την ενεργοποίηση της FAK μέσω αυτοφωσφορυλίωσης. Στη συνέχεια, η κινάση Src προσδένεται στη θέση αυτοφωσφορυλίωσης της FAK και φωσφορυλιώνει επιπρόσθετες τυροσίνες της FAK. Οι φωσφοτυροσίνες της FAK λειτουργούν ως θέσεις πρόσδεσης για διάφορα καθοδικά σηματοδοτικά μόρια, μεταξύ των οποίων είναι το σύμπλοκο Grb2-Sos, το οποίο οδηγεί στην ενεργοποίηση της Ras, η κινάση PI 3 και η φωσφολιπάση C-γ. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 23
ΕΙΚΟΝΑ 15.47 Ρύθμιση της αναδιαμόρφωσης της ακτίνης από πρωτεΐνες της οικογένειας Rho. Πρωτεΐνες της οικογένειας Rho ρυθμίζουν τον πολυμερισμό της ακτίνης για τον σχηματισμό νηματοποδίων (Cdc42), ελασματοποδίων (Rac) και ινιδίων απόκρισης σε μηχανικό στρες (Rho). Στις φωτογραφίες φωτονικού μικροσκοπίου φθορισμού φαίνεται η κατανομή της ακτίνης μετά από χορήγηση με μικροένεση πρωτεΐνών Cdc42, Rac και Rho σε ινοβλάστες. (Από τη δημοσίευση των C. D. Nobes και A. Hall, 1995. Cell 81: 53.) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 24
ΕΙΚΟΝΑ 15.48 Επαγωγή του πολυμερισμού της ακτίνης από πρωτεΐνες της οικογένειας Rho. (Α) Η Rac και η Cdc42 διεγείρουν πρωτεΐνες της οικογένειας WASP, οι οποίες ενεργοποιούν το σύμπλοκο Arp2/3, που ξεκινά τον σχηματισμό διακλαδιζόμενων ινιδίων ακτίνης. (Β) Η Rho ενεργοποιεί φορμίνες, οι οποίες επάγουν την ανάπτυξη μη διακλαδιζόμενων ινιδίων ακτίνης. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 25
ΕΙΚΟΝΑ 15.49 Ρύθμιση της φωσφορυλίωσης της ελαφριάς αλυσίδας της μυοσίνης από τη Rho. Η Rho ενεργοποιεί την πρωτεϊνική κινάση ROCK, η οποία φωσφορυλιώνει τη ρυθμιστική ελαφριά αλυσίδα της μυοσίνης II και καταστέλλει τη φωσφατάση της ελαφριάς αλυσίδας της μυοσίνης. Η αύξηση των επιπέδων της φωσφορυλίωσης της ελαφριάς αλυσίδας ενεργοποιεί τη μυοσίνη II, προκαλώντας τη συναρμολόγηση ινιδίων ακτίνης/μυοσίνης ώστε να σχηματιστούν ινίδια απόκρισης σε μηχανικό στρες. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 26