I rok Biotechnologia

Zagadnienia do przygotowania

na ćwiczenia i seminaria z przedmiotu BIOLOGIA KOMÓRKI

SYGNALIZACJA MIĘDZYKOMÓRKOWA

1. Sposoby komunikacji międzykomórkowej (autokrynowa, parakrynowa, jukstakrynowa)

2. Pojęcia: komórka sygnałowa, komórka efektorowa, ligand, receptor

3. Budowa i cechy receptora

4. Agonista, antagonista kompetycyjny i niekompetycyjny

5. Ogólne zasady sygnalizacji międzykomórkowej (fosforylacja i defosforylacja)

6. Kryteria klasyfikacji receptorów

7. Klasyfikacja receptorów w zależności od budowy i sposobu transdukcji sygnału

8. Receptory jonotropowe - przekazywanie sygnałów przez synapsy (synapsy, neuroprzekaźniki)

9. Receptory metabotropowe

1. białka G (budowa, aktywacja i rola w przekazywaniu sygnału)

2. informatory wtórne

10. Receptory o aktywności enzymatycznej

1. rola białka RAS

11. Mechanizm działania receptorów jądrowych

12. Artykuł: „Marihuana w naszych mózgach” R.A. Nicoll, B.E. Alger; Świat Nauki 2005; str 26-31

Zalecana literatura:

B. Alberts „Podstawy biologii komórki - wprowadzenie do biologii molekularnej” PWN 1999 i nowsze (tu przystępnie przedstawiona sygnalizacja międzykomórkowa)

J. Kawiak, M.Zabel „Seminaria z cytofizjologii” Wydawnictwo Medyczne URBAN&PARTNER 2002

G.Fuller, D. Shields „Podstawy molekularne biologii komórki - aspekty medyczne” PZWL 2000

Receptory - wyspecjalizowane komórki lub narządy zmysłowe odbierające informacje z otoczenia.

Receptor - w ogólnym znaczeniu struktura mająca zdolność do:

1. specyficznego rozpoznania stymulacji o naturze fizykochemicznej;

2. wywołania bezpośrednio, bądź za pośrednictwem innych struktur, reakcji na stymulację.

Ze względu na charakter bodźca bądź stymulacji receptory dzielą się na:

• chemoreceptory - receptory rozróżniające substancje chemiczne (białka: białka receptorowe smaku i węchu; komórki: neurony smakowe, neurony węchowe; narządy: kubki smakowe, śluzówka węchowa);

• termoreceptory - receptory reagujące na temperaturę bądź jej zmianę;

• nocyceptory - receptory wrażeń bólowych;

• mechanoreceptory - receptory wrażeń mechanicznych, takich jak dotyk (ciałko blaszkowate Vatera-Paciniego) lub dźwięk (narząd ślimakowy ucha wewnętrznego wykorzystuje mechanoreceptory do przetworzenia dźwięku w sygnały nerwowe);

• fotoreceptory - receptory światła (białka: opsyny, rodopsyna; komórki: czopki, pręciki; narządy: oko);

• magnetoreceptory - receptory natężenia i kierunku pola magnetycznego;

• elektroreceptory - receptory natężenia i kierunku pola elektrycznego;

• osmoreceptory - receptory ciśnienia osmotycznego;

• proprioreceptory - receptory ruchu, pozycji i równowagi;

• baroreceptory - receptory ciśnienia.

Niektóre receptory mogą też reagować na bodźce inne niż właściwe dla ich funkcji. Na przykład nocyceptory i termoreceptory człowieka reagują na kapsaicynę zawartą w odmianach papryki (Capsicum sp.) o ostrym smaku, a receptory zimna są aktywowanementolem.

Receptory cholinergiczne (ukł. przywspółczulny):

• Nikotynowe (N) - agonistą jest nikotyna;

• Nikotynowe neuronalne (Nn);

• Nikotynowe mięśniowe (Nm);

• Muskarynowe (M) - agonistą jest muskaryna. Wyróżniamy 5 rodzajów M1-M5:

• M1 - uczenie się i pamięć;

• M2 - serce;

• M3 - mięśnie gładkie.

Klasyfikacja receptorów

• ze względu na lokalizację:

• eksteroreceptory - na zewnątrz ciała;

• interoreceptory - wewnątrz ciała; dzielą się ze względu na lokalizację:

• proprioreceptory (proprioceptory) - narząd ruchu (stawowe, mięśniowe) - informuje o położeniu ciała oraz jego części względem siebie (kinestezja);

• wisceroreceptory - narządy wewnętrzne - informuje o stanie poszczególnych narządów;

• angioreceptory - informują o stanie środowiska w naczyniach.

• eksteroreceptory, dzielą się ze względu na styczność z bodźcem:

• telereceptory - z pewnej odległości (np. wzrok, słuch);

• kontaktoreceptory - są w bezpośrednim kontakcie z bodźcem (np. smak, ucisk);

Białka receptorowe (receptory) - białka łączące się z określoną inną substancją (ligandem), taką jak np. neuroprzekaźnik albo hormon, i inicjujące kaskadę przewodzenia sygnału i reakcji komórki w odpowiedzi na ligand. W zasadzie ligand pasuje do receptora jak klucz do zamka, jednak jeden ligand może wiązać się z różnymi receptorami oraz jeden receptor może być pobudzany przez jeden lub więcej ligandów. Receptory mają ogromne znaczenie w biotechnologii i medycynie: badania nad nowymi lekami koncentrują się na znalezieniu substancji chemicznych blokujących lub pobudzających receptory.

Receptory możemy podzielić ze względu na:

• lokalizację:

• receptory membranowe (np. receptory acetylocholinowe)

• receptory cytoplazmatyczne (np. receptory hormonów będących pochodnymi aminokwasów)

• receptory jądrowe (receptory hormonów tarczycowych)

• mechanizm działania:

• kanały jonowe

• czynniki transkrypcyjne

Specyficzną grupą są "receptory sieroce" (ang. orphan receptors), o których, na podstawie podobieństwa sekwencji, można powiedzieć, iż są receptorami, ale do których nie znaleziono jeszcze wiążącego się z tym receptorem ligandu.

Agonista - czynnik współdziałający, o podobnym działaniu do czegoś. Rozumiany również jako substancja łącząca się z receptorem, wywołując reakcję w komórce. Jest przeciwieństwem antagonisty, który łącząc się z receptorem, blokuje go, nie wywołując reakcji. Antagonista blokuje także receptor przed aktywowaniem go przez agonistę.

Znane jest także pojęcie częściowego agonisty, który wywołuje reakcję receptora, jednakże nie tak silną jak pełny agonista. Agonista to substancja naturalna (hormon, neurotransmiter) lub sztuczna (narkotyk, lek).

Antagonista (z gr. antagōnisma 'opozycja') - w farmakologii substancja blokująca normalną pracę receptora lub lek o działaniu przeciwnym do innego leku^[1].

Antagonistą jest lek, który ma powinowactwo do receptora, ale nie ma aktywności wewnętrznej. Może osłabić albo znosić działanie agonisty^[2]. Wyróżnia się antagonizm konkurencyjny, niekonkurencyjny i czynnościowy, a także chemiczny, funkcjonalny, receptorowy oraz dyspozycyjny^{[potrzebne źródło]}.

Antagonizm międzylekowy powoduje hamowanie lub wzajemne znoszenie działania danych leków

Odwrotny agonista - substancja hamująca konstytutywną aktywność receptora^[1]. W farmakologii określa się tak czynnik, który przyczepia się do tej samej części receptora co agonista, ale wywołuje odwrotny efekt^[2]. Z kolei antagonista danego receptora znosi działanie zarówno agonistów, jak i odwrotnych agonistów, o ile zostanie podany w odpowiedniej dawce.

Wiele leków potocznie nazywanych antagonistami konkretnych receptorów to tak naprawdę odwrotni agoniści, np.:

• hydroksyzyna i inni popularni "antagoniści"^[3] receptora H1,

• naltrekson ("antagonista" receptorów opioidowych),

• czynnik Ro15-4513.

Antagonista niekompetycyjny- ma miejsce wtedy, gdy antagonista blokuje dlaszy punkt szlaku metabolicznego już po związaniu agonisty z receptorem.

Antagonista kom petycyjny- substancja farmakologiczna łączy się z receptorem i blokuje miejsce wiązania agonisty (konkurencja). Antagonizm może być odwracalny lub nieodwracalny.

Receptor metabotropowy (synonimy to: receptor 7TM, receptor związany z białkiem G) - rodzaj receptora błonowego hormonalnego. W organizmie wykryto kilkaset receptorów metabotropowych, które różnią się strukturą i funkcją. Zbudowany jest z:

• części zewnątrzkomórkowej, która jest właściwym receptorem dla liganda zewnętrznego - hormonu

• części transmembranalnej, która zbudowana jest z siedmiu helis

• części wewnątrzkomórkowej, która jest aktywatorem białka G

Po przyłączeniu ligandu zewnątrzkomórkowego zmienia się konformacja części wewnątrzkomórkowej, do której może przyłączyć się podjednostka α białka G. W efekcie białko G zostaje zaktywowane i może dalej przekazywać sygnał danego szlaku fizjologicznego.

Do tej grupy receptorów należą:

• receptory muskarynowe

• receptory histaminowe

• receptory GABA-B

• większość receptorów serotoninowych

• receptory adenozynowe

• adrenergiczne α i β

• dopaminowe D₁, D₂

• melatoninowe Mel1

• serotoninowe 5-HT₁, 5-HT₂

• opioidowe μ, δ i κ

• receptory kannabinoidowe CB1, CB2

Białko G (starsza, obecnie nie stosowana nazwa - Białka N²) - białko adaptorowe dla receptora metabotropowego. Generalnie nazwą Białka G określa się dużą grupę polimorficznych białek, które charakteryzują się aktywnością GTP-azy. Wyróżnia się kilkanaście podtypów tych białek, które różnią się sposobem pobudzenia i efektorem, jaki pobudzają. Biorą udział w przekaźnictwie hormonalnym i mogą pobudzać lub hamować.

Białko G jest heterotrimerem zbudowanym z podjednostek:

• α - połączonej z GDP;

• β;

• γ;

Rodzaje

Gs - stymulujące

• dołącza się do receptora Rs

• podjednostka αs wiąże nukleotyd guanylanowy i ma aktywność GTPazy; pobudza cyklazę adenylanową zwiększając tworzenie cAMP

• podjednostki β i γ tworzą kompleks do którego przyłącza się podjednostka α po oddaniu GMP

Gi - inhibitorowe

• podjednostka αi wiąże kompleks guanylanowy i ma aktywność GTPazy; hamuje działanie cyklazy adenylowej zmniejszając wytwarzanie cAMP

• podjednostki β i γ są takie same jak w Gs

Działanie: Do zmienionej przez ligand zewnętrzny konformacji części wewnętrznej receptora metabotropowego przyłącza się podjednostka α, co powoduje aktywację białka G, czego efekty są następujące:

• GDP związany z podjednostką α zostaje wymieniony na GTP, po czym podjednostka α oddysocjowuje od heterotrimerycznego kompleksu i tworzy zaktywowaną podjednostkę α;

• 'osamotniony' heterodimer - kompleks βγ również staje się aktywny;

Obydwie aktywowane części rozpadłego Białka G napotykają specyficzne dla siebie białka efektorowe uaktywniając je. Zaktywowana podjednostka α po przyłączeniu się do efektora, poprzez swoją aktywność GTP-azy hydrolizuje GTP i w efekcie:

• powstaje GDP;

• podjednostka α staje się nieaktywna i:

• przyłącza napotkany kompleks βγ, deaktywując go;

Odtworzone, nieaktywne białko G jest gotowe do związania się z częścią wewnętrzną receptora metabotropowego i rozpoczęcia kolejnego cyklu przekazywania sygnału.

Znaczenie kliniczne

Zaburzenia w metabolizmie białka G występują w takich schorzeniach, jak:

• rzekoma niedoczynność przytarczyc

• cholera

• krztusiec

Receptor jonotropowy (kanał jonowy bramkowany przekaźnikiem) - rodzaj receptora błonowego hormonalnego sprzężonego z kanałem jonowym działającym na zasadzie transportu biernego. W części zewnątrzkomórkowej receptora znajduje się miejsce wiążące cząsteczkę sygnałową (ligand), w efekcie związania dochodzi do zmiany konformacji białek tworzących kanał jonowy. Przez otwarty kanał przenikają jony zgodnie z gradientem stężeń.

Klasycznym przykładem takiego receptora jest receptor dla acetylocholiny, który funkcjonuje w płytce nerwowo-mięśniowej.

Przykłady receptorów jonotropowych

• GABA_A

• receptor nikotynowy

• receptor NMDA

• receptor glicynowy

• receptor serotoninowy 5HT₃

Fosforylacja - reakcja przyłączenia reszty fosforanowej do nukleofilowego atomu dowolnego związku chemicznego. Zazwyczaj fosforylowane są grupy hydroksylowe (estryfikacja alkoholi) lub aminowe (tworzenie amidów). Przeciwieństwem fosforylacji jestdefosforylacja. Proces przyłączenia reszty kwasu fosforowego do określonych związków chemicznych, zachodzi w organizmach żywych. Jest katalizowany przez enzymy zwane kinazami, które transportują reszty kwasowe na białka, nukleozydy i nukleotydy, cukry, lipidy i in.

Szczególnymi przypadkami fosforylacji są reakcje powstawania wysokoenergetycznych cząsteczek ATP, które mogą zachodzić na różnych drogach (np. fosforylacja oksydacyjna, fosforylacja substratowa lub fosforylacja fotosyntetyczna).

Defosforylacja jest procesem odwrotnym do fosforylacji, polegającym na odszczepieniu reszty fosforanowej od cząsteczki białka (a w ogólności każdego innego związku organicznego). Enzymami odpowiedzialnymi za ten proces są fosfatazy alkaliczne i kwasowe

Białka RAS są produktem protoonkogenu RAS. Białka RAS są również białkami G, ale w przeciwieństwie dobiałek G sprzężonych z receptorami metabotropowymi nie są trymerami, ale są zbudowane z jednego łańcucha.

Białko to aktywuje się w następujący sposób:

Cząsteczka sygnałowa (czynnik wzrostu) działa na receptor katalityczny -> receptor dimeryzuje -> receptor się aktywuje -> kinaza tyrozynoswoista fosforyluje reszty Tyr w receptorze, ale także w bialku adapterowym ->białko staje się aktywne -> aktywuje ono nieaktywne białko RAS -> GDP związane z białkiem G zamienia GDP na GTP -> aktywacja białka RAS -> fosforylacja białek + kaskada kinaz

Po przekazaniu informacji białko aktywne RAS hydrolizuje GTP tak samo jak podjednostka alfa białka G i staje się z powrotem białkiem nieaktywnym.

---