Biochemia – IX – 27.11.2000
Jony wapnia wpuściliśmy do wnętrza kom. poprzez otwarcie kanałów wapniowych typu ROC, czyli zależnych od receptora, oraz kanałów zależnych od drugich przekaźników, czyli SMOC-ów ( kanały te otwiera ligand, którym jest odpowiedni wtórny przekaźnik ) uwolniliśmy jony wapnia z magazynu wewnątrzkomórkowgo, czyli z retikulum endoplazmatycznego i z kalciosomów (tu drugim przekaźnikiem otwierającym te wrota jest 1,4,5 trifosforan inozytolu), ale to nie jedyna możliwość do otwierania magazynów jonów Ca. Kolejnym efektorem pośrednim po wcześniej omówionej fosfolipazie C, cyklazie adenylowej i guanylowej jest:
Fosfolipaza D – współpracuje zarówno z receptorami znajdującymi się w błonie cytoplazmatycznej, jak i zlokalizowanych na innych błonach wewnątrzkom. np. na błonie retikulum endoplazmatycznego. Uruchomienie fosfolipazy D generuje przemianę fosfolipidów błonowych zarówno należących do fosfoinozytydów, ale nie tylko. Również: fosfatydyloseryna, fosfatydylocholina i fosfatydyloetanoloamina są substratami do zadziałania fosfolipazy D. W wyniku działania fosfolipazy D uwalnia się wtórny przekaźnik mianowicie:
- kwas fosfatydowy (PA) – działa jako wtórny przekaźnik, otwierający kanały błonowe typu SMOC, czyli generuje otwarcie dokomórkowego prądu wapniowego, ale dalej na kwas fosfatydowy może działać odpowiednia fosfataza, która odcina resztę fosforanową i wówczas z kwasu fosfatydowego powstaje diacyloglicerol. Jest on aktywatorem kinazy białkowej C.
Jeśli związkiem wyjściowym był PIP2, czyli 4,5 difosforan fosfatydyloinozytolu to drugim związkiem, który się uwolni jest difosforan inozytolu a on nie pełni funkcji wtórnego przekaźnika.
Konsekwencją uruchomienia efektora pośredniego jakim jest fosfolipaza D jest z jednej strony wzrost stężenia jonów wapniowych w cytoplazmie kom. ze wszystkimi tego konsekwencjami: aktywacją układu kalmodulina – Ca, aktywacją kinaz wapniozależnych, może powstawać diacyloglicerol, czyli aktywacja kinazy białkowej C z fosforylacją białek enzymatycznych, nieenzymatycznych, z uruchomieniem antyportu sodowo – wodorowego, alkalizacją wnętrza kom. i przygotowaniem jej do podziału. Insulina jest przekaźnikiem pierwszego rzędu aktywującym fosfolipazę D. Generalnie czynników uruchamiających fosfolipazę D jest mniej niż tych uruchamiających fosfolipazę C.
Fosfolipaza A2 – miejsce działania fosfolipazy A2 to pozycja druga (ryc.26-5, Harper 1995 str.289). W tym miejscu odcina kwas tłuszczowy nienasycony, w przeciwieństwie do pozycji 1 gdzie znajduje się kwas nasycony.
Dla naszych dalszych rozważań istotne jest uwolnienie kwasu arachidonowego (20-sto węglowego kwasu nienasyconego, czyli kwasu eikozatetraenowego). Kwas arachidonowy musi być zdeponowany na fosfolipidach błonowych, ponieważ kwas czteronienasycony bardzo łatwo uległ by spontanicznej oksydacji i straciłby swoje właściwości, on jest uwalniany tylko wtedy kiedy na ten kwas jest zapotrzebowanie. Zainteresowanie kwasem arachidonowym spowodowane jest tym, że z niego powstają ważne biologicznie związki w zależności od tego której przemianie on ulega. Ponieważ węgli ma dwadzieścia to repertuar możliwych zmian jest bardzo duży, a nas zwłaszcza interesują trzy modyfikacje, a mianowicie: utlenianie przy węglu 5,11,15:
C5 - Jeśli rozpoczniemy utlenianie, a ściślej lipooksygenację przy węglu 5 powstanie grupa związków określanych jako leukotrieny (mediatory anafilaksji, czyli nadwrażliwości typu natychmiastowego, mediatory w patogenezie astmy oskrzelowej).Te trzy leukotrieny: LTC4, LTD4, LTE4 (mediatory skurczu oskrzeli) dawniej były określane jako SRS-A (slow reacting substances of anafilaxis – wolno reagujące substancje anafilaksji).
C11 - Jeśli lipooksygenacja następuje przy węglu 11, a następnie do akcji wkracza cyklooksygenaza to powstają cykliczne endonadtlenki prostaglandynowe, z których w wyniku izomeryzacji powstają prostanoidy. Obejmują trzy grupy związków, mianowicie: prostaglandyny (mediatory rekcji zapalnej), prostacykliny, tromboksan A2. Enzym cyklooksygenaza występuje w dwóch izoformach jako tzw. COX1 i COX2.
C15 - Jeśli lipooksygenacja nastąpi przy węglu 15 powstaje grupa związków o nazwie lipoksyny. Aktywacja fosfolipazy A2 może następować bezpośrednio poprzez sprzężenie tego enzymu z białkiem G, ale również układ kalmodulina – Ca może aktywować fosfolipazę A2,
Kaskada kinaz:
Na poszczególnych etapach tego co mówiłem wtórny przekaźnik aktywuje jakąś kinazę:
- Kinaza białkowa A – cAMP
- Kinaza białkowa G – cGMP
- Kinaza białkowa C – diacyloglicerolu
- Kinaza białkowa IP3 – zależna – trifosforan inozytolu
- Kinaza białkowa CaM – jony wapniowe
Każda z tych kinaz doprowadza do amplifikacji sygnału dochodzącego z receptora, z amplifikacją sygnału mieliśmy już wcześniej do czynienia w przypadku hormonu, bo jedna cząsteczka hormonu działając na odpowiedni receptor, generowała znacznie więcej niż jedną cząsteczkę wtórnego przekaźnika. Jedna cząsteczka wtórnego przekaźnika aktywowała więcej niż jedną cząsteczkę odpowiedniej kinazy, z kolei sygnał z kinazy zostaje przeniesiony na kolejne cząsteczki innych białek enzymatycznych i nieenzymatycznych - jedna molekuła przekaźnika pierwszego rzędu jakim jest hormon lub cytokina powodowała w wyniku działania kinaz amplifikację sygnału, to jest cel istnienia tego układu. Bez wchodzenia w szczegóły błona cytoplazmatyczna najeżona jest rozmaitymi receptorami, dla czynników wzrostu, hormonów, które w różny sposób przez rozmaite kinazy, białka RAS, kinazę białkową C, powoduje przekazanie sygnału opartego o fosforylację kolejnych białek w kierunku jądra kom. A w efekcie tej aktywacji dochodzi do wzrostu ekspresji pewnych genów i zahamowania ekspresji innych. Szereg kinaz określa się wspólną nazwą MAPK (kinazy białkowe aktywowane mitogenami). Z tego płynie kolejny wniosek, że każda substancja mitogenna, czyli indukująca proliferację komórki swój efekt proliferacyjny wywołuje poprzez układ fosforylacji kolejnych białek. Tak jak walczy woda z ogniem tak kinazy walczą z fosfatazami, tak więc dla każdej kinazy istnieje odpowiedni fosfataza, której działaniem jest wyłączenie kinazy i zapobieżenie efektowi przezeń wywołanej. W niektórych przypadkach patologicznych nadmierna aktywacja fosfatazy uniemożliwia transmisję sygnału płynącego z receptora, bowiem w transmisji pośredniczą kinazy i tym samym efekt netto jest taki jak by nie było hormonu działającego na receptor. Szczególne znaczenie ma to w oporności tkanek na działanie insuliny. Tutaj ciekawostka: w cukrzycy stężenie insuliny jest za duże.
Receptory katalityczne:
Czym taki receptor się różni:
- Receptory metabotropowe – w części transmembranowej istniało siedem domen o budowie helikalnej, po przyłączeniu jednej cząstki sygnałowej zmieniały swoją konformacje, czego efektem była aktywacja części wewnątrzkomórkowej.
- Receptor katalityczny – posiada jedną domenę transmemebranową o budowie alfa helisy, w związku z tym wydaje się mało prawdopodobne aby zmiana konformacji mogła spowodować efekt wewnątrzkom. Receptory katalityczne składają się z dwóch podjednostek, ale w formie nieaktywnej, przed zadziałaniem sygnału występują w błonie w formie zdysocjowanej, kiedy pojawi się cząsteczka sygnałowa i zetknie się z jedną z tych części nieaktywnych domen receptora wówczas taki receptor znajduje swoją drugą połówkę i po zasocjowaniu w formę dimeryczną staje się aktywny. Aktywacja receptora katalitycznego polega na wzroście aktywności sprzężonej z częścią wewnątrzkomórkową receptora domeny katalitycznej którą jest kinaza tyrozynoswoista. Jest to enzym fosforylujący reszty tyrozyny. Te reszty tyrozyny są zlokalizowane w różnych miejscach, są one bogato reprezentowane w części wewnątrzkom. receptora. I w wyniku ich fosforylacji receptor staje się aktywny.
Jeśli mamy już receptor zaktywowany do aktywnego receptora, czyli z ufosforylowanymi resztami tyrozyny, przyłącza się do niego białko o charakterze adaptorowym (może być to także grupa białek).Te białka adaptorowe nazywamy ogólnie SH2, nazwa mówi nam o tym że są to homologii do domeny drugiej produktu białkowego SrC (onkogen prowadzący do powstania mięsaka Roussa), czyli z tego wynika, że jeśli w tym protoonkogenie dojdzie do mutacji, to produktem może być białko, które jest i tak aktywne, czyli pobudzenie kom. bez informacji z zewnątrz. Takie aktywne białko adaptorowe szuka sobie kolejnego w tym łańcuszku ogniwa. Tym kolejnym ogniwem są białka RAS (produkt protoonkogenu RAS). Jeśli w protoonkogenie dojdzie do mutacji to powstaje białko, które już pierwotnie jest białkiem aktywnym i transmituje sygnał mimo, że żadna cząsteczka sygnałowa komórce nie podpowiada żeby reagowała.
Białka RAS są również białkami G, ale w przeciwieństwie do białek G, które sprzężone są z receptorami metabotropowymi, nie są trimerami, ale są zbudowane z jednego łańcucha. Podobnie jak w białku G cała część białka RAS koduje się jak podjednostka alfa klasycznych białek G, mianowicie w warunkach nieaktywnych ma podłączone GDP. Jeśli transmisja sygnału z receptora powoduje aktywację białka RAS, to białko RAS wykopuje GDP, a na to miejsce pobiera GTP, staje się białkiem aktywnym i doprowadza do fosforylacji różnych białek po drodze, mamy kaskadę kinaz - efektem jest ufosfosforylowanie białek i transkrypcja genów. Po przekazaniu informacji białko aktywne RAS hydrolizuje GTP, tak samo jak podjednostka alfa G i staje się z powrotem białkiem nieaktywnym.
Szacuje się, że u 30% chorych na rozmaite nowotwory występują mutacje w obrębie genu RAS, czyli protoonkogenu.
Podjednostka katalityczna, czyli związana z kinazą tyrozynoswoistą nie tylko aktywuje szlak prowadzący przez białko RAS i w następstwie fosforylacji odpowiednich białek prowadzący do transkrypcji genów. Innym efektorem kinazy tyrozynoswoistej może być pewien izoenzym fosfolipazy C, tzw. fosfolipaza C gamma. Dotąd wiedzieliśmy, że fosfolipaza C to enzym aktywowany przez receptor metabotropowy w konsekwencji aktywacji białka G, był to efektor pośredni dla receptoru metabotropowego, ale jeden z izoenzymów, mianowicie fosfolipaza C gamma jest aktywowana nie przez białko G, ale wprost przez kinazę tyrozynoswoistą sprzężoną z receptorem. O ile aktywacja fosfolipazy C za pośrednictwem białek G bywa charakterystyczna dla transmisji sygnału z receptorów dla hormonów, o tyle aktywacja fosfolipazy C gamma bez pośrednictwa białka G jest charakterystyczna dla pobudzenia komórki przez czynniki wzrostu.
Krótkie porównanie dwóch typów receptorów :
hormony czynniki wzrostu
Receptor transbłonowy metabotropowy receptor katalityczny
Białko G białko G fosfolipaza C białko adaptor
Cyklaza adenylowa IP3 diacyloglicerol białko
aktywujące RAS
RAS
Fosfolipaza C posiada w swej budowie dużo reszt tyrozyny.
Efektem jej działania jest wzrost napływu jonów Ca do cytoplazmy i aktywacja kinazy białkowej C poprzez DAG.
Kinazy serynowo – treoninowe:
Są to kinazy, które fosforylują odpowiednio reszty seryny i treoniny.Aktywacja kinaz tego typu ma miejsce w zjawiskach apoptozy, oraz aktywacji układu przeciwko apoptozie, mianowicie czynnika NF - kB – to jest czynnik, który decyduje o przeżyciu kom. Również bez wchodzenia w szczegóły współczesna medycyna dysponuje szeregiem aktywatorów czynnika NF - kB ( NF znaczy czynnik jądrowy kappa B). W tym procesie zaangażowane są kinazy serynowo – treoninowe. Innym rodzajem transmisji sygnału z receptorów typu katalitycznego obok kinazy tyrozynowej, serynowo – treoninowej jest:
Kinaza Janus:
Ktoś kto jest obeznany w historii starożytnej, powinien znać bóstwo pochodzące ze starożytnego Rzymu o nazwie Janus. Podobnie jak ten bóg Janus ma dwa oblicza, również kinaza, której nazwa pochodzi od tego starożytnego bóstwa ma dwa oblicza.
Jest tu szczególnie pokazana jako taki mechanizm transmisji sygnału z receptora dla interferonu. Kinaza typu Janus tak naprawdę jest kinazą tyrozynoswoistą, ale jej działanie nie odbywa się ani przy udziale fosfolipazy C typu gamma ani układu białek RAS. Nie ma w jej obrębie receptora dla cząsteczki interferonu. Kinaza jest nie aktywna gdy jej dwa oblicza skierowane są od siebie w dość dużej odległości, równocześnie w cytozolu znajdują się białka STAT, które odgrywają rolę w transmisji sygnału z interferonów do jądra kom.
Interferony w swoim działaniu pozbawione są typowych działań w obrębie cytozolu: aktywacji jednych białek, inaktywacji innych. Sygnał z interferonu biegnie wprost do jądra komórkowego. Posłańcem dla interferonu, który jako białko nie może wejść do kom. są właśnie białka STAT. Jeśli interferon zajmie swoje miejsce receptorze wówczas dwie połówki receptora tak jak w typowych receptorach katalitycznych spotkają się ze sobą i kinaza typu Janus ulega aktywacji.
Dalej dochodzi do aktywacji kinazy tyrozynoswoistej, fosforylacji zarówno receptora jak i fosforylacji białek STAT. Ufosforylowane białka STAT biegną do jądra kom., gdzie łączą się ze specyficznym miejscem wiążącym i doprowadzają do transkrypcji pewnych genów. Od samego receptora do jądra nie mamy pośrednictwa białek RAS, dochodzi wprost do aktywacji białek cytozolowych STAT, tym się różni kinaza Janus od typowych kinaz tyrozynoswistych.
Podsumowanie:
- Receptory jonotropowe – aktywowane są od zewnętrznej strony kom. a nie od wnętrza, dochodzi do przyłączenia odpowiedniej cząstki sygnałowej z receptorem i otwarcia kanału jonowego, który wprowadza jony do wnętrza kom. np. receptor dla acetylocholiny występujący w płytce nerwowo – mięśniowej.
- Receptory metabotropowe – istotną rolę odgrywa białko G, jeśli dojdzie do przyłączenia cząsteczki sygnałowej z częścią zewnątrzkom. receptora, dochodzi do zmiany jego konformacji, aktywacji części wewnątrzkom., która łączy się z nieaktywnym białkiem G aktywując go, następnie aktywne podjednostki białka G: beta –gamma oraz alfa przekazują sygnał na kolejne receptory wewnątrzkom.
- Receptory katalityczne – podstawowe znaczenie ma aktywacja wewnątrzkomórkowej kinazy tyrozynoswoistej i następnie:
- pierwsza możliwość: przekaz informacji na białko adaptorowe i układ białek RAS.
- druga możliwość: przekaz informacji na fosfolipazę C gamma i uruchomienie prądów Ca tak jak to było w receptorach metabotropowych.
- trzecia możliwość: kinaza Janus wprost przez fosforylację białek przekazuje informacje do jądra kom.
Czynniki wzrostu:
- interferony
- limfokiny
- kwas retinowy
- 1,25 – di- OH-D3
- eikozanoidy
- tlenki azotu
- neurotransmitery
- endogenne peptydy opioidowe
Czynniki wzrostowe to grupa związków filogenetycznie stara, występuje nawet u prymitywnych organizmów ta grupa związkówWystępująca nawet u prymitywnych organizmów.
- budowa konserwatywna – między poszczególnymi gatunkami. Z tego wynika, że istnieją jakieś mechanizmy broniące geny kodujące tego typu białka przed mutacjami. Jeśli wziąć pod uwagę co to cholerstwo może robić z naszymi komórkami to sprawa staje się jasna, czemu są chronione przed mutacjami. Często homologia między gatunkami prymitywnymi sięga ponad 90 %.
- Pozytywne regulatory proliferacji wzrostu i różnicowania komórek – przejawiają różne efekty zarówno na drodze pobierania substancji odżywczych przez kom., aktywacji szlaków utylizacji kom. ale przede wszystkim regulują układ zależny od kinazy białkowej C, prowadzący do proliferacji kom. One nie działają na chybił – trafił, często czynnik wzrostu aby zadziałał to nie tylko musi mieć swój receptor, ale wstrzelić się w odpowiednią fazę cyklu kom., czyli mówi się że działają w sposób sekwencyjny. Jeden skończy działać, przeprowadzi kom. przez jedną fazę cyklu, do akcji wkracza kolejny czynnik wzrostu, który przeprowadza kom. przez kolejną fazę cyklu. Czyli nie wszystkie obsiadają kom. jak muchy kawałek placka – wszystkie naraz, tylko działają kolejno. Wszystkie działają na zasadzie receptorowej (nie na zasadzie czarnej skrzynki). Dla większości są to typowe receptory katalityczne, czyli sprzężone z kinazą tyrozynoswoistą, część działa poprzez receptor sprzężony z białkami RAS, a część poprzez aktywacje fosfolipazy C gamma, a w przypadku interferonu przez kinazę typu Janus.
Działanie receptorowe ma charakter ultraswoisty nie mniej przy członkach tej samej rodziny ten sam czynnik wzrostu może działać na różne typy receptora i vice versa. Ale generalnie jest to mechanizm swoisty. Gdyby one nie były takie niewinne to nie wzbudzałyby zainteresowania badaczy i byśmy tu o nich nie mówili. Mutacje w obrębie produkcji tych czynników wzrostu oraz ...
Jacek-Paulina