KOMUNIKACJA KOMÓRKOWA
Wstęp
y
ródło vs. cel sygnału
Przekaz
nictwo
�� endokrynne
�� parakrynne
ż� synaptyczne
ż� bezpośrednie
�� autokrynne
Typy sygnałów
Bodz
ce mechaniczne
�� nacisk (zmysł dotyku)
�� fale akustyczne (zmysł słuchu)
�� zmiany ciśnienia krwi
Typy sygnałów
Bodz
ce chemiczne
Podział pod kątem funkcji w organizmie:
�� czynniki wzrostowe
(polipeptydy stymulujące proliferację komórek)
np. EGF
�� cytokiny
(cząsteczki informacyjne układu odpornościowego)
np. IFNł, IL-10
�� hormony
�� neuroprzekaz
niki
�� składniki macierzy zewnątrzkomórkowej
Typy sygnałów
Bodz
ce chemiczne
Podział pod kątem budowy chemicznej:
Melatonina
�� aminokwasy i ich pochodne
np. melatonina, dopamina
�� peptydy
Insulina
np. insulina, glukagon
�� sterydy
np. testosteron, kortyzol
Testosteron
�� eikozanoidy
�� CO, NO
Typy sygnałów
Bodz
ce chemiczne
Podział pod kątem mechanizmu uwolnienia z komórki
z
ródłowej:
�� uwalniane na drodze egzocytozy
�� uwalniane na drodze dyfuzji przez błonę komórkową
�� pozostające w błonie komórkowej
(przekaz
nictwo parakrynne bezpośrednie)
Przekazanie sygnału
Ogólny schemat
1. synteza cząsteczki sygnałowej
2. uwolnienie cząsteczki sygnałowej
3. przeniesienie cząsteczki sygnałowej do komórki docelowej
4. połączenie cząsteczki sygnałowej z białkiem receptorowym
�� receptor na powierzchni komórki
�� receptor wewnątrz komórki
5. przekazanie sygnału wewnątrz komórki
6. odpowiedz
komórkowa (zmiany w funkcji, metabolizmie& )
7. usunięcie cząsteczki sygnałowej lub jej dezaktywacja
terminacja szlaku
Przekazanie sygnału
Receptory steroidowe i hormonów
tarczycy
Z wewnątrzkomórkowymi receptorami wiążą się małe
hydrofobowe cząsteczki, które do wnętrza komórki przenikają
na drodze dyfuzji:
�� kortykosteroidy
S
T
E
�� glukokortykoidy (gospodarka glukozą)
R
O
�� mineralokortykoidy (gospodarka wodno-mineralna)
I
D
�� hormony płciowe
Y
Przekazanie sygnału
Receptory steroidowe i hormonów
tarczycy
Z wewnątrzkomórkowymi receptorami wiążą się małe
hydrofobowe cząsteczki, które do wnętrza komórki przenikają
na drodze dyfuzji:
�� hormony tarczycy
�� witamina D
�� kwas retinowy i retinoidy
Przekazanie sygnału
Receptory steroidowe i hormonów
tarczycy
Receptory dla estrogenów i glukokortykoidów:
�� Przyłączenie ligandu do receptora.
�� Homodimeryzacja kompleksów ligand-receptor.
�� Homodimer wiąże się ze specyficzną sekwencją DNA w
promotorze  elementem odpowiedzi na steroidy (ang. Steroid
Response Element, SRE).
�� Związanie homodimeru z SRE aktywuje lub hamuje ekspresję
genu kontrolowanego przez ten promotor.
W stanie nieaktywnym (=bez ligandu) te receptory
steroidowe nie wiążą się z SRE.
Przekazanie sygnału
Receptory steroidowe i hormonów
tarczycy
Element odpowiedzi na glukokortykoidy
(podwójna helisa DNA, kolor żółty) z
przyłączonym homodimerem receptora
glukortykoidowego.
Atomy cynku (żółte kule) połączone są z
resztami Cys (=białka nazywane palcami
cynkowymi, ang. zinc finger proteins).
Receptory steroidowe to czynniki transkrypcyjne.
Przekazanie sygnału
Receptory steroidowe i hormonów
tarczycy
Receptory dla hormonów tarczycy:
�� Receptor połączony z DNA. Działa
jako represor.
�� Połączenie z ligandem aktywuje
receptor.
�� Aktywny receptor aktywuje
transkrypcję genów od niego zależnych.
W stanie nieaktywnym (=bez ligandu) te receptory
steroidowe wiążą się z DNA.
Przekazanie sygnału
Receptory błonowe - ligandy
Hydrofilowe:
�� peptydy i białka,
np. insulina, glukagon
�� niskocząsteczkowe związki,
obdarzone ładunkiem, gł. pochodne
aminokwasów,
np. epinefryna, histamina
Hydrofobowe:
�� prostaglandyny
Przekazanie sygnału
Receptory błonowe
Ze względu na:
�� lokalizację
�� wielkość cząsteczki
�� ładunek cząsteczki
receptory błonowe nie są przenoszone do wnętrza komórki.
Przekazanie sygnału do wnętrza komórki wymaga udziału
przekaz
ników drugiego rzędu.
Przekazanie sygnału
Receptory błonowe - Przekaz
niki drugiego rzędu
�� cykliczny AMP (cAMP)
�� cykliczny GMP (cGMP)
�� 1,2-diacyloglicerol (DAG)
�� 1,4,5- trójfosforan inozytolu (IP3)
�� pochodne inozytolu (fosfoinozytydy)
�� jony Ca2+
Przekazanie sygnału
Receptory błonowe  białka adaptorowe
Białka adaptorowe mogą zawierać pojedyncze domeny lub ich
zespoły:
�� domeny rozpoznające fragmenty bogate w prolinę (SH3, WW)
�� domeny wiążące fosfotyrozynę (SH2, PTB)
�� domeny rozpoznające fragmenty lipidowe (PH, PX)
Białko adaptorowe 1FBV(5).
Domena SH2 oznaczona
kolorem czerwonym.
Przekazanie sygnału
Receptory błonowe - typy
1. Receptory - kanały jonowe
neurotransmitery otwierają/zamykają kanały jonowe, zmieniając
potencjał błonowy
np. sygnalizacja w płytce ruchowej pod wpływem ACh
Przekazanie sygnału
Receptory błonowe - typy
2. Receptory związane z białkami G (ang. G protein-coupled
receptors, GPCR, receptory 7TM)
�� ligandy aktywują/hamują enzymy wewnątrzkomórkowe
�� ligandy otwierają kanały jonowe
np. epinefryna, serotonina, glukagon (łącznie ponad 800
receptorów)
Przekazanie sygnału
Receptory błonowe - typy
3. Receptory enzymatyczne
�� powiązane z enzymami
�� receptory o aktywności enzymatycznej (gł. kinazowej)
np. kataliza GTP do cGMP
np. defosforylacja fosfotyrozyny
np. aktywność kinazowa receptorów insuliny i czynników wzrostu
Przekazanie sygnalu
Receptory błonowe - typy
4. / cd. 3. Receptory cytokinowe
ligandy powodują dimeryzację receptorów dimery aktywują
białkowe kinazy tyrozynowe w cytozolu
np. interleukiny, hormon wzrostu, erytropoetyna
Przekazanie sygnału
1. Receptory - kanały jonowe
Rodzina receptorów TRP (ang. Transient Receptor Potential):
�� 6 podgrup (podział ze względu na sekwencję aminokwasów):
" TRPC ( Canonical )
" TRPM ( Melastatin )
" TRPV ( Vanilloid )
" TRPA ( Ankyrin )
" TRPP ( Polycystin )
" TRPML ( Mucolipin )
�� N-koniec + 6 domen przezbłonowych (TM) + C-koniec
�� Krótki hydrofobowy fragment między domenami TM5 i TM6
tworzy region przepuszczalny dla kationów
Przekazanie sygnału
1. Receptory - kanały jonowe
Zaangażowane w odbiór bodz
ców:
mechanicznych
termicznych
zapachowych
smakowych
zmian ciśnienia osmotycznego
bólowych
Przekazanie sygnału
1. Receptory - kanały jonowe
TRPV1:
�� Kanał jonowy przepuszczalny dla jonów Ca2+
�� Głównie w neuronach czuciowych
�� Aktywowany przez:
" wysoką temperaturę
" protony
ważna rola w rozwoju procesów zapalnych
oraz substancje pochodzenia naturalnego
Przekazanie sygnału
2. GPCR
Przekazanie sygnału
2. GPCR
�� Dezaktywacja ścieżki sygnałowej rozpoczyna się od włączenia
aktywności GTP-azowej jednostki Gą
�� Gą hydrolizuje GTP do GDP
�� Jednostka Gą traci aktywność, łączy się z jednostką G�ł
Szybkie włączanie i wyłączanie odpowiedzi komórkowej
Przekazanie sygnału
2. GPCR
Ścieżka zależna od cAMP:
�� cAMP powstaje z ATP przy udziale cyklazy adenylanowej
�� cAMP aktywuje kinazę białkową A (PKA)
�� 2 domeny regulatorowe (wiążą cAMP)
�� 2 domeny katalityczne
�� po przyłączeniu cAMP do PKA domeny katalityczne dysocjują i
fosforylują białka w komórce, w tym czynnik transkrypcyjny CREB
�� terminacja sygnału  degradacja cAMP przy udziale
fosfodiesterazy
Przekazanie sygnału
2. GPCR - Receptory związane z białkami Gs
np. aminy �-adrenergiczne, glukagon
�� ligand wiąże się z receptorem
�� ę! aktywności cyklazy adenylanowej
�� ę! cAMP
�� aktywacja scieżek cAMP-zależnych
Przekazanie sygnału
2. GPCR - Receptory związane z białkami Gs
Wybrane przypadki kliniczne powiązane:
- z niedoborem lub nieprawidłową funkcją białek Gs
�� niedorozwój umysłowy
�� nieprawidłowy rozwój układu kostnego
- ze wzmożoną aktywnością białek Gs
�� toksyna cholery hamuje aktywność GTP-azową białka G
brak hydrolizy GTP cyklaza adenylanowa pozostaje
aktywna ę! transportu Na+ i wody do swiatła jelita
Przekazanie sygnału
2. GPCR - Receptory związane z białkami Gi
np. aminy ą-adrenergiczne
�� ligand wiąże się z receptorem
�� �! aktywności cyklazy adenylanowej
�� �! cAMP
�� oraz otwarcie kanałów K+
Wybrane przypadki kliniczne powiązane z białkiem Gi:
�� toksyna krztuścowa dezaktywuje białko Gi
Przekazanie sygnału
2. GPCR - Receptory związane z kanałami jonowymi
np. GPCR dla ACh w mięśniu serca
�� ligand wiąże się z receptorem
�� otwarcie kanałów K+
�� oraz �! aktywności cyklazy adenylanowej
utrudniona depolaryzacja błony
zmniejszona częstość i siła skurczów
Przekazanie sygnału
2. GPCR - Receptory związane z białkami Gq
�� Stężenie Ca2+ w cytozolu utrzymywane jest na niskim poziomie
(wysokie stężenie w ER i poza komórką)
�� Aktywacja GPCR związanych z białkami Gq
�� Aktywacja fosfolipazy C (PLC�)
�� Rozkład dwufosforanu fosfatydyloinozytolu (PIP2) do DAG i IP3
�� IP3 dyfunduje do ER i pobudza uwalnianie Ca2+ z rezerw
wewnątrzkomórkowych
�� DAG i Ca2+ aktywują kinazę proteinową C (PKC)
�� Wzrost poziomu Ca2+ w komórce
�� Aktywacja scieżek zależnych od Ca2+
Przekazanie sygnału
2. GPCR
Interakcje pomiędzy ścieżkami zależnymi od cAMP i jonów Ca2+:
cAMP aktywuje kinazę białkową A (PKA)
�� PKA może wpływać na aktywność kanałów wapniowych
�� PKA może fosforylować kinazy zależne od CAM
�� PKA i kinazy zależne od CAM mogą fosforylować te same
białka
Przekazanie sygnału
2. GPCR
Przekazanie sygnału
2. GPCR - Receptor dla glukagonu
Przekazanie sygnału
2. GPCR  Receptor adrenergiczny
Przekazanie sygnału
2. GPCR  Receptor opioidowy
Przekazanie sygnału
3. Receptory enzymatyczne
A) Receptory o aktywności cyklazy guanylowej:
�� nieliczna grupa receptorów
�� wśród ligandów przedsionkowy peptyd natriuretyczny (ang.
atrial natriuretic peptide, ANP)
�� m.in. w nerkach i mięśniówce gładkiej naczyń krwionośnych
Przekazanie sygnału
3. Receptory enzymatyczne
B) Receptory o aktywności kinaz tyrozynowych:
np.
ż� insulina
ż� czynniki wzrostu (VEGF, EGF, FGF)
ż� insulinopodobny czynnik wzrostu (IGF-1)
Przekazanie sygnału
3. Receptory enzymatyczne  czynniki wzrostu
Czynniki wzrostu to polipeptydowe cząsteczki sygnalizacyjne,
decydujące o wzroście i różnicowaniu komórek.
�� nerwowy (ang. nerve growth factor, NGF)
�� naskórkowy (ang. epidermal growth factor, EGF)
�� płytkowy (ang. platelet-derived growth factor, PDGF)
Przekazanie sygnału
3. Receptory enzymatyczne  TGF-�
Przekazanie sygnału
3. Receptory enzymatyczne  EGF
Przekazanie sygnału
3. Receptory enzymatyczne  białka Ras
�� Ras i inne białka wiążące GTP to  włączniki szlaków
przekazywania sygnału w komórce:
�� Ras  GTP:  włączenie
�� Ras  GDP:  wyłączenie
�� Maja aktywność GTP-azową  rozkładają GTP do GDP i P.
Kinetyka procesu hydrolizy decyduje o  włączeniu / wyłączeniu .
Przekazanie sygnału
3. Receptory enzymatyczne
C) Receptory powiązane ze ścieżką JAK-STAT:
np.
ż� interferony
ż� interleukiny
ż� hormon wzrostu
ż� leptyna
ż� erytropoetyna
Przekazanie sygnału
3. Receptory enzymatyczne
Ścieżka krótka i nieskomplikowana 
szybkie przekazanie sygnału.
Przekazanie sygnału
Regulacja przekazu
Długotrwała stymulacja receptorów przez ich ligandy powoduje z
czasem osłabienie odpowiedzi.
�� Przyczyny:
�� Receptor downregulation
" fagocytoza ligandu i receptora
" przyspieszenie degradacji receptorów
" zahamowanie syntezy receptorów
�� Fosforylacja receptora
�� Zmiana stężenia i/lub aktywności enzymów wewnątrz
komórki biorących udział w przekazaniu sygnału.
Przekazanie sygnału
Regulacja przekazu
Przekazanie sygnału
Regulacja przekazu - Peptydy i katecholaminy
Szybka, ale krótkotrwała odpowiedz
:
�� Magazynowanie przekaz
ników w pęcherzykach wydzielniczych
zlokalizowanych tuż pod błoną komórkową (szybka egzocytoza).
�� Odpowiednio wysokie stężenie magazynowanych substancji.
�� Prekursorami wielu hormonów peptydowych (m.in. insuliny,
ACTH) są pro-polipeptydy, które degradowane są do aktywnych
pochodnych przy udziale specyficznych proteaz (możliwe szybkie
uzupełnienie ich braków w komórce).
�� Szybka degradacja przekaz
ników we krwi i tkankach
docelowych.
Przekazanie sygnału
Regulacja przekazu - Hormony steroidowe
Wolna, ale długotrwała odpowiedz
:
�� Szlak syntezy hormonów steroidowych wymaga udziału ok. 10
enzymów. Komórki magazynują niewielkie ilości prekursorów,
brak aktywnych hormonów.
�� Po uwolnieniu z komórki hormony przenoszone przez nośniki (=
odporne na degradację).
Przekazanie sygnału
Zaburzenia przekazu
1. Utrata sygnału:
np. cukrzyca typu I  brak czynności wewnątrzwydzielniczej
trzustki:
�� Niski poziom lub brak insuliny.
�� Brak przekazania sygnału do komórek wątroby, mięśni, komórek
tkanki tłuszczowej.
�� Wysoki poziom glukozy we krwi.
Przekazanie sygnału
Zaburzenia przekazu
2. Sygnału nie dociera do celu:
np. stwardnienie rozsiane:
�� Zniszczenie osłonki mielinowej.
�� Upośledzenie przekazania sygnału z jednej komórki nerwowej
na drugą.
Przekazanie sygnału
Zaburzenia przekazu
3. Cel nie odpowiada na sygnał:
np. cukrzyca typu II:
�� Brak odpowiedzi komórek na insulinę.
�� Wysoki poziom glukozy we krwi.
Przekazanie sygnału
Zaburzenia przekazu
4. Zbyt silny sygnał:
np. udar:
�� Niedokrwienie obszaru mózgu powoduje obumieranie komórek.
�� Uwolnienie dużych ilości glutaminianu i jego pochodnych.
�� Zjawisko ekscytotoksyczności  śmierć komórek mózgu na
dużym obszarze, nie objętym bezpośrednio niedokrwieniem.
Przekazanie sygnału
Zaburzenia przekazu
5. Uszkodzenie wielu szlaków sygnałowych jednocześnie i
nabycie nowych funkcji przez komórkę:
�� Nabycie zdolności do niekontrolowanego wzrostu i podziału
(autokrynna stymulacja).
�� Nabycie zdolności do stymulowania angiogenezy.
�� Nabycie zdolności do metastazy.
nowotwór
Przekazanie sygnału
Zaburzenia przekazu
5. Uszkodzenie wielu szlaków sygnałowych jednocześnie i
nabycie nowych funkcji przez komórkę:
�� W normalnych warunkach cytozolowa kinaza tyrozynowa ABL
aktywowana jest przez czynniki wzrostu (np. PDGF).
�� Białko BCR/ABL, produkowane przez tzw. chromosom Filadelfia
w komórkach macierzystych szpiku konstytutywnie aktywuje
cytozolową kinazę tyrozynową ABL.
�� Wynikiem jest rozwój przewlekłej białaczki szpikowej.
Przekazanie sygnału
Zaburzenia przekazu
5. Uszkodzenie wielu szlaków sygnałowych jednocześnie i
nabycie nowych funkcji przez komórkę:
�� Leczenie przewlekłej białaczki szpikowej: metanosulfonian
imatinibu (Gleevec).
�� Gleevec wiąże się z białkiem ABL i zapobiega wiązaniu ATP.
�� ABL bez ATP nie może fosforylować innych białek.
Przekazanie sygnału
Zaburzenia przekazu
5. Uszkodzenie wielu szlaków sygnałowych jednocześnie i
nabycie nowych funkcji przez komórkę:
�� Białka Ras aktywne konstytutywnie oraz mutacje w białkach
Ras i Raf stymulują proliferację i procesy nowotworzenia (białka
Ras i Raf to protoonkogeny).
�� W 15% wszystkich ludzkich guzów oraz 66% przypadków
melanomy wykryto zmutowane białko Raf.
Przekazanie sygnału
Zaburzenia przekazu
5. Uszkodzenie wielu szlaków sygnałowych jednocześnie i
nabycie nowych funkcji przez komórkę:
�� Szlak zależny od TGF-� hamuje cykl komórkowy.
�� Mutacje w genie kodującym receptory TGF-� oraz białka SMAD
są przyczyną raka trzustki i jelita grubego.
�� Geny kodujące receptory TGF-� oraz białka SMAD należą do
protoonkogenów.
Przekazanie sygnału
Zaburzenia przekazu
Receptory dla czynników wzrostu jako potencjalny cel
działania leków przeciwnowotworowych:
�� Przeciwciała anty-HER (ang. human epidermal frowth factor
receptor) w leczeniu raka sutka:
�� trastuzumab (Herceptin�)
�� cetuximab (Erbitux�)
�� Inhibitory kinazy tyrozynowej (blokują szlaki zależne od
receptorów EGF) w leczeniu raka płuc:
�� gefitinib (Iressa�)
�� erlotinib (Tarceva�)
Typy sygnałów
Nietypowe przekaz
niki - NO
�� NO powstaje z L-argininy i tlenu przy udziale syntazy NO (NOS).
�� Inne z
ródła NO:
Endogenne:
Redukcja azotynów i azotanów
Egzogenne:
�� Nitrogliceryna.
�� Viagra
Typy sygnałów
Nietypowe przekaz
niki - NO
�� ACh stymuluje uwolnienie NO ze śródbłonka naczyń.
�� NO dyfunduje przez błony komórkowe na odległość 100-200
mikronów (średnica 10  20 komórek)  działa parakrynnie:
�� Wiąże się z jonami metali (np. Fe) lub grupami  SH białek
enzymatycznych w komórkach, głównie cyklazy guanylowej.
�� Zwiększa poziom cGMP.
�� Powoduje rozkurcz mięśniówki naczyń, zwiększa się
przepływ krwi i ilość dostarczanego tlenu.
�� Ponadto bierze czynny udział m.in. w neuroprzekaz
nictwie i
reakcji odpornościowej (synteza przez makrofagi i neutrofile).
Typy sygnałów
Nietypowe przekaz
niki - CO
�� Właściwości fizykochemiczne podobne do NO.
�� Neuroprzekaz
nik i czynnik rozszerzający naczynia krwionośne.
�� Aktywator cyklazy guanylowej (prawdopodobnie główny cel
farmakologiczny dla CO).