Hoofdstuk 16 Celcommunicatie

Celsignalering in 3 stappen:reception transductie responseDierlijke cel reageert op een set van extracellulaire signalen

signaalmoleculen in het medium; geen signalen meeste cellen plegen apoptose

Algemene beginselen van celsignaleringsignaal transductie: het proces waarbij 1 type signaal omgezet is naar een ander typecommunicatie:

signaling cel produceert signaalmolecuul herkenning van signaalmolecuul door target cel target cel reageert op signaalmolecuul

Receptoreiwitten van de target cel herkennen en reageren op specifiek op het signaalmolecuul.

Signalen via boodschappers:1. hormonen2. neurotransmitters3. groeifactoren

Cel-cel contact: [figure 16.3]A. Endocrien: hormoon in bloedstroom naar cel met de specifieke receptorB. Paracrien: signaal verspreid zich door extracellulaire vloeistof naar cel in de nabije

omgeving (als ‘locale bemiddelaar’) bij infectie of snelle celtoename bij een verwonding

autocriene signalering: reageren op de signalen die de cel zelf geproduceerd heeft kankercellen doen dat soms

C. Neuronaal: axonen die neurotransmitters loslaten uit de synaps in de synapsspleet snelle en specifieke aflevering aan individuele doelcellen: een neurotransmitter bereikt de target cel in minder dan 1 msec.

D. Contact-afhankelijk: membraangebonden moleculen op cel bindt met receptor opandere cel kleinste ‘afzetgebied’ & geen secretie. bijvoorbeeld tijdens embryonale ontwikkeling

Membraangebonden remmende signaaleiwitten zorgen ervoor via receptoren op de cellen rondom bijv. een zenuwcel, dat die cellen zich niet ook tot zenuwcellen specialiseren waardoor ze eventueel epitheelcellen blijven. [figure 16.4]

Endocriene signalering is de meest specifieke.

1© Robert-Jan Arke

Het signaal van een celoppervlakte receptor is over ’t algemeen overgebracht in het innerlijke van de target cel via een reeks van intracellulaire signaalmoleculen, die handelen in volgorde en tenslotte veranderen ze de activiteit van effectoreiwitten, die vervolgens invloed hebben op het gedrag van de cel.De intracellulaire reeks en de intracellulaire effectoreiwitten waarop het werkt, verschillen per type cel waardoor verschillende typen cellen op hetzelfde signaal reageren op verschillende manieren.Dus de informatie overgebracht door het signaal is afhankelijk hoe de target cel het signaal ontvangt en interpreteert.

De transductie als reactie op een signaal kan snel of langzaam zijn, afhankelijk wat er moet gebeuren zodra de boodschap is ontvangen.Snel omdat het signaal de activiteit van eiwitten en andere moleculen beïnvloedt die al aanwezig zijn binnenin de target cel, wachtend op hun orders.Langzaam omdat de response van de extracellulaire signalen veranderingen in genexpressie vereist en de productie van nieuwe eiwitten.

[figure 16.7]

Dezelfde ligand, bijv. acetylcholine, kan aan verschillende receptoren binden en zorgen voor een andere respons: verlaagde snelheid en kracht van contractie, secretie en contractie:

[figure 16.5]

2© Robert-Jan Arke

2 typen signalen:1. Signalen die aan receptoren op het celoppervlak binden.

te groot of te hydrofiel om het membraan te passeren2. Signalen die de membraan kunnen passeren en aan intracellulaire receptoren binden

(bijv. estradiol, testosteron, NO). klein genoeg of hydrofoob genoeg

2 typen receptoren:A. Intracellulaire receptorenB. Celoppervlakte receptoren

A. Intracellulaire receptorensteroïde hormonen: vertrouwen op intracellulaire receptor eiwitten

Voorbeelden: cortisol, estradiol, testosteron en thyroïde hormonen receptor die cortisol naar de kern brengt, heeft een NLS

(nucleair lokalisatie sequentie) Zijn hydrofoob passeren plasmamembraan en

binden aan receptoreiwitten in het cytosol of in de nucleus: beide zijn nucleaire receptoren, omdat als ze gebonden zijn met een hormoon, functioneren ze als transcriptiefactoren/-regulators:hormoonbinding receptor ondergaat conformatie verandering dat daardoor het eiwit activeert toestemming om de transcriptie van specifieke doelgenen te stimuleren of te remmen. [figure 16.10]

Steroïde hormoon: reguleert verschillende sets met genen in verschillende celtypes.

Testosteron heeft groot effect: helpt alle kenmerken te ontwikkelen dat mannen van vrouwen onderscheidt.

Sommige opgeloste gassen kunnen door het membraan de cel in slippen en reguleren direct de activiteit van specifieke intracellulaire eiwitten. NO: uit de cel die het genereert en gaat buurcellen binnen [figure 16.11]

gesynthetiseerd van arginine en werkt als ‘lokale bemiddelaar’ in vele weefsels. Alleen lokaal, omdat NO snel omgezet is in nitraten en nitrieten.

Endotheelcellen: cellen rondom bloedcellen laten NO vrij in response door stimulatie door zenuwuiteinden NO zorgt voor relaxen van gladde spiercellen: bloedvatverwijding, waardoor bloed vrijer stroomt medicijnen & Viagra

NO bindt & activeert het enzym guanylyl cyclase stimulering formatie uit GTP van cyclisch GMP vormt volgende link in de NO-signaalketen.Viagra blokkeert enzym dat cGMP afbreekt.

3© Robert-Jan Arke

Te grote of te hydrofiele moleculen binden aan receptoreiwitten. Die zetten de boodschap om in een nieuwe vorm, in intracellulaire signalerende moleculen. Die worden weer omgezet in anderen binnen in de cel, net zo lang totdat:

een metabolisch enzym in actie wordt gekikt het cytoskelet tot een nieuwe configuratie wordt gerukt een gen aan- of uitgezet wordtUiteindelijke resultaat: celresponse [figure 16.12]

Componenten van deze intracellulaire signaleringspaden voeren één of meer cruciale functies uit:

1. Ze kunnen simpel het signaal vooruit heruitzenden en daardoor het signaal helpen te verspreiden door de cel.

2. Ze kunnen het ontvangen signaal versterke, dus een paar extracellulaire signaal moleculen zijn genoeg om een grote intracellulaire response te veroorzaken.

3. Ze kunnen signalen ontvangen van meer dan één intracellulair signaleringspad en ze samenvoegen voordat ze een signaal vooruit heruitzenden.

4. Ze kunnen het signaal verspreiden naar meer dan één signaleringspad of effectoreiwit, takken creëren in het informatie stroomschema en een complex response veroorzaken.

Vele stappen in een signaleringspad zijn open voor modulatie door andere factoren (intracellulaire en extracellulaire factoren).

[figure 16.13]

Vele van de intracellulaire signaleringseiwitten gedragen zich als moleculaire schakelaars: ontvangst van een signaal veroorzaakt dat ze omgeschakeld worden van inactief naar actief. Ze kunnen dan andere ook actief maken en ze blijven net zo lang actief totdat een ander proces ze inactief maakt.

Samenvatting intracellulaire receptoren: Deze receptoren bevinden zich in het cytosol of kern. Signaalmolecuul passeert membraan (steroïde hormonen, NO gas etc.). Signaalmolecuul bindt aan specifieke receptor. Soms is receptor een transcriptiefactor en dan verandert receptor van conformatie,

zodat een signaalsequentie vrijkomt die dit complex naar de kern brengt. In de kern fungeert het complex als transcriptiefactor.

4© Robert-Jan Arke

B. Celoppervlakte receptorenAlle celoppervlakte receptoreiwitten binden aan een extracellulair signaleringsmolecuul en vertalen de boodschap in één of meer intracellulaire signaalmoleculen.3 typen oppervlakte receptoren:

1. Ionkanalen: staan een stroom van ionen door het plasmamembraan toe, wat de membraanpotentiaal verandert en een elektrische stroom produceert.

2. G-eiwit-gekoppelde receptoren: activeren membraanbinding van G-eiwitten, die vervolgens of een enzym of een ionkanaal in het plasmamembraan activeren, datweer een cascade van andere effecten veroorzaakt.

3. Enzym-gekoppelde receptoren: werken als enzymen of verenigen met enzymen binnenin de cel. Zodra de receptoren gestimuleerd zijn, activeren enzymen een variëteit van intracellulaire signaleringspaden.

5© Robert-Jan Arke

Belangrijke concepten bij signaaltransductie1. Signalering door fosforylatie2. Signalering door GTP-binding

1. Signalering door fosforylatieEen eiwit kinase zorgt voor fosforylatie door een fosfaatgroep van ATP te nemen en aan een schakeleiwit te voegen. Een eiwit fosfatase defosforyleert door de fosfaatgroep te verwijderen.De activiteit van elk eiwit, dat is gereguleerd door fosforylatie, hangt af van de balans tussen de activiteiten van de kinases die fosforyleren en de fosfatasen die defosforyleren.Vele van de schakeleiwitten gecontroleerd door fosforylatie zijn hun eigen eiwit kinasen en deze zijn vaak georganiseerd in fosforylatie cascades: één eiwit kinase, geactiveerd door fosforylatie, fosforyleert de volgende eiwit kinase in de reeks: signaal vooruit zenden.De 3 aminozuren die gefosforyleerd kunnen worden:

1. tyrosine (Tyr): door tyrosine kinase2. serine (Ser): door serine kinase3. threonine (Thr): door threonine kinase

Fosforylatie: -OH wordt vervangen door een fosfaatgroep.[figure 16.14A]

[figure 16.14]

2. Signalering door GTP-bindingDeze schakeling tussen een actieve en inactieve vorm hangt af of ze GTP of GDP gebonden aan zich hebben. Eenmaal geactiveerd door GTP-binding, hebben deze eiwitten GTP-hydrolysatie (GTPase) activiteit en zetten zichzelf uit door hun GTP-binding te hydrolyseren naar GDP.[figure 16.14B]

6© Robert-Jan Arke

G-eiwit-gekoppelde receptorenG-eiwit-gekoppelde receptoren (GPCR’s) zorgen voor verdere response van vele verschillende extracellulaire signaalmoleculen, van verschillende liganden: licht, reuk, hormonen (adrenaline), neurotransmitters, locale bemiddelaars, etc. Ongeveer de helft van alle drugs die bekend zijn, werkt via GPCR’s.Elke GPCR is gemaakt van een enkele polypeptideketen die 7x door het membraan zit:7-passeer transmembraan receptoreiwitten. Bacteriën hebben ook GPCR’s.

GPCR activatie & inactivatie in 6 stappen:1. Activatie van de receptor aan de buitenkant zorgt voor een bindingsplaats voor een

heterotrimeer G-eiwit aan de binnenkant.Heterotrimeer G-eiwit: -subeenheid bevat GDP of GTP; -subeenheid én -subeenheid kunnen signaleren; membraangebonden; laterale diffusie mogelijk.

2. Uitwisseling van GDP voor GTP.3. Dissociatie (loslaten) van G-eiwit van de receptor en dissociatie van -subeenheid en

-subeenheid.4. Activatie van targeteiwit (enzym), die van vorm verandert door G (of G).5. Actief enzym transporteert signaal verder.6. Inactivatie van G door hydrolyse van GTP en het associëren van G.

[figure 16.17+18]

7© Robert-Jan Arke

Actieve G-eiwitten: kunnen ionkanalen reguleren, bijv. K+-kanalen:

Het hartritme wordt verlaagt bij vrijlating van acetylcholine, dat aan een GPCR op het oppervlakte van de hartspiercellen bindt. Deze GPCR activeert het G-eiwit, Gi. Hier is het -complex de actieve signaleringscomponent. Het complex bindt aan de intracellulaire kant van een K+-kanaal in het plasmamembraan van de hartspiercel, waardoor het ionkanaal gedwongen wordt te openen. K+ stroomt de cel uit, waardoor het de elektrische prikkelbaarheid van de cel remt. Deze stroom stopt zodra de -subeenheid gehydrolyseerd is en dus ‘t G-eiwit weer in inactieve vorm is.

[figure 16.19]

kunnen membraangebonden enzymen activeren, bijv. adenylaat cyclase, fosfolipase-C:De interacties van G-eiwitten met enzymen leidt tot de productie van intracellulaire signaleringmoleculen. De 2 meest frequente enzymen:o adenylaat cyclase: zorgt voor de productie van cyclisch AMPo fosfolipase-C: zorgt voor de productie van inositol trifosfaat en diacylglycerol

De 2 enzymen worden geactiveerd door verschillende typen G-eiwitten. Het koppelen van de G-eiwitten kan stimulerend of remmend werken.De intracellulaire signaleringmoleculen die voortgebracht worden in deze cascades worden second messengers genoemd (first messengers zijn de liganden). Ze worden in grote hoeveelheden geproduceerd.

[figure 16.20]

8© Robert-Jan Arke

Activatie van adenylaat cyclaseDe second messenger cAMP wordt gesynthetiseerd uit ATP (verwijdering van 2 fosfaatgroepen) door adenylaat cyclase, dat geactiveerd wordt door een geactiveerd -eenheid van het G-eiwit Gs, en cAMP wordt weer afgebroken door cAMP fosfodiesterase. Deze fosfodiesterase wordt geremd door cafeïne in het zenuwsysteem en het is continue actief in de cel. ATP cAMP AMPcAMP oefent het meest van z’n effecten uit door het enzym cyclisch-AMP-afhankelijk eiwit kinase (PKA) te activeren. Dit enzym is normaal inactief in een complex met een ander eiwit. De binding van cAMP zorgt voor een vormverandering dat de actieve kinase vrijlaat. Geactiveerd PKA katalyseert de fosforylatie van bepaalde serines of threonines op bepaalde intracellulaire eiwitten.

Bij opgewonden of angst: adrenaline bindt aan GPCR’s consequenties verschillen per celtype, maar alle celreacties bereiden het lichaam voor op actie.

Snel:Afbraak van glycogeen in spiercellen m.b.v. cAMP en PKA’s:[figure 16.23]

Langzaam:PKA fosforyleert transcriptieregulators die de transcriptie van bepaalde genen activeren:[figure 16.24]

9© Robert-Jan Arke

Snelle afbraak van cAMP voor snelle signalering, omdat:Snelle afbraak van cAMP houdt de intracellulaire cAMP concentraties laag. Hoe lager de cAMP concentraties, hoe groter en sneller de verhoging bereikt wordt van activatie van adenylaat cyclase, wat nieuw cAMP maakt.

Samenvatting adenylaat cyclase, enz.:Activatie G-eiwit gekoppelde receptoren binding en activatie G-eiwit activatie adenylaat cyclase dat cAMP vormt uit ATP cAMP activeert PKA PKA: activeert genexpressie, afbraak glycogeen en afbraak triacylglycerol tot vetzuren.

Activatie van fosfolipase-CSommige GPCR’s activeren fosfolipase-C. Eenmaal geactiveerd, fosfolipase-C knipt/hydrolyseert inositol fosfolipide (PIP2) inositol fosfolipide paden. Inositol fosfolipide wordt in 2 signaleringsmoleculen geknipt:

1. inositol 1,4,5-trifosfaat (IP3)IP3 verspreid zich in het cytosol, bindt zich aan Ca2+-kanalen in het ER membraan, die open gaan. Er zijn actieve pompen die het Ca2+ weer het ER in pompen.

2. diacylglycerol (DAG)Diacylglycerol activeert m.b.v. Ca2+ eiwit kinase C (PKC), dat een reeks intracellulaire eiwitten fosforyleert net zoals PKA.

[figure 16.25]

Samenvatting fosfolipase-C, enz.:Activatie G-eiwit gekoppelde receptoren binding en activatie G-eiwit activatie fosfolipase-C geactiveerd fosfolipase-C knipt PIP2 in IP3 en diacylglycerol IP3 opent Ca2+-kanaal in ER membraan Ca2+ concentratie in cytosol wordt verhoogd Ca2+ en DAG activeren PKC.

Calmoduline: los in het cytosol en als Ca2+ daaraan bindt, ondergaat het een vormverandering dat waardoor het om eiwitten (activiteit verandert) kan wikkelen. CaM-kinases: een doelgroep eiwitten waar calmoduline zich om wikkelt, waarna deze kinases andere processen beïnvloeden door eiwitten te fosforyleren.

10© Robert-Jan Arke

Verhoging van Ca2+ concentratie heeft vele biologische processen tot gevolg: Bevruchting eicel Spiercontractie Secreterende cellen veroorzaken Ca2+ secretie

Concentratie vrij Ca2+ in cytosol van een niet stimulerende cel is 10-7 M.

Second messengersZijn kleine moleculen waarvan de concentratie goed gereguleerd moet worden en worden snel afgebroken.

1. cAMP2. cGMP3. IP3

4. DAG

Enzym-gekoppelde receptorenHet cytoplasmatische domein van deze receptoren werken als een enzym of vormen een complex met een ander eiwit dat als een enzym werkt.Tyrosine kinase receptor (TKR ( maak ik er zelf van))

(1) Een TKR zit in het plasmamembraan met 1 -helix.(2) Binding van een signaalmolecuul zorgt ervoor dat 2 receptoren een dimeer vormen.(3) Dit veroorzaakt de activatie van hun kinase functie, met het resultaat dat elke receptor de ander fosforyleert: 6 fosfaatgroepen binden aan de tyrosines van de dimeer.(4) Deze dienen als bindingsplaatsen voor vele verschillende intracellulaire signaleringseiwitten. Sommige eiwitten worden gefosforyleerd, andere dienen uitsluitend als adapters, die de receptor aan andere signaleringseiwitten koppelen.Alle fosforylaties op ‘t complex worden ongedaan gemaakt door tyrosine fosfatase eiwitten.Soms worden TKR’s en GPCR’s opgenomen door endocytose en vernietigd door vertering in lysosomen.

11© Robert-Jan Arke

Ras eiwitRas: een klein G(TP-bindend)-eiwit, dat is gebonden aan een lipide staart in het membraan.

[figure 16.31]monomerische GTPases: kleine eiwitten die GTP binden, zoals Ras.Ras lijkt op de -subeenheid van een G-eiwit en functioneert ongeveer hetzelfde. Interactie met een aan een adapter geactiveerd Ras activeringseiwit zet Ras aan om GDP uit te wisselen voor GTP, waardoor het actief wordt. Ras maakt zichzelf inactief door zijn GTP-binding te hydrolyseren naar GDP-binding en stimuleert celvermeerdering.Als Ras actief is, bevordert het de activatie van een fosforylatie cascade waarin series van serine/threonine kinases de volgende fosforyleren en activeren.

MAP-kinase signalering module:Geactiveerd Ras activeert MAP-kinase-kinase-kinase, dat (meerdere) MAP-kinase-kinase(s) activeert via fosforylatie en dat vervolgens MAP-kinase activeert via fosforylatie. MAP kinase fosforyleert verschillende effectoreiwitten, zoals transcriptieregulators die bijv. celvermeerdering stimuleren. Dat verschilt per cel. Aan de receptor kan bijv. een groeifactor binden, die de cascade ‘aanzet’.

[figure 16.32]Het Ras-gen is een proto-oncogen: als het gemuteerd is, is de GTPase activiteit in Ras geïnactiveerd en kan het zichzelf dus niet uitschakelen: ongecontroleerde celvermeerdering.

12© Robert-Jan Arke

Samenvatting Ras & MAP-kinase, enz.:Tyrosine kinase receptor wordt geactiveerd (door bijv. groeifactor) adapter eiwit bindt aan een gefosforyleerd tyrosine hierdoor wordt een Ras activeringseiwit actief Ras-GDP wordt Ras-GTP Ras-GTP activeert MAP-kinase-kinase-kinase MAP-kinase-kinase-kinase activeert via fosforylatie MAP-kinase-kinase MAP-kinase-kinase activeert via fosforylatie MAP-kinase MAP-kinase kan voor verschillende responsen zorgen.

PI-3 kinaseVele van de extracellulaire signaaleiwitten die dierlijke cellen stimuleren te overleven, te groeien en te vermeerderen werken via tyrosine kinase receptoren.fosfoinositide-3 kinase (PI-3 kinase): zeer belangrijk enzym in een signaleringspad dat TKR’s activeert om celgroei en -overleving te bevorderen. Dit enzym fosforyleert inositol fosfolipiden in het plasmamembraan en deze fosfolipiden worden aanlegplaatsen voor specifieke intracellulaire signaleringseiwitten uit het cytosol.Één van de belangrijkste van deze eiwitten is het eiwit kinase-Akt (eiwit kinase B: PKB). Akt bevordert de groei en overleving van veel celtypes, vaak door het inactiveren van het signaaleiwit via fosforylatie, zoals het eiwit Bad. Bad o.a. zet apoptose aan celoverleving.PI-3 kinase Akt pad activeert ook Tor Tor stimuleert celgroei.

[figure 16.33]

Cytokines (een paar hormonen en vele lokale bemiddelaars) binden aan receptoren die transcriptieregulators kunnen activeren directere route: Jak-STAT pad.Eenmaal geactiveerd worden die regulators STAT’s genoemd. Deze directe signalering wordt gebruikt door bijv. interferonen: cytokines geproduceerd door geïnfecteerde cellen.JAK’s zijn cytoplasmatische tyrosine kinases en worden geactiveerd als een cytokine of hormoon aan de receptor bindt. Eenmaal geactiveerd, de JAK’s fosforyleren en activeren STAT’s, die vervolgens naar de celkern trekken waar ze transcriptie stimuleren.

[figure 16.39]

13© Robert-Jan Arke

Amplificatie: Ieder katalytisch eiwit in een signaal transductie pad amplificeert het signaal door activering van verschillende kopieën van de volgende component in het pad.

Samenvatting signalerende paden:

[figure 16.42]

14© Robert-Jan Arke