7.9: איתות

מקור: BiochemFFA_7_8.pdf. ספר הלימוד כולו זמין בחינם מהמחברים בכתובת http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

עד לנקודה זו שקלנו כיצד תאים מבצעים תגובות ביוכימיות וכיצד הם מווסתים את ביטוי הגנים בתגובה לסביבתם הפנימית והחיצונית. ברור באופן אינטואיטיבי שאפילו אורגניזמים חד-תאיים חייבים להיות מסוגלים לחוש תכונות של סביבתם, כמו נוכחות של חומרים מזינים, אם הם רוצים לשרוד. בנוסף ליכולת לקבל ולהגיב למידע מהסביבה, אורגניזמים רב-תאיים חייבים למצוא גם דרכים בהן התאים שלהם יכולים לתקשר בינם לבין עצמם.

תיאום

מכיוון שתאים שונים מקבלים פונקציות מיוחדות באורגניזם רב תאי, עליהם להיות מסוגלים לתאם פעילויות. תאים גדלים, מתחלקים או מתמיינים בתגובה לאותות ספציפיים. הם עשויים לשנות צורה או לעבור למיקום אחר. ברמה הפיזיולוגית, תאים באורגניזם רב תאי, חייבים להגיב לכל דבר, החל מארוחה שזה עתה אכלה ועד לפציעה, איום או זמינות של בן זוג. עליהם לדעת מתי להתחלק, מתי לעבור אפופטוזיס (מוות תאי מתוכנת), מתי לאחסן מזון ומתי לפרק אותו. נוצרו מגוון מנגנונים כדי להבטיח שתקשורת תאים-תאים לא רק אפשרית, אלא מהירה, מדויקת ואמינה להפליא.

כיצד נשלחים אותות בין תאים? כמו כמעט כל מה שקורה בתאים, האיתות תלוי בזיהוי מולקולרי. העיקרון הבסיסי של איתות תא-תא הוא פשוט. סוג מסוים של מולקולה, שנשלח על ידי תא איתות, מזוהה ונקשר על ידי חלבון קולטן בתא המטרה (או על פני השטח). מולקולות האות מגוונות מבחינה כימית- הן עשויות להיות חלבונים, פפטידים קצרים, שומנים, נוקלאוטידים או קטכולאמינים, אם להזכיר כמה.

מאפייני אות

התכונות הכימיות של האות קובעות אם הקולטנים שלו נמצאים על פני התא או תאיים. אם האות קטן והידרופובי הוא יכול לחצות את קרום התא ולקשור קולטן בתוך התא. אם, לעומת זאת, האות טעון, או גדול מאוד, הוא לא יוכל להתפזר דרך קרום הפלזמה. אותות כאלה זקוקים לקולטנים על פני התא, בדרך כלל חלבונים טרנסממברניים שיש להם חלק חוץ -תאי הקושר את האות וחלק תוך תאי שמעביר את המסר בתוך התא (איור 7.130).

קולטנים הם ספציפיים לכל סוג של אות, כך שלכל תא יש סוגים רבים ושונים של קולטנים שיכולים לזהות ולקשור את האותות הרבים שהוא מקבל. מכיוון שלתאים שונים יש קבוצות שונות של קולטנים, הם מגיבים לאותות או שילובים שונים של אותות. הקישור של מולקולת אות לקולטן יוצר שרשרת אירועים בתא המטרה. אירועים אלה עלולים לגרום לשינוי בדרכים שונות, כולל, אך לא רק, שינויים במסלולים מטבוליים או ביטוי גנים בתא המטרה.

כיצד קישור האות לקולטן מביא לשינוי בתאים הוא הנושא של סעיף זה. נבחן כמה מסוגי הקולטנים העיקריים ואת ההשלכות של קישור האות לקולטנים אלה. למרות שהמרכיבים המולקולריים הספציפיים של מסלולי העברת האותות השונים שונים, לכולם יש כמה תכונות משותפות (איור 7.131):
• הקישור של אות לקולטן שלו מלווה בדרך כלל ביצירת אות (ים) חדשים בתוך התא. התהליך שבו האות המקורי מומר לצורה אחרת ומועבר בתוך התא כדי לחולל שינוי נקרא התמרת אותות.
• לרוב מסלולי האיתות יש שלבי העברת אותות מרובים שבאמצעותם האות מועבר באמצעות סדרה של שליחים מולקולריים שיכולים להגביר ולהפיץ את המסר לחלקים שונים של התא.
• אחרון השליחים הללו מקיים אינטראקציה בדרך כלל עם חלבוני מטרה ומשנה את פעילותו, לרוב על ידי זרחון.
• כאשר אות מגדיר מסלול מסוים בתנועה, הוא מתנהג כמו מתג ON. המשמעות היא שברגע שהתוצאה הרצויה הושגה, התא חייב להיות בעל מנגנון הפועל כמתג OFF.

הבנת הדמיון הבסיסי הזה מועילה, מכיוון שלימוד פרטי המסלולים השונים הופך להיות רק עניין של זיהוי איזה רכיב מולקולרי מבצע פונקציה מסוימת בכל מקרה ומקרה. נשקול מספר מסלולי העברת אותות שונים, שכל אחד מהם מתווך על ידי קולטן מסוג אחר.

קולטני תעלות יונים מגודרות ליגנד

מסלולי האות הפשוטים והמהירים ביותר נראים במקרה של אותות שהקולטנים שלהם הם תעלות יונים מגודרות (איור 7.132). תעלות יונים מגודרות מורכבות מחלבונים טרנסממברניים מרובים היוצרים נקבובית, או תעלה, בקרום התא. בהתאם לסוגו, כל תעלת יונים ספציפית למעבר של מין יוני מסוים. המונח "מגודר" מתייחס לעובדה שתעלת היונים נשלטת על ידי "שער" אותו יש לפתוח כדי לאפשר ליונים לעבור. השערים נפתחים על ידי קישור של אות נכנס (ליגנד) לקולטן, ומאפשר מעבר כמעט מיידי של מיליוני יונים מצד אחד של הממברנה לצד השני. שינויים בסביבה הפנימית של התא נוצרים אפוא במיקרו-שניות ובשלב אחד.

תגובה מהירה

סוג זה של תגובה מהירה נראה, למשל, בצמתים עצביים-שריריים, שבהם תאי שריר מגיבים להודעה מתא העצב השכן (איור 7.133). תא העצב משחרר אות נוירוטרנסמיטר לתוך השסע הסינפטי, שהוא המרווח בין תא העצב לתא השריר שאליו הוא "מדבר". דוגמה לאות נוירוטרנסמיטר כזה היא אצטילכולין. כאשר מולקולות האצטילכולין משתחררות לתוך השסע הסינפטי, הן מתפזרות במהירות עד שהן מגיעות לקולטנים שלהן על קרום תא השריר. קשירת האצטילכולין לקולטן שלו, תעלת יונים על קרום תא השריר, גורמת לפתיחת השער בתעלת היונים. זרימת היונים המתקבלת דרך התעלה יכולה לשנות באופן מיידי את פוטנציאל הממברנה של התא. זה, בתורו, יכול לעורר שינויים אחרים בתא.

המהירות שבה מתרחשים שינויים באיתות נוירוטרנסמיטר ניכרת כאשר אתה חושב על כמה מהר אתה מסיר את היד שלך ממשטח חם. נוירונים חושיים נושאים מידע למוח מהיד שלך על המשטח החם ונוירונים מוטוריים מאותתים לשרירים שלך להזיז את היד, בפחות זמן ממה שלקח לך לקרוא את המשפט הזה!

קולטני הורמונים גרעיניים

הקולטנים לאותות כמו הורמונים סטרואידים הם חלק מקבוצה גדולה של חלבונים המכונה משפחת העל של קולטן ההורמונים הגרעיניים. קולטנים אלה מזהים וקושרים לא רק הורמונים סטרואידים, אלא גם חומצה רטינואית, הורמון בלוטת התריס, ויטמין D ואותות אחרים. קבוצת המשנה של קולטני ההורמונים הגרעיניים הקושרים הורמונים סטרואידים הם חלבונים תוך תאיים. הורמונים סטרואידים (איור 7.135), כפי שאתה מודע, קשורים לכולסטרול, וכמולקולות הידרופוביות, הם מסוגלים לחצות את קרום התא בעצמם. זה יוצא דופן, מכיוון שרוב האותות המגיעים לתאים אינם מסוגלים לחצות את קרום הפלזמה, ולכן חייבים להיות בעלי קולטנים משטח התא.

ברגע שהם נכנסים לתא, הורמונים סטרואידים נקשרים לקולטנים שלהם, שעשויים להתגורר בציטופלזמה או בגרעין. קולטני הורמונים סטרואידים הם חלבונים בעלי חיים כפולים: הם למעשה מווסתי שעתוק רדומים שאינם פעילים עד שהורמון סטרואידי נקשר וגורם לשינוי קונפורמטיבי בהם. כאשר זה קורה, הקולטנים, עם ההורמון קשור, נקשרים לרצפים רגולטוריים ב- DNA ומווסתים את ביטוי הגנים. מכיוון שקולטני הורמונים סטרואידים פועלים על ידי אפנון ביטוי גנים, התגובות להורמונים סטרואידים איטיות יחסית. (ישנן גם כמה השפעות של הורמונים סטרואידים שאינם כרוכים בוויסות תעתיק, אך הרוב פועלים באמצעות שינוי ביטוי גנים.) כמו מפעילי תעתיק אחרים, לקולטני סטרואידים יש תחום מחייב DNA (DBD) ותחום הפעלה. יש להם גם תחום מחייב ליגנד (LBD) הקושר את ההורמון.

קולטן גלוקוקורטיקואידים

דוגמאות למסלולי איתות כאלה הם אלה המתווכים על ידי הקולטן לגלוקוקורטיקואידים (איורים 7.136 ו- 7.137). גלוקוקורטיקואידים, המתוארים לעיתים כהורמוני לחץ, מיוצרים ומופרשים על ידי קליפת האדרנל. מבחינה פיזיולוגית, הם משמשים לשמירה על הומאוסטזיס מול לחץ ומציגים תכונות אנטי דלקתיות ודיכוי חיסוני חזקות. בגלל השפעות אלה, glucocorticoids סינתטיים משמשים לטיפול במספר מחלות מאסטמה ודלקת מפרקים שגרונית לטרשת נפוצה. כל ההשפעות הללו מתווכות דרך מסלול האיתות שמתחיל בקשירה של הורמון גלוקוקורטיקואיד לקולטן שלו. נזכיר כי סטרואידים יכולים לחצות את קרום הפלזמה, ולכן גלוקוקורטיקואידים יכולים להתפזר לתא ולקשור את הקולטנים שלהם שנמצאים בציטופלזמה.

בהיעדר האות, קולטני גלוקוקורטיקואידים נמצאים קשורים למלווה חלבון, Hsp90 (איור 7.137). זה מונע את העברת הקולטנים לגרעין. כאשר מולקולת גלוקוקורטיקואיד קושרת את הקולטן, הקולטן עובר שינוי קונפורמטיבי ומתנתק מה- Hsp90. הקולטן, אם כן, עם ההורמון קשור, עובר לגרעין. בגרעין, הוא יכול להגביר את השעתוק של גני המטרה על ידי קישור לרצפים רגולטוריים ספציפיים (שכותרתו HRE עבור אלמנטים של תגובה הורמונלית). הקישור של קומפלקס קולטן ההורמונים לאלמנטים הרגולטוריים של גנים המגיבים להורמונים מווסת את הביטוי שלהם. רבים מהגנים הללו מקודדים לחלבונים אנטי דלקתיים, והייצור המוגבר שלהם מהווה את ההשפעה הפיזיולוגית של טיפולים בקורטיקוסטרואידים.

מסלולי הקולטן לסטרואידים פשוטים יחסית ויש להם רק כמה שלבים (איור 7.138). רוב מסלולי האיתות האחרים כוללים מספר שלבים שבהם האות המקורי מועבר ומוגבר באמצעות מספר שלבי ביניים, לפני שהתא מגיב לאות.

קולטני משטח התא

כעת נסתכל על שני מסלולי איתות, שכל אחד מהם מתווך על ידי מחלקה עיקרית של קולטן משטח התא- הקולטנים המצמידים לחלבון G (GPCR) והקולטן טירוסין קינאזות (RTKs). בעוד שהפרטים הספציפיים של מסלולי האיתות העוקבים אחר קישור האותות לכל אחד מסוגי הקולטנים הללו שונים, קל יותר ללמוד אותם כאשר ניתן לראות מה המשותף למסלולים, כלומר אינטראקציה של האות עם קולטן, ואחריו העברה והגברה של האות באמצעות מספר משתנה של מולקולות ביניים, כאשר האחרונה מהמולקולות הללו מתקשרת עם חלבוני מטרה או מטרה ומשנה את פעילותן בתא.

קולטנים מצמידים לחלבון G

קולטנים מצמידים חלבון G (GPCR) מעורבים בתגובות של תאים לסוגים רבים ושונים של אותות, מאפינפרין, לריחות ועד לאור. למעשה, מגוון תופעות פיזיולוגיות כולל ראייה, טעם, ריח ותגובת הלחימה או הבריחה מתווכות על ידי GPCRs. מהם קולטנים מצמידים לחלבון G?

קולטנים מצמידים לחלבון G הם קולטנים משטח התא המעבירים את האותות שהם מקבלים בעזרת חלבונים קושרים גואנין נוקלאוטיד (aka חלבוני G). לפני שחושבים עוד על מסלולי האיתות במורד הזרם של GPCRs, יש צורך לדעת כמה עובדות חשובות על קולטנים אלה וחלבוני ה- G המסייעים להם.

למרות שיש מאות קולטנים שונים מצמידים לחלבון G, לכולם יש את אותו מבנה בסיסי (איור 7.139):

כולם מורכבים משרשרת פוליפפטיד אחת המתפתלת קדימה ואחורה שבע פעמים דרך דו שכבת השומנים של קרום הפלזמה. מסיבה זו, הם נקראים לפעמים קולטנים טרנסממברניים (7TM) עם שבעה מעברים. קצה אחד של הפוליפפטיד יוצר את התחום החוץ -תאי הקושר את האות ואילו הקצה השני נמצא בציטוזול של התא.

כאשר ליגנד (אות) קושר את התחום החוץ-תאי של GPCR, הקולטן עובר שינוי קונפורמטיבי, בצד הציטופלזמי שלו, המאפשר לו לקיים אינטראקציה עם חלבון G שיעביר את האות לחומרי ביניים אחרים במסלול האיתות..

חלבוני G

מהו חלבון G? כפי שצוין לעיל, חלבון G הוא חלבון קושר נוקלאוטיד גואנין שיכול לקיים אינטראקציה עם קולטן מקושר לחלבון G. חלבוני G קשורים לצד הציטוזולי של קרום הפלזמה, שם הם ממוקמים באופן אידיאלי לאינטראקציה עם זנב ה- GPCR, כאשר אות נקשר ל- GPCR. ישנם חלבוני G רבים ושונים, שכולם חולקים מבנה אופייני- הם מורכבים משלוש יחידות משנה הנקראות α, β ו- γ (איור 7.140). בגלל זה, הם נקראים לפעמים חלבוני G הטרוטרימריים (הטרו=שונה, טרימריק= בעלי שלושה חלקים).

קשירת ליגנד

אתר הקישור של נוקלאוטיד גואנין נמצא ביחידת המשנה α של חלבון G. אתר זה יכול לקשור תוצר או GTP. ליחידת המשנה α יש גם פעילות GTPase, כלומר, היא מסוגלת לבצע הידרוליזה של מולקולת GTP הקשורה אליה לתוצר.

במצב הלא מגורה של התא, כלומר בהיעדר אות הקשור ל-GPCR, חלבוני ה-G נמצאים בצורה הטרימרית (α-β-γ קשורים זה לזה) ולתת-היחידה α יש מולקולת GDP קשורה אליו. בצורה זו, יחידת המשנה α אינה פעילה. עם רקע זה על המבנה והתכונות הכלליות של ה-GPCR וחלבוני ה-G, כעת נוכל להסתכל על מה שקורה כאשר אות מגיע אל פני התא ונקשר ל-GPCR (איור 7.141).

מסלול האיתות

הקישור של מולקולת אות על ידי החלק החוץ-תאי של הקולטן המקושר לחלבון G גורם לזנב הציטוזולי של הקולטן לקיים אינטראקציה עם, ולשנות את הקונפורמציה של חלבון G הקשור לפנים הפנימיות של קרום הפלזמה.
יש לכך שתי השלכות. ראשית, יחידת המשנה α של חלבון G מאבדת את התוצר שלה וקושרת GTP, במקום זאת. שנית, חלבון ה-G מתפרק לחלק α הקשור ל-GTP ולחלק β-γ.

הקישור של GTP ליחידת המשנה α והניתוק שלה מיחידות המשנה β-γ מפעילים את יחידת המשנה α. יחידת המשנה α המופעלת יכולה להתפזר בחופשיות לאורך הפנים הציטוזוליות של קרום הפלזמה ולפעול על מטרותיה. (יחידת β-γ מסוגלת גם להפעיל מטרות משלה.)

מה קורה כאשר חלבוני G מתקשרים עם חלבוני המטרה שלהם? זה תלוי מה המטרה. חלבוני G מקיימים אינטראקציה עם סוגים שונים של חלבוני מטרה, מתוכם נבחן שתי קטגוריות עיקריות:

תעלות יונים

ראינו קודם לכן שניתן לפתוח או לסגור כמה תעלות יונים מגודרות על ידי קישור ישיר של נוירוטרנסמיטורים לקולטן שהוא חלבון תעלת יונים. במקרים אחרים, תעלות יונים מוסדרות על ידי קישור של חלבוני G. כלומר, במקום שהאות נקשר ישירות לתעלת היונים, הוא נקשר ל-GPCR, שמפעיל חלבון G שעלול לגרום לפתיחת תעלת היונים, באופן ישיר, על ידי קישור לערוץ, או בעקיפין, באמצעות הפעלת חלבונים אחרים שיכולים להיקשר לערוץ. השינוי בהתפלגות היונים על פני קרום הפלזמה גורם לשינוי בפוטנציאל הממברנה.

הפעלת אנזים

האינטראקציה של חלבוני G עם אנזימי המטרה שלהם יכולה לווסת את פעילות האנזים, להגדיל או להקטין את פעילותו. השינוי בפעילות אנזים המטרה, בתורו, גורם לשינויים במורד הזרם בחלבונים אחרים בתא, ומשנה את המצב המטבולי של התא. ניתן להבין זאת בצורה הטובה ביותר על ידי בחינת התגובה הנחקרת היטב של תאים לאפינפרין, בתיווך באמצעות הקולטן β-אדרנרגי, סוג של קולטן צמוד לחלבון G.

אפינפרין (איור 7.142), הידוע גם בשם אדרנלין, הוא קטכולמין הממלא תפקיד חשוב בתגובת 'הילחם או ברח' של הגוף. בתגובה לגירויים מלחיצים, אפינפרין מופרש לדם, שיועבר לאיברי מטרה שתאיהם יגיבו לאות זה. אם היית הולך בסמטה חשוכה בשכונה מפוקפקת, ושמעת צעדים מאחוריך, המוח שלך היה מגיב לסכנה פוטנציאלית על ידי שליחת אותות שבסופו של דבר גורמים לקליפת יותרת הכליה להפריש אפינפרין לזרם הדם. לאפינפרין המסתובב במערכת שלך יש השפעות רבות, כולל העלאת קצב הלב שלך, אך בין היעדים העיקריים שלו הם תאי השריר שלך. הסיבה לכך היא שתאי השריר שלך אוגרים אנרגיה בצורה של גליקוגן, פולימר של גלוקוז. אם אתה צריך לרוץ או להדוף תוקף, התאים שלך יזדקקו לאנרגיה בצורה של גלוקוז.

אבל איך אפינפרין גורם לתאים שלך לפרק את הגליקוגן לגלוקוז? קשירת אפינפרין לקולטן β-אדרנרגי על פני התאים גורמת לקולטן להפעיל חלבון G הקשור לזנב הציטופלזמי שלו. כפי שתואר לעיל, הדבר מוביל לכך שיחידת המשנה α מחליפה את התוצר שלה ב- GTP ומתנתקת מיחידות המשנה β-γ. יחידת המשנה α המופעלת מקיימת אינטראקציה עם האנזים אדנילט ציקלאז (הידוע גם בשם אדניליל ציקלאז) וממריץ אותו לייצר AMP מחזורי (cAMP) מ- ATP. AMP מחזורי מתואר לעתים קרובות כ"שליח שני ", בכך שהוא משמש להפצת האות שמקבל התא. כיצד cAMP משיג זאת?

מולקולות cAMP נקשרות לאנזים, ומפעילות אנזים, חלבון קינאז A (PKA - איור 7.145). PKA מורכב משתי יחידות משנה קטליטיות ושתי יחידות משנה רגולטוריות המחוברות זו לזו. עם קישור cAMP, יחידות המשנה הקטליטיות משתחררות מתת-היחידות הרגולטוריות, ומאפשרות לאנזים לבצע את תפקידו, כלומר זרחון חלבונים אחרים. לפיכך, cAMP יכול לווסת את הפעילות של PKA, אשר בתורו, על ידי זרחון חלבונים אחרים יכולים לשנות את פעילותם. במקרה זה, החלבון הרלוונטי המופעל הוא אנזים, פוספורילאז קינאז. אנזים זה יכול לאחר מכן לזרחן ולהפעיל גליקוגן פוספורילאז, האנזים האחראי בסופו של דבר לפירוק הגליקוגן לגלוקוז-1-פוספט - המומר בקלות לגלוקוז. הפעלת הגליקוגן פוספורילאז מספקת לתאים את הגלוקוז הדרוש להם, ומאפשרת לך להילחם או לברוח, כראות עיניך. במקביל, PKA גם מזרחן אנזים אחר, גליקוגן סינתאז. במקרה של גליקוגן סינתאז, הזרחון משבית אותו ומונע שימוש בגלוקוז חופשי לסינתזת גליקוגן, ומבטיח שהתאים שלך מסופקים בשפע עם גלוקוז (איור 7.146).

דפוס נפוץ

למרות שהשלבים שתוארו לעיל נראים מסובכים, הם עוקבים אחר התבנית הפשוטה המתוארת בתחילת סעיף זה:
• קישור האות לקולטן
• מספר שלבים שבהם האות מועבר דרך מולקולות ביניים (חלבוני G, אדנילט ציקלאז, cAMP, ולבסוף, PKA)
• זרחון של חלבוני מטרה על ידי הקינאז, מה שמוביל לשינויים בתא. השינויים הספציפיים תלויים בחלבונים המוזרחים על ידי ה- PKA.

למה כל כך הרבה צעדים? אם אתה צריך להפעיל גליקוגן פוספורילאז כדי לפרק גלוקוז בחיפזון, מדוע שלא תהיה מערכת שבה קישור של אות לקולטן הפעיל ישירות את אנזים המטרה?

התשובה לפאזל זה היא פשוטה: יש הגברה של האות בכל שלב במסלול. מולקולת אות בודדת הנקשרת לקולטן מפעילה מפל של תגובות, כאשר האות הולך וגדל בכל שלב, כך שקשירה של מולקולת אפינפרין אחת לקולטן שלה גורמת להפעלה של מיליון מולקולות אנזים גליקוגן פוספורילאז!

כיבוי אותות

אם קשירת האות לקולטן משמשת כמתג שמפעיל אירועים אלה, חייבים להיות מנגנונים לכיבוי המסלול. הראשון הוא ברמה של הקולטן עצמו. קינאז הנקרא קולטן חלבון G קינאז (GRK) מזרחן את הזנב הציטופלזמי של הקולטן. הזנב הזרחני נקשר לאחר מכן על ידי חלבון הנקרא arrestin, ומונע אינטראקציה נוספת עם חלבון G.

נקודת השליטה הבאה היא בחלבון G. נזכיר כי יחידת המשנה α של חלבון G נמצאת במצב החופשי והמופעל שלה כאשר יש לה GTP קשורה, וכי היא מתחברת ליחידות המשנה β-γ ויש לה תוצר קשור כאשר הוא אינו פעיל. אנו גם יודעים שלתת-היחידה α יש פעילות המאפשרת לה לבצע הידרוליזה של GTP לתוצר. פעילות הידרוליזה זו של GTP מאפשרת ליחידת המשנה α, לאחר שהשלימה את משימתה, לחזור למצב הקשור לתוצר שלה, להתחבר מחדש לחלק β-γ ולהיות שוב לא פעילה.

"מתג כיבוי" שלישי נמצא בהמשך מסלול האיתות, ושולט ברמת cAMP. זה עתה ציינו שרמות cAMP עולות כאשר מופעל אדנילט ציקלאז. כאשר עבודתו נעשית, cAMP מתפרק על ידי אנזים הנקרא פוספודיאסטרז (איור 7.147). כאשר רמות cAMP יורדות, PKA חוזר למצבו הלא פעיל, ועוצר את השינויים שנגרמו על ידי הפעלת אדנילט ציקלאז על ידי חלבון G מופעל.

דרך נוספת שבה ניתן לכבות את ההשפעות של מסלול זה היא ברמה של חלבוני המטרה הזרחניים. ניתן להחזיר חלבונים אלה, המופעלים על ידי זרחון, למצבם הלא פעיל על ידי הסרת הפוספטים על ידי פוספטאזות.

קולטן טירוסין קינאזות

מחלקה מרכזית נוספת של קולטני פני התא הם הקולטן טירוסין קינאזות או RTKs. בדומה ל-GPCRs, קולטן טירוסין קינאזות קושרות אות, ואז מעבירות את המסר דרך סדרה של מולקולות תוך-תאיות, שהאחרונה שבהן פועלת על חלבוני מטרה כדי לשנות את מצב התא.

כפי שהשם מרמז, קולטן טירוסין קינאז הוא קולטן משטח התא שיש לו גם פעילות טירוסין קינאז. תחום קשירת האותות של הקולטן טירוסין קינאז נמצא על פני התא, בעוד שהפעילות האנזימטית של טירוסין קינאז שוכנת בחלק הציטופלזמי של החלבון (איור 7.148). סליל α טרנסממברני מחבר בין שני האזורים הללו של הקולטן.

מה קורה כאשר מולקולות האות נקשרות לקולטן טירוסין קינאזות? קישור מולקולות האות לתחומים החוץ-תאיים של חלבוני קולטן טירוסין קינאז גורם לשתי מולקולות קולטן להתעמעם (להתאחד ולהתחבר - איור 7.149). זה מקרב את הזנבות הציטופלזמיים של הקולטנים זה לזה וגורם להפעלת פעילות הטירוסין קינאז של זנבות אלה. הזנבות המופעלים מזרחנים זה את זה בכמה שאריות טירוסין (איור 7.150). זה נקרא אוטופוספורילציה.

הזרחון של טירוזינים על זנבות הקולטן מעורר הרכבה של קומפלקס איתות תוך תאי על הזנבות. הטירוזינים החדשים שזרחו משמשים כאתרי קישור למגוון חלבוני איתות המעבירים את המסר לחלבונים אחרים כדי לחולל שינויים בתא. קולטן טירוסין קינאזות מתווכות תגובות למספר רב של אותות, כולל הורמוני פפטיד כמו אינסולין וגורמי גדילה כמו גורם גדילה אפידרמיס (EGF). נבחן כיצד אינסולין ו- EGF פועלים על תאים על ידי קשירה לקולטן טירוסין קינאזות.

קולטן אינסולין

לאינסולין תפקיד מרכזי בספיגת הגלוקוז מזרם הדם. זה מגביר את ספיגת הגלוקוז על ידי גירוי התנועה של קולטן הגלוקוז GLUT4 לקרום הפלזמה של התאים.

כיצד אינסולין מגביר את ריכוזי GLUT4 בקרום התא? הקישור של אינסולין לקולטן האינסולין (IR - איור 7.151), מביא לדימריזציה של מונומרים הקולטן ולאוטופוספורילציה שלאחר מכן של תחומי הקינאז הציטוזולי. תחומי הטירוסין קינאז המופעלים גם מזרחנים חלבונים תוך תאיים הנקראים מצעי קולטן אינסולין או חלבוני IRS. חלבונים אלה מקיימים אינטראקציה ומפעילים קינאז אחר הנקרא PI3-kinase. לאחר מכן PI3-kinase מזרז את היווצרות מולקולת השומנים PIP3, המשמשת להפעלת קינאז נוסף, PDK1, אשר בתורו מפעיל את קבוצת הקינאזות Akt. נראה כי קבוצת אנזימים זו מגבירה את הטרנסלוקציה של GLUT4 לקרום הפלזמה (איור 7.152), שכן תאים חסרי Akts פונקציונליים מפגינים ספיגת גלוקוז לקויה ועמידות לאינסולין.

מסלול EGFR

גורם גדילה אפידרמיס, EGF, הוא מולקולת איתות חשובה המעורבת בצמיחה, התפשטות והתמיינות בתאי יונקים. EGF פועל דרך קולטן EGF, EGFR, קולטן טירוסין קינאז (איור 7.153). בגלל תפקידו בגירוי התפשטות תאים ומכיוון שביטוי יתר של EGFR קשור לסוגים מסוימים של סרטן, EGFR הוא היעד לטיפולים רבים נגד סרטן. אנו יכולים להתחקות אחר מסלול העברת האותות מהקישור של EGF לקולטן שלו לגירוי חלוקת התא.

קישור EGF ל-EGFR מלווה בדימריזציה של קולטן וגירוי של פעילות הטירוסין קינאז של התחומים הציטוזוליים של ה-EGFR. אוטופוספורילציה של זנבות הקולטן מלווה בהרכבה של קומפלקס איתות בעל גרעין על ידי קישור של חלבונים המזהים שאריות פוספוטירוסין. חלבון חשוב שמופעל לאחר מכן על ידי מתחמי האיתות על הקולטן טירוסין קינאזות נקרא Ras (איור 7.154). חלבון Ras הוא חלבון קושר נוקלאוטיד גואנין מונומרי הקשור לפנים הציטוזוליות של קרום הפלזמה
(למעשה, הוא דומה מאוד ליחידת המשנה α של חלבוני G טרימריים). בדיוק כמו יחידת המשנה α של חלבון G, Ras פעיל כאשר GTP קשור אליו ואינו פעיל כאשר התוצר קשור אליו. כמו כן, כמו יחידת המשנה α, Ras יכול לבצע הידרוליזה של ה- GTP לתוצר.

הפעלת ראס

הפעלת Ras מלווה את החלפת התוצר הקשור ל- Ras הלא פעיל עבור GTP. Ras מופעל מפעיל מפל זרחון של שלושה קינאזות חלבון, המעבירות ומפיצות את האות. קינאזות חלבון אלו הן חברים בקבוצה הנקראת קינאזות MAP (קינאזות חלבון מופעלות מיטוגן). הקינאז הסופי במפל זה מזרחן חלבוני מטרה שונים, כולל אנזימים ומפעילי תעתיק המווסתים את ביטוי הגנים.

הזרחון של אנזימים שונים יכול לשנות את פעילותם, ולהפעיל תגובות כימיות חדשות בתא, בעוד שהזרחון של מפעילי תעתיק יכול לשנות אילו גנים באים לידי ביטוי. ההשפעה המשולבת של שינויים בביטוי הגנים ובפעילות החלבון משנה את המצב הפיזיולוגי של התא ומקדמת חלוקת תאים.

שוב, במעקב אחר נתיב העברת האותות המתווך על ידי RTKs, ניתן להבחין באותו דפוס אירועים בסיסי: אות נקשר לתחומים החוץ-תאיים של טירוסין קינאזות קולטן, וכתוצאה מכך דימריזציה של קולטן ואוטופוספורילציה של הזנבות הציטוסוליים, ובכך מעביר את המסר אל פנים התא.

לאחר מכן המסר מועבר באמצעות קומפלקס איתות לחלבונים המעוררים סדרה של קינאזות. הקינאז הסופי במפל פועל על חלבוני מטרה ומביא לשינויים בפעילות החלבון.

מהו מתג הכיבוי עבור RTKs? מסתבר שניתן להכניס RTKs עם האות הקשור לתא ולפרק אותם. כלומר, האזור של קרום הפלזמה שעליו נמצא ה-RTK יכול להיות צבט פנימי לתוך שלפוחית המכילה את הקולטן הקשור לליגנד אשר לאחר מכן ממוקד לפירוק.

Ras, המופעל על ידי קישור GTP, יכול להיות מושבת גם על ידי הידרוליזה של ה-GTP ל-GDP. חשיבותו של מנגנון זה לכיבוי המסלול ניכרת בתאים שיש להם גן ras מוטנטי המקודד לחלבון Ras עם פעילות GTPase פגומה. לא ניתן לכבות את ראס, התאים ממשיכים לקבל אות להתרבות. המכון הלאומי לסרטן מעריך כי יותר מ -30% ממקרי הסרטן האנושיים מונעים על ידי מוטציות בגנים של ras.

התיאורים לעיל מספקים סקיצה פשוטה מאוד של כמה מהמחלקות העיקריות של קולטנים ועוסקים בעיקר בפרטים המכניסטיים של השלבים שבהם אותות המתקבלים על ידי סוגים שונים של קולטנים מביאים לשינויים בתאים. שיעור מרכזי לקחת הביתה הוא הדמיון המהותי בין המסלולים השונים. נקודה נוספת שכדאי לזכור היא שבעוד שהסתכלנו על כל מסלול בודד בבידוד, תא, בכל זמן נתון מקבל אותות מרובים שמפעילים מגוון תגובות שונות בבת אחת (איור 7.155). המסלולים שתוארו לעיל מראים מידה ניכרת של "דיבור צולב" והתגובה לכל אות נתון מושפעת מהאותות האחרים שהתא מקבל בו זמנית. ריבוי הקולטנים, האותות והשילובים שלהם הם האמצעים שבהם התאים מסוגלים להגיב למגוון עצום של נסיבות שונות.

RTKs, סרטן וטיפולים בסרטן

כפי שתואר לעיל, קישור של EGF לקולטן שלו מעורר מסלול איתות המביא להפעלה של סדרה של קינאזות חלבון מופעלות מיטוגן (MAP kinases). קינאזות אלה נקראות מכיוון שהן מופעלות על ידי מיטוגן, מולקולה, כמו EGF וגורמי גדילה אחרים, המגרה מיטוזה או חלוקת תאים. הקינאז הסופי במפל קינאז MAP מזרחן מספר חלבוני מטרה, רבים מהם גורמי שעתוק, שכאשר הם מופעלים, מגבירים את הביטוי של גנים הקשורים לשגשוג תאים.

בהתחשב בכך שמסלול קולטן EGF מתפקד בדרך כלל כדי לעורר חלוקת תאים, אין זה מפתיע שתקלות במסלול עלולות להוביל לשגשוג תאים בלתי מבוקר, או לסרטן. הבא, נסתכל בקצרה על כמה דוגמאות של פגמים כאלה.

שלה 2

למשפחת הקולטן EGF האנושי (HER) יש ארבעה חברים, HER1, HER2, HER3 ו- HER4. כל אלה הם קולטן טירוסין קינאזות, קולטנים משטח התא הקושרים EGF (איור 7.157) וממריצים את התפשטות התאים.

שלב מכריע במסלול העברת האותות הוא דימריזציה של הקולטנים בעקבות קישור האות, EGF, לקולטן. בעוד HER1, HER3 ו- HER4 חייבים לקשור את האות לדימריזציה, המבנה של קולטן HER2 יכול, ככל הנראה, לאפשר למונומרים הקולטנים להתעמעם ללא תלות בקישור EGF.

המשמעות היא שניתן להפעיל את האירועים במורד הזרם של מסלול האיתות גם בהיעדר אות צמיחה. בתאים רגילים, רק כמה קולטני HER2 באים לידי ביטוי על פני התא, כך שתכונה זו של HER2 ממלאת תפקיד מינורי יחסית בגירוי חלוקת התא. עם זאת, בכרבע מחולי סרטן השד, קולטני HER2 מתבטאים יתר על המידה, מה שמוביל לדימריזציה מוגברת ולהתפשטות תאים בלתי מבוקרת לאחר מכן.

סרטן השד חיובי ל- HER2 יכול להיות אגרסיבי יותר עם נטייה גדולה יותר לגרורות (התפשטות) ולכן טיפול החוסם איתות HER2 הוא המפתח בטיפול מוצלח בסרטן כזה. הרספטין, נוגדן חד שבטי כנגד קולטן HER2, הוכח כטיפול יעיל נגד סרטן שד חיובי ל- HER2. הרצפטין פועל על ידי קשירה ספציפית לתחום החוץ -תאי של קולטן HER2 (איור 7.158). זה מונע דימריזציה של הקולטן ובכך חוסם איתות במורד הזרם. בנוסף, הקישור של נוגדן הרספטין לקולטן מאותת למערכת החיסון להרוס את התאים החיוביים ל-HER2.

BCR-ABL

דוגמה נוספת לסרטן הנגרם על ידי פגמים במסלול איתות RTK היא לוקמיה מיאלואידית כרונית (CML). לחולים עם CML יש קולטן לא תקין טירוסין קינאז שהוא תוצר של גן היברידי הנקרא bcr-abl, שנוצר על ידי שבירה והצטרפות מחדש של כרומוזומים 9 ו -22. טירוסין קינאז חריג זה מעומעם באופן מכונן, גם כאשר אין אות קשור. כתוצאה מכך, הוא מסמן ללא הרף לתאים להתחלק, מה שמוביל להתפשטות מסיבית של סוג של תאי דם הנקראים גרנולוציטים.

כמו ב-HER2, הבעיה ב-CML היא קולטן טירוסין קינאז שמתעמעם בהיעדר אות גדילה. הגישה במקרה זה הייתה למקד את השלב הבא במסלול האיתות. כידוע, דימריזציה של RTKs מפעילה את תחום הטירוסין קינאז של הקולטן, מה שמביא לאוטופוספורילציה של התחומים הציטופלסמיים של שני המונומרים. הטירוזינים הזרחניים משמשים לגיוס מספר חלבוני איתות אחרים המעבירים את האות בתוך התא.

במקרה של ה- bcr-abl RTK, התרופה Gleevec (imatinib) תוכננה להיקשר ליד האתר המחייב ATP של תחום הטירוסין קינאז. זה "נועל" את האתר בקונפורמציה המעכבת את הפעילות האנזימטית של הטירוסין קינאז ובכך חוסמת איתות במורד הזרם. ללא אות "לגדול" המועבר, התאים מפסיקים להתרבות.

עיבוד מידע: איתות

827

הרצאות ביוטיוב

מאת קווין

כאן & כאן

828

איור 7.130 - ייצוג סכמטי של חלבון קולטן טרנסממברני. E = חוץ תאי; P = קרום פלזמה; I = תאיים

ויקיפדיה

איור 7.129 - כמה דוגמאות למולקולות אות

829

איור 7.132 - פתיחת קולטן תעלת יונים מגודרת ליגנד בתגובה לאות (ליגנד)

ויקיפדיה

איור 7.131 -תכונות כלליות של מסלולי העברת אותות

830

איור 7.133 - איתות עצבי-שרירי - A = אקסון נוירון מוטורי; B = מסוף האקסון; C = שסע סינפטי; D = תא שריר; E = מיופיבריל. שלבים בתהליך - 1) פוטנציאל הפעולה מגיע למסוף האקסון; 2) שערי סידן תלויי מתח נפתחים; (3) שלפוחיות נוירוטרנסמיטר מתמזגות עם הממברנה הפרסינפטית ואצטילכולין (ACh) המשתחררים לשסע הסינפטי; (4) ACh נקשר לקולטנים פוסט-סינפטיים על הסרקולמה; (5) קשירת ACh גורמת לפתיחת תעלות יונים ומאפשרת ליוני נתרן לזרום על פני הממברנה לתא השריר; 6) זרימת נתרן על פני יוני הנתרן קרום לתא השריר מייצר פוטנציאל פעולה העובר למיופיבריל וגורם להתכווצות שרירים.

ויקיפדיה

831

איור 7.134 - מערכות עצבים

ויקיפדיה

832

איור 7.135 - מבני הורמונים סטרואידים, עם שמות הקולטנים שלהם

ויקיפדיה

הרצאות ביוטיוב

מאת קווין

כאן & כאן

833

איור 7.136 - קולטן לגלוקוקורטיקואידים עם שלושת התחומים שלו - קישור DNA (משמאל), תחום מפעיל (למעלה) ותחום מחייב ליגנד (בקופסה).

ויקיפדיה

איור 7.137 - מסלול איתות גלוקוקורטיקואידים

ויקיפדיה

834

איור 7.138 - איתות הורמונים סטרואידים

תמונה על ידי אליה קים

835

איור 7.139 - מבנה של קולטן מקושר לחלבון G

ויקיפדיה

836

איור 7.140- חלבון G הטרוטרימרי: יחידת משנה α בכחול, βγ יחידות משנה אדום וירוק

למידה אינטראקטיבית

מודול

פה

837

איור 7.141 - מחזור הפעלת חלבון G - 1) קשירת ליגנד; 2) שינוי מבנה הקולטן; 3) גירוי של תת-יחידה α; 4) קישור של GTP, שחרור תוצר; 5) הפרדה של תת-יחידה α מ- β-γ; 6) הידרוליזה של GTP על ידי תת-יחידה α וחזרה למצב לא פעיל.

ויקיפדיה

הרצאות ביוטיוב

מאת קווין

כאן & כאן

838

איור 7.142 - קולטן β2-אדרנרגי מוטבע בממברנה (אפור)

ויקיפדיה

איור 7.143 - אפינפרין

ויקיפדיה

839

איור 7.144 - קולטן מצמד חלבון G. האות מתחיל בקשירת ליגנד (עיגול כתום). Gs = חלבון G; AC = אדנילט ציקלאז.

ויקיפדיה

איור 7.145 - הפעלת חלבון קינאז A על ידי cAMP

תמונה על ידי מרתה בייקר

840

איור 7.146 - הפעלה סימולטנית של פירוק גליקוגן ועיכוב סינתזת הגליקוגן על ידי קישור אפינפרין לקולטן b-אדרנרגי. שמות אנזימים אדומים = צורות מופעלות; שמות אנזימים שחורים = צורות לא מופעלות; GpB = גליקוגן פוספורילאז b; GPa = גליקוגן פוספורילאז א.

תמונה על ידי פנלופה אירווינג

841

מתגי כיבוי איתות אדרנרגיים β

1. זנב קולטן זרחן GRK

זנב קולטן כבול על ידי ארסטין

2. α תת-יחידת חלבון G מבקעת GTP לתוצר

יחידות משנה β-γ התחבר מחדש עם יחידת משנה α

3. cAMP הידרוליזה על ידי פוספודיאסטרז

PKA הופך ללא פעיל

4. דה-פוספורילציה של חלבונים זרחניים על ידי פוספטאז פוספופרוטאין

β-איתות אדרנרגי על מתגים

1. קישור מולקולת האות לקולטן

2. מעבר אות דרך מספר מולקולות (חלבוני G, אדנילט ציקלאז, cAMP, PKA)

3. זרחון של חלבוני מטרה

842

איור 7.147 - AMP מחזורי מתפרק על ידי פוספודיאסטרז

איור 7.148 - מבנה של קולטן טירוסין קינאז

הרצאות ביוטיוב

מאת קווין

כאן & כאן

843

איור 7.149 - קשירת אותות גורמת לדימריזציה של קולטן והפעלה של פעילות טירוסין קינאז

איור 7.150 - טירוסין קינאזות מופעלות מזרחנות טירוזינים על זנבות הקולטן.

איור 7.151 -קולטן האינסולין, קולטן טירוסין קינאז

ויקיפדיה

איור 7.152 - השפעות של קשירת אינסולין לקולטן טירוסין קינאז שלו: 1) קשירת אינסולין; 2) הפעלה של מפלי הפעלת חלבון. אלה כוללים: 3) טרנסלוקציה של טרנספורטר Glut-4 לקרום פלזמה וזרם גלוקוז; 4) סינתזת גליקוגן; 5) גליקוליזה; ו 6) סינתזת חומצות שומן.

ויקיפדיה

844

למידה אינטראקטיבית

מודול

פה

845

איור 7.153 - איתות EGFR המתחיל מלמעלה עם קישור של EGF, דימריזציה של קולטן, העברת אות דרך חלבונים, הפעלת קינאזות, זרחון של גורמי שעתוק והשפעות על שעתוק

תמונה על ידי אליה קים

איור 7.154 - ראס עם GTP קשור

ויקיפדיה