14.3: קולטני 7-TM (מצמידים חלבון G)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 208525

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

הקולטנים 7-טרנסממברניים, או הקולטנים המצמידים לחלבון G הם, באופן לא מפתיע, משפחה של חלבונים העוברים דרך קרום התא 7 פעמים. מסוף האמינו הוא חוץ תאי ומסוף הקרבוקסיל הוא תוך תאי. האיור \(\PageIndex{2}\) מציג את האזורים הטרנסממברניים הפרוסים לבהירות, אך התחומים הטרנסממברניים למעשה נוצרים יחד בצורה גלילית יותר.

צילום מסך 2019-01-08 בשעה 1.23.17 PM.png — איור\(\PageIndex{5}\). הפעלה של רודופסין קולטן 7-TM על ידי אור.

חלבוני 7-TM משמשים כקולטנים לנוירוטרנסמיטורים כגון אפינפרין (קולטן β-אדרנרגי), אצטילכולין (קולטן מוסקריני) וסרוטונין, כמו גם הורמונים כמו גלוקגון או הורמון מגרה בלוטת התריס, ואפילו ליגנדים לא מולקולריים כגון אור! רודופסינים הם סוג של קולטני 7-TM המופעלים כאשר הם סופגים פוטון (איור). \(\PageIndex{5}\) הפעלת משפחת קולטנים זו, בין אם על ידי פוטון ובין אם על ידי קישור ליגנד קונבנציונאלי יותר, גורמת לשינוי קונפורמטיבי בתחום הציטופלזמי המשנה את האינטראקציה בין הקולטן לקומפלקס חלבון המכונה חלבון G הטרוטרימרי.

חלבון G הטרוטרימרי מורכב מתת-יחידה a, b ו-g, שתת-היחידה שלה יכולה לקשור GTP או GDP, ויכולה לבצע הידרוליזה של GTP ל-GDP. כאשר הקולטן 7-TM אינו פעיל, קומפלקס חלבון G בדרך כלל קשור בקרבת מקום לממברנה על ידי מיריסטוילציה או פלמיטוילציה של יחידת המשנה a ופרנסילציה או גרנילגרנילציה של יחידת המשנה g. ברגע שהקולטן 7-TM מופעל, הוא מתחבר לחלבון ה- G ההטרוטרימרי, מה שגורם ל- Ga לשחרר את התוצר ולהיקשר ל- GTP. לאחר מכן זה מנתק את ה- Ga משתי יחידות המשנה האחרות. לאחר מכן הוא יכול להתחבר לאנזים ולהפעיל אותו כדי להרחיב את מפל האיתות. אחת משתי דרכי הנתיב הקלאסיות מתחילה בהפעלת Ga של אדנילט (אדניליל) ציקלאז. אדנילט ציקלאז (AC) ממיר ATP ל- cAMP. מכיוון ש- ATP נמצא בשפע ו- AC הוא אנזים מהיר יחסית, קטיון האמפלי הראשון של האות מגיע עם יצירת מולקולת "השליח השני" cAMP. לאחר מכן כל מולקולת cAMP יכולה להפעיל אנזימים אחרים, כאשר העיקרי הוא חלבון קינאז A. PKA יכול לאחר מכן לזרחן מגוון מצעים כדי לשנות את הפעילות התאית על ידי ביטוי גנים, מנועים מולקולריים או שינויים מטבוליים.

צילום מסך 2019-01-08 בשעה 1.23.25 PM.png — איור\(\PageIndex{3}\). חלבון ה- G ההטרוטרימרי יכול לפעול כמפעיל מתוזמן של אדנילט ציקלאז.

המסלול הקלאסי הנוסף לקולטני 7-TM הוא הפעלת פוספליפאז Cb, גם על ידי Ga. _{PLCb מייצר למעשה שתי מולקולות שליח שניות: הוא מבצע הידרוליזה של פוספטידילינוזיטול לדיאצילגילסרול (DAG) ואינוזיטול טריפוספט (IP 3).} IP ₃ גורם בעיקר לשחרור ^{Ca 2+} מהרשת האנדופלזמית. ה- DAG יכול להפעיל חלבון קינאז C. PKC מופעל גם על ידי Ca 2+ וגם ^{Ca ²⁺} וגם DAG יכולים להפעיל PKC באופן סינרגטי. חלבון קינאז C הוא קינאז מרכזי חשוב שהוכח כמזרחן ושולט בפעילותם של אנזימים רבים אחרים מאלמנטים ציטו-שלד ועד לגורמי שעתוק.

צילום מסך 2019-01-08 בשעה 1.24.11 PM.png — איור\(\PageIndex{4}\). פוספוליפאז C מופעל על ידי חלבון G (א) חלבון ה- G אינו פעיל עם GDP קשור. (ב) עם קישור ליגנד, חלבון G קושר קולטן, מחליף תוצר עבור GTP ו- Ga מתנתק. _{(ג) GA-GTP מפעיל את PLCG, המייצר DAG ו- IP 3.} האחרון גורם לשחרור ^{Ca 2+} לציטופלזמה ויחד עם DAG מפעיל PKC.

וריאציה מעניינת ממסלולי 7-TM הקלאסיים מתחילה בקולטני הרודופסין בתאי מוט. קולטנים אלה קושרים פוטונים להפעלה, ומעסיקים חלבון G הטרוטרימרי. לאחר מכן ה-GA-GTP נקשר ליחידת המשנה g של פוספודיאסטרז (PDE), מפעיל אותו ומזרז המרה של cGMP ל-GMP. ככל ש- cGMP פוחת, תעלות יונים נסגרות, מקטבות את הממברנה ומשנות את האות מתא המוט למוח (באמצעות נוירונים מחברים).

צילום מסך 2019-01-08 בשעה 1.24.38 PM.png — איור\(\PageIndex{5}\). הפעלה של רודופסין קולטן 7-TM על ידי אור.

שליחים שניים חייבים להיות בעלי שני נכסים. הם חייבים להיות קטנים מספיק כדי להתפזר ביעילות, והתא חייב להיות מסוגל לייצר אותם במהירות. Ca ²⁺ ו- cAMP נכללים בקטגוריה זו. יתר על כן, ניתן להסיר את שניהם מהמחזור די מהר: הראשון על ידי משאבות ^{Ca 2+} במיון ובגולגי, והאחרון על ידי פעילות פוספודיאסטרז. כאשר התגלה מסלול חלבון G, השימוש בשליחים שניים של שומנים היה מפתיע. פוספוליפידים ממברנה התעלמו במידה רבה באותה תקופה כמרכיבים סטטיים פשוטים של ממברנות. כעת ברור שחלק מהפוספוליפידים פעילים ביוכימית, עם מספר אנזימים המשנים אותם, כולל פוספוליפאזים, קינאזות פוספוליפידים ופוספטאזות פוספוליפידים. לחלק מהאנזימים הללו יש מגוון פונקציות מכיוון שמצע המוצר שלהם עשוי להיות מולקולת שליח חשובה. לדוגמה, PI3K (פוספטידילינוזיטול -3-קינאז) הוא קינאז איתות מרכזי מכיוון שהמוצר שלו, PIP3 (פוספטידילינוזיטול (3,4,5) -טריפוספט) הוא מפעיל עבור Akt/PKB ואנזימים אחרים שיכולים להפעיל מספר מסלולי איתות.

צילום מסך 2019-01-08 בשעה 1.24.55 PM.png — איור\(\PageIndex{6}\). שינויים של פוספטידילינוזיטול מייצרים מינים פעילים ביולוגית שונים.

ההפעלה חייבת להסתיים בסופו של דבר, והיא עושה זאת כאשר Ga מבצע הידרוליזה של ה- GTP הקשור אליו. באופן זה, ה- Ga משמש כמעין טיימר למפל האיתות. זה חשוב מכיוון שכדי שהאיתות יהיה יעיל, עליו להיות מבוקר היטב. בשלב מוקדם מאוד בקורס זה צוין כי ^{Ca 2+} נשמר בריכוז נמוך מאוד בציטופלזמה של התא מכיוון שאנו רוצים שמנגנונים רגישים ל- ^{Ca 2+} יוכלו להגיב במהירות לזרם סידן, אך באותה מידה אנו רוצים להיות מסוגלים לכבות במהירות את האות לפי הצורך, וזה כמובן הרבה יותר קל לעשות על ידי רצף כמות קטנה של ^{Ca 2+} מאשר הרבה ממנו. באופן דומה, אם נדרשת פעילות מתמשכת של תא נמען, היא מושגת על ידי הפעלה רציפה של הקולטן ולא על ידי השפעה ארוכת טווח מהפעלה אחת. זה מבטיח שאם יש לנתק את האפקט הסלולרי בפתאומיות ובמהירות, ניתן להשיג זאת ללא תקופת פיגור משמעותית בין הפסקת הפרשת ההורמונים להפסקת האיתות התוך תאי.

הקולטן הוא חלק גם ממנגנון כיבוי אחר: כדי למנוע גירוי יתר, הקולטנים אינם רגישים לזמן קצר לאחר הפעלתם. קולטן קינאז צמוד חלבון G (GRK) פוס-פורילט את הקולטן 7-TM. הזרחון יוצר אתרי זיהוי עבור ארסטינים. לארסטינים יש מגוון פונקציות, והפשוטה שבהן היא לפעול כמעכב תחרותיFG-proteinbindingbyהקולטן. זוהי דה-סנסיטיזציה קצרה יחסית.

צילום מסך 2019-01-08 בשעה 1.25.41 PM.png — איור\(\PageIndex{7}\). (א) לאחר ש- GRK מזרחן קולטן 7-TM, ארסטין יכול להיקשר. במקרים מסוימים, מעצר יכול גם לקשור AP1 וקלתרין, (B) נוקלאטינגהפורמטיזציה שלפוחית מצופה פקלתרין ואנדוציטוזה של הקולטן (C).

לקבלת רגישות ארוכה יותר, ארסטין נקשר ל-AP2 ולקלתרין, היווצרות גרעין של שלפוחית אנדוציטית מצופה קלתרין. זה מסיר את הקולטן מפני השטח של התא, מבטל את רגישות התא לפרק זמן ארוך בהרבה מאשר תחרות פשוטה בין ארסטין לחלבון G.

למעצרים יש תפקיד פוטנציאלי נוסף. הם יכולים לפעול כחלבוני פיגום המביאים קומפלקס איתות שונה לחלוטין לקולטן 7-TM. איור \(\PageIndex{8}\) מציג דוגמה שבה הקולטן 7-TM משמש להפעלת גורם שעתוק Jun.

ה-b-arrestin מביא את AJK-1, MKKY ו-JNK-1 להפעלת JNK-1, שיכול לאחר מכן לזרחן את יוני זה מאפשר טרנסלוקציה של פוספו-ג'ון לגרעין ודימריזציה שלאחר מכן, להמיר אותו לגורם שעתוק פעיל.

מהן כמה מהפעולות הסלולריות שניתן לעורר על ידי הפעלת קולטן 7-TM? דינמיקת ^{Ca 2+} תטופל בסעיף נפרד. הוכח כי IP ₃ מעורר התכווצות של שרירים חלקים ושלד, פילמור אקטין ושינויים בצורת התא, שחרור סידן ממאגרים תוך תאיים, פתיחת תעלות אשלגן ודפולריזציה של הממברנה. cAMP היה מעורב בשליטה על פירוק גליקוגן וגלוקונאוגנזה, מטבוליזם של טריאציגליצרול, הפרשת אסטרוגנים על ידי תאי שחלות, הפרשת גלוקוקורטיקואידים וחדירות מוגברת של תאי כליה למים.

צילום מסך 2019-01-08 בשעה 1.25.51 PM.png — איור\(\PageIndex{8}\). מעניין לציין כי ארסטינים יכולים לפעול גם ליזום סוג אחר לגמרי של מפל איתות מקולטן 7-TM. כאן, גורם השעתוק של יוני מופעל.