Receptory metabotropowe

Receptory metabotropowe
Inna nazwa: G-protein coupled receptors = GPCRs
Najliczniejsze odmiany receptorów
Receptory „regulacyjne” - „brama” do
biochemicznego i metabolicznego wnętrza komórki
5.22 A neurotransmitter can affect a postsynaptic cell via two types
of receptor proteins. (Part 2)
Najważniejsze receptory metabotropowe
Muskarynowe receptory acetylocholinowe
Receptory adrenergiczne
Receptory dopaminergiczne
Receptory GABAB
Metabotropowe receptory serotoninergiczne
Metabotropowe receptory purynergiczne
Metabotropowe receptory glutamatergiczne
Receptory neuropeptydów (wszystkie są GPCRs)
np. receptory enkefalin µ, δ, κ
Receptory cannabinoidów (CB1, CB2)
Ogólny model receptora
metabotropowego
zewnątrzkomórki
Jest on homologiczny do
rodopsyny.
Pojedynczy polipeptyd
(7 transbłonowych helikalnych
segmentów.)
N
Podobną budowę mają 
adrenergiczne receptory oraz
muskarynowe receptory
cholinergiczne (mACh)
Miejsce wiążące N-T w środku
receptora (nie dotyczy to mGluR i
GABAB oraz Rec.
Neuropeptydowych).
wewnątrzkomórki
C
Sygnalizacja poprzez receptory sprzężone z białkiem G
Białko G musi „wykryć” aktywację receptora!
W zależności od typu białka G:
Aktywacja (lub hamowanie) enzymu
(jeden z czynników wzmacniających sygnał).
- 1) cyklazy adenylowej: wytwarzanie (lub hamowanie)
cAMP, ostatecznie aktywacja lub hamowanie kinazy białkowej
PKA
- 2) fosfolipazy C: tworzenie diacyloglicerolu (DAG) oraz IP3
– (IP3 uwalnia Ca2+ z magazynów śródkomórkowych), ostatecznie
aktywacja kinazy białkowej PKC
- 3) fosfolipazy A2: produkcja kw. Arachidonowego i jego
metabolitów)
- 4) cyklazy guanylowej: produkcja cGMP, ostatecznie:
aktywacja kinazy białkowej PKG
(cGMP działa głównie na kanały jonowe zależne od cyklicznych
nukleotydów)
G-protein coupled receptors
(GPCR = „metabotropowe”)
Pomimo nazwy („metabotropowe”) GPCR poprzez aktywację białka G
bardzo często modulują kanały jonowe a nie bezpośrednio „wpływają
na metabolizm”
Aktywacja białka G (GTP-binding protein) oznacza
wymianę GDP w GTP
Zaktywowane białko zmienia aktywność enzymów oraz kanałów
jonowych.
Powstają też „second messengers”
Szlaki transdukcji sygnału po aktywacji receptorów
metabotropowych
Dysocjacja białka G po zaktywowaniu
Konwersja białka G do aktywnego stanu wiązania GTP
„podmiana” GDP w GTP
Stopień aktywności GTPazowej decyduje o
charakterze danego typu białka G
„AutoGTPazowa” hydroliza GTP
Dwie drogi sygnalizacji poprzez GPCRs:
jedna „w kierunku” aktywacji PKA, druga PKC
ew. Gi
PLC = fosfolipaza C
DAG = diacyloglicerol
PKA = cAMP zależna kinaza proteinowa
PIP2=dwufosforan fosfatydyloinozytolu
CaM = kinaza zależna od kalmoduliny
i fosfatydylocholina
PIP2
(DAG) pozosteje w
błonie i aktywuje PKC
• Uwalnianie wapnia z zasobów wewnątrzkomórkowych (Ca jest tu
„trzeciorzędowym” przekaźnikiem):
• 1. Receptor IP3
• 2. Receptor ryanodinowy* (m.in. w mięśniach - aktywowany
depolaryzacją)
– (*ryanodine – roslinny alkaloid z tropikalnej rośliny Ryania speciosa
używany w mieszankach jako insektycyd)
7.7 Neuronal second messengers. (Part 3)
• cAMP → PKA
cGMP → PKG
• Inaktywacja cAMP przez cAMP fosfodiesterazę
• Inaktywacja cGMP przez cGMP fosfodiesterazę
Białka uczestniczące w
regulacji poziomu wapnia w
cytoplazmie:
Uwaga na usuwające wapń z
komórki:
1) Pompę Ca zużywającą
ATP
oraz
2) wymiennik Ca/Na
Fosfodiesteraza w transdukkcji
sygnału w pręcikach siatkówki
• PDE-5
• PDE-6 (rods)
• Rola fosfodiesteraz w mechanizmie skurczu/rozkurczu mięśnia
Sygnalizacja poprzez receptory sprzężone z białkiem G
cAMP, Ca2+, diacyloglicerol aktywują kinazy proteinowe
dla wielu różnych substratów (enzymy, kanały, białka
strukturalne, czynniki transkrypcyjne).
cAMP, cGMP, kwas arachidonowy i Ca2+ mogą też
bezpośrednio otwierać i modulować kanały jonowe.
Białka G mogą także bezpośrednio sprzęgać się z
kanałami jonowymi (tzw G-protein gated ion channels)
bez pośrednictwa „second messenger”
Cechy sygnalizacji poprzez receptory sprzężone z białkiem G
Konkretny typ receptora może łączyć się w większości tylko z
jednym rodzajem białka G
Neuron ma tylko określony podzbiór GPCR i białek G
Amplifikacja sygnału w układzie receptora typu GPCR:
1- zaktywowany receptor może aktywować wielokrotnie białko G
2- każda cyklaza adenylowa może zsyntetyzować wiele cAMP
3- każda kinaza proteinowa może ufosforylować wiele kopii
swojego substratu
„Orkiestracja” odpowiedzi komórkowej
Ten sam wtórny przekaźnik może jednocześnie aktywować liczne
i różne szlaki metaboliczne i aktywować transkrypcję genów (tzw.
„orchestrated response”.)
7.2 Amplification in signal transduction pathways.
Korzyści związane z sygnalizacją poprzez receptory sprzężone z białkiem
G (w porównaniu z szybką transmisją)
1.Amplifikacja sygnału
2.Duży zakres czasowy
1.Stosunkowo szybkie działanie poprzez modyfikację kanałów
jonowych
2.Wydłużone działanie gdy sygnał przenoszony jest na
przekaźniki wtórne do sekund lub minut
3.Duży zakres przestrzenny
1. mogą wpływać m.in. na ekspresję genów
4.„Cross talk”
1.Składniki transdukcji sygnału i ich enzymatyczne efektory
(np. kinazy) oddziałuja wzajemnie na siebie
5.Skoordynowana modulacja („orkiestracja” różnych
procesów)
Specyfika działania receptorów metabotropowych
Komórki regulują wrażliwość na agonistę poprzez zmianę
ilości receptora !
Desensytyzacja chroni system sygnalizacji przed saturacją.
-(szybka desensytyzacja) przez fosforylację receptora
- („wolna” desensytyzacja) przez endocytozę receptora
7.5 Types of GTP-binding protein.
ras
Przegląd przykładowych receptorów
metabotropowych dla różnych
neurotransmiterów
Receptory muskarynowe ACh
Dystrybucja:
1) W mózgu (dominująca rola w cholinergicznej neurotransmisji)
2) Komórki efektorowe unerwiane przez pozazwojowe neurony
układu PARASYMPATYCZNEGO (i niektóre układu
sympatycznego).
Główny mechanizm: zmiana własciwości kanałów jonowych.
Np. Kanał dla K+ w sercu, (przykład G-protein gated ion channel).
gwałtownie wzmaga przepuszczalność w odpowiedzi na
pojawienie się acetylocholiny działającej przez mAChR
Ponadto aktywacja muskarynowego receptora Ach aktywuje
hamujace białko G obniżające aktywność cyklazy adenylowej i
spadek cAMP, w rezultacie osłabienie aktywności PKA i
zmniejszenie fosforylacji kanałów wapniowych (osłąbienie
przepuszczalności) (a propos: odruch oczno-sercowy)
Antagonisci mACh: atropina, ipratropium
Receptory adrenergiczne
Receptory dla noradrenaliny, adrenaliny (obie wiążą się
do tego receptora)
 aktywują cyklazę adenylową
 hamują cyklazę adenylową.
W mózgu głównymi receptorami adrenergicznymi są 2 i
1
Adrenergiczne receptory  i  są typowymi receptorami
komórek docelowych unerwianych przez neurony
pozazwojowe autonomicznego układu sympatycznego
(z wyjątkiem gruczołów potowych i kom. Rdzenia
nadnerczy).
Receptory adrenergiczne
Różnice w dystrybucji receptorów adrenergicznych:
1 : mięśniówka większości naczyń krwion, mięsień
rozszerzający źrenicę, mięśnie pilomotoryczne
2 : CSN, płytki krwi, zakończenia obwodowych nerwów
adrenergicznych
1 : serce, CSN
2 : drogi oddechowe, macica, mięśnie części naczyń
Skutki stymulacji adenergicznej zależą od rodzaju
receptora.
Receptory adrenergiczne – punkt uchwytu
wielu leków
Agonistami receptorów R są adrenalina i noradrenalina – oraz
fenylefryna
Antagonistą receptorów R jest fentolamina (słabo wiąże też )
Agonistą receptorów  jest isoproterenol (izoprenalina)
Antagonistą receptorów  jest propranolol (selekt. bloker 1 są
metoprolol, atenolol)
Wybiórczy agonista receptorów 2 – fenoterol, salbutamol
Receptory dopaminergiczne
w corpus striatum 80%
w korze mózgowej.
5 podtypów (DA1-DA5)
D1 i D5 aktywuja cyklazę adenylową
D2, D3 i D4 hamują cyklazę adenylową.
Receptory dopaminergiczne wiążą (ale
mało swoiście) różne leki jak
bromokryptyna, haloperidol, klozapina
Receptor GABAB
Obecne są w całym CSN, niekiedy kolokalizując z jonotropowymi
receptorami GABAA.
Receptory postsynaptyczne GABAB: działanie hamujące - tzw.
„slow inhibitory postsynaptic potential” (powolna aktywacja
przewodnictwa potasowego K+)
Receptory presynaptyczne GABAB są elementem mechanizmu
autorecepcyjnego (hamowanie uwalniania N-T poprzez aktywację
kanałów K+ i hamowanie prądu wapniowego)
Agonistą GABAB jest lek baclofen.
Antagonistą GABAB jest phaclofen
Metabotropowe receptory serotoninowe:
5-HT(1,2,4,5) (Uwaga! 5-HT3 jest jonotropowy)
W mózgu: jądro szwu (n.raphae) w pniu mózgowym
Dzielą się na podtypy 5-HT1,2,4,5
Receptory są sprzężone z cyklazą adenylową (pobudzając ją lub
hamując)
5-HT bierze udział w modulacji rytmów dobowych, jedzenia,
podwyższa ciśnienie krwi.
Receptory 5-HT1A oraz 5-HT1B są głównie autoreceptorami i ich
aktywacja w mechanizmie ujemnego sprzężenia zwrotnego
hamuje uwalnianie serotoniny przez neurony raphe.
Agoniści 5-HT1A oraz 5-HT1B obniżają lęk i agresję u myszy
(wpływ na emocjonalne mechanizmy w których bierze udział
serotonina). Z kolei myszy pozbawione tych receptorów są
bardziej „lękliwe” i bardziej agresywne.
Metabotropowe receptory purynergiczne
Wiążą ATP, inne analogi nykleotydów i adenozynę
Receptory adenozynowe oznacza się nazwami: A1, A2a, A2b, A3
ich antagonistą jest kofeina
Aktywacja receptora A1 (licznego w mózgu) hamuje cyklazę
adenylową i powoduje wzrost fosfolipazy C.
Pozostałe receptory również działają poprzez te enzymy ale w
różny sposób
Receptory ATP oznacza się literą: P2(x,y,z,t,u) (ale z nich P2x i
P2z są jonotropowe)
.
Glutaminergiczne receptory metabotropowe
Typy mGluR
Grupa I
(mGluR1,
mGluR5)
Grupa II
(mGluR2, -3)
Uwagi
aktywacja fosfolipazy C (wzrost IP3 i DAG),
działają aktywująco
- zahamowaniem cyklazy adenylowej (spadek
poziomu cAMP), działają hamująco,
- także zahamowanie kanałów Ca2+
Grupa III
Mechanizm działania podobny do grupy II,
(mGluR4, -6, - zlokalizowane bliżej centrum synapsy niż
7, -8)
recept.gr.II,
Antagoniści*
MPEP
(penetruje do
mózgu,
niekompetc.)
Bez
znaczenia
leczniczego
Nie ma selekt.
i penetr. do
mózgu
*Generalnie brak selektywnych agonistów i antagonistów dla mGluR.
Glutamatergiczne receptory
metabotropowe typ I
Receptory związane z białkiem G,
aktywującym fosfolipazę C,
Obecne są we wszystkich strukturach
mózgu;
Występują też pozamózgowo w
automicznym ukł. nerwowym, w sercu,
jelitach, kościach;
Modulują aktywność neuronów i regulują
uwalnianie GLU
.
Receptory dla (neuro)peptydów
Bardzo liczna rodzina – (żadne nie są kanałami jonowymi)
Typu „metabotropowego” – (GPCRs)
Lub
Sprzęgnięte z kinazą tyrozynową
Przykładowe receptory:
Receptory opioidów (wszystkie metabotropowe): µ, δ, κ
Przykłady leków działających poprzez receptory peptydowe:
loperamid - agonista opioidowego receptora µ (lek przeciwbiegunkowy,
podawany obwodowo może mieć także działanie przeciwbólowe?)
trimebutina – (Debridat) nieswoisty agonista receptorów opioidowych lek w zaburzeniach perystaltyki (pobudzając) w zespole jelita drażliwego
loxiglumid – antagonista receptora CCK-A wywołuje uczucie głodu,
może być też użyty w leczeniu refluksu (tzw. „GERD”)
Transdukcja sygnału z
receptorów metabotropowych
Wtórne przekaźniki
• Bardzo istotne elementy sygnalizacji
receptorów metabotropowych
Ważniejsze wtórne przekaźniki
cAMP-zależna kinaza białkowa (PKA)
neurotransmisja poprzez aktywację adenylocyklazy i cAMP,
fosforyluje reszty Ser/Tre
-Regulacja ekspresji genów poprzez [cAMP
response element-building protein] = CREB
-Regulacja syntezy katecholamin (poprzez hydrolazę
tyrozyny)
-Regulacja MAP-2 (microtubule associated protein)
-Regulacja przewodnictwa błonowego (kanały K+)
-Regulacja czułości receptora AMPA
PKA
4 molekuły cAMP
Tetramer
Ca2+-Kalmodulinozależna kinaza białkowa:
Wielofunkcyjna kinaza białkowa CaMII
dekoduje wszelkie sygnały które podwyższają poziom Ca2+
-Fosforyluje hydrolazę tyrozyny, MAP-2, synapsin, kanały
wapniowe, receptory glutaminianowe, Ca2+-ATPase, czynniki
transkrypcyjne,
-Kinaza CaMII jest aktywowana wapniem niezależnie od jego
źródła
-Jest szczególnie obfita w neuronach (nawet 2% wszystkich
protein w hipokampie tj. 50x więcej niż w innych tkankach )
-Autofosforylacja jest jedną z najistotniejszych cech CaMII.
Powoduje 400x wzrost powinowactwa do kalmoduliny i w
efekcie aktywność CaMII trwa wiele sekund po spadku
poziomu wapnia !
PKC (kinaza proteinowa C)
(główny cel systemu sygnałowego PI)
-PKC to kolektywna nazwa dla rodziny kinaz łączących się z
sygnalizacją przez PI i fosforylujących reszty Ser/Thr
-PKC aktywowana przez diacyloglicerol (DAG) i Ca2+.
-Kinazy PKC są monomerami „kotwiczone” do różnych
miejsc przez tzw. anchoring proteins
-Do jej substratów należą liczne białka regulacyjne cyklu i
wzrostu komórki oraz m.in. kanałów jonowych i receptorów
takich jak NMDA i AMPA
-W nowotworach PKC jest stymulowana nietypowo przez
estry forbolu (promotory nowotworowe), które symulują
działanie DAG.
PKA, PKC, CaMKII są tzw. „ kinazami kognitywnymi”
-PKA, PKC, CaMKII podlegają trwałym zmianom aktywności nie
ustępującym nawet po zaniknięciu stymulującego je sygnału (wtórnego
przekaźnika)
Jest to rodzaj „pamięci”
-Kinazy te modulują aktywność synaptyczną
zdarzenia, jakim była
długotrwała impulsacja
serotoninergiczna
PKA
Po długiej stymulacji np.
serotoninergicznej
aktywne pojednostki C dostają się
do jądra gdzie stymulują syntezę
genów proteinaz (fosforylacja CREB) dla
podjednostki R co powoduje
trwałe wydłużenie aktywności PKA
Transkrypcja genów zależna od
aktywacji receptorów
metabotropowych
• Rola czynników transkrypcyjnych CREB (cAMP
response element-binding)
• Czynniki transkrypcyjne trwale związane z
elementami regulacyjnymi genów.
• Rozsiane sekwencje regulatorowe genu
rozpoznawane przez czynniki transkrypcyjne
– Czynnik transkrypcyjny CREB (dimery)
aktywowany przez aktywną podjednostkę PKA,
– Czynniki transkrypcyjne takie jak np. CREB trwale związane z regulacyjnymi cis-elementami
DNA - CRE (cAMP response elements) i obecne
w wielu genach
• CRE maja sekwencję
palindromiczą typu:
• TGACGTCA
• ACTGCAGT
Receptory z aktywnością kinazy
tyrozynowej – kolejni ważni gracze
w sygnalizacji – partnerzy innych
receprtorów
PKTyr (Tyrozynowa kinaza proteinowa)
Dwie klasy PKT
1) receptorowe (błonowe)
2) cytoplazmatyczne
-Receptorowe PKT –
- transdukcja licznych czynników wzrostu, regulacja cyklu oraz
różnicowanie komórki
- Cytoplazmatyczne PKT-te same procesy lecz bez udziału receptora
Znaczenie:
- fosforylacja tylko tyrozyny (mniejsze prawdopodobieństwo
„błędnej” (przypadkowej) proteiny.
-fosfotyrozyna wywołuje znacznie większe zmiany konformacyjne
białka niż fosforylacja Ser/Thr
-Stężenie kinaz tyrozynowych i ich substratów jest znacznie
mniejsze w stosunku do pozostałych kinaz.
Aktywacja ekspresji genów poprzez CREB: możliwość
KONWERGENCJI sygnału
NMDAR, L-VGCC
Dodatek
• Receptory z aktywnością kinazy
tyrozynowej i ich znaczenie w medycynie
• Hamowanie receptora c-KIT kinazy
tyrozynowej jest wykorzystywane w
leczeniu nowotworów:
– przewlekłe białaczki
– nowotwory stromalne („zrębowe”) przewodu
pokarmowego – lek: imatinib
– Złośliwych glejaków
• Znaczna część GBM wykazuje
amplifikację receptora nabłonkowego
czynnika wzrostu (EGFR) mającego
cechy PKTyr
• ponadto w części przypadków
pojawia się konstytutywnie
zaktywowany zmutowany wariant
EGFRvIII.
panitumumab
lapatinib
Loew s. et. Al.. The Epidermal Growth Factor Receptor as a Therapeutic Target in Glioblastoma
Multiforme and other Malignant Neoplasms Anti-Cancer Agents in Medicinal Chemistry, 2009, 9, 703-715
Aspekty medyczne: Ekscytotoksyczność
• Uszkodzenie/śmierć komórek na skutek
nadmiernego pobudzenia spowodowanego
glutaminianem (główny nurotransmiter
pobudzający)
• Zasadnicza rola receptorów NMDA
(przepuszczających m.in. Jony wapnia)
• Jony wapnia wnikające w nadmiarze do komórki
aktywują enzymy (fosfolipazy, proteazy,
endonukleazy) uszkadzające i niszczące komórkę.
• Liczne schorzenia, w których stwierdzono lub
podejrzewa się istotną rolę mechanizmów
ekscytotoksycznych
Schorzenia, w których stwierdzono lub
podejrzewa się istotną rolę mechanizmów
ekscytotoksycznych
Udar (niedokrwienie) mózgu
Otępienie naczyniopochodne (multi-infarct)
Uraz mechaniczny mózgu i rdzenia
Padaczka (zwł status epilepticus)
Choroby zwyrodnieniowe
ch. Alzheimera, ch. Parkinsona, stwardnienie
zanikowe boczne (ALS), pląsawica Huntingtona
Rasmussen encephalitis
Stwardnienie rozsiane
Schizofrenia
Glutaminian jako smakołyk
• Umami – nazwa smaku nadana przez Ikeda –
związana z monosodium glutamate
• Kwas glutaminowy odkryty w wywarze z
wodorostów (brunatnic) morskich zw. Kombu
przez prof. Ikeda z Uniw. W Tokio 1907,
• Ikeda opatentował wytwarzanie monosodium
glutamate (MSG, glutaminian jednosodowy) jako
„usmaczniacza”
GLU w niedokrwieniu (niedotlenieniu)
Czynnikiem uwalniającym GLU może być:
utrata zasobów energetycznych przez komórki, spadek produkcji ATP w
mitochondriach ?
zaburzenie działania pomp jonowych
Wzrost GLU pozakomórkowego
Aktywacja receptorów
Napływ jonów Ca2+ do komórek
Aktywacja syntazy NO i innych enzymów (fosfolipaza A2)
Wzrost wolnych rodników
GLU 100-500 mikromoli/L prowadzi do martwicy w hodowli
neuronów
GLU 20 mikromoli/L prowadzi do ich apoptozy
Eksperymentalny bloker NMDA MK-801 (dizocilpine)
zmniejsza uszkodzenie poischemiczne,
pohipoglikemiczne i pourazowe
Podobne działanie (i mechanizm) ma nimodypina
Niestety, blokery receptorów GLU mają działania uboczne
(represja normalnej neurotransmisji)
Stwardnienie boczne zanikowe
(ALS, chor. Lou Gherig)
W części przypadków ALS opisano zaburzenia białek
transporterowych EAAT1-2
Wykazano przy pomocy spektroskopii MRI wzrost GLU+GLN w
opuszce chorych na ALS
Riluzol (Rilutek) – lek blokujący uwalnianie GLU wydłuża
przeżycie chorych z SLA
Rasmussen encephalitis
Stwierdzono obecność przeciwciał z krwi obwodowej przeciwko
podjednostce GluR3 receptora AMPA co ma prowadzić do
uszkodzenie ekscytotoksycznego neuronów kory mózgu (Rogers
SW i wsp. Science 265, 648-651, 1994; He XP i wsp. Neuron, 20,
153-163, 1998)
Stwierdzono również obecność p-ciał przeciw białku synaptycznemu
Munc-18 co prowadzi do zaburzonego przewodnictwa (Yang R i
wsp. Neuron, 28, 375-383, 2000)
Zapalenie mózgu Rasmussena:
autoagresja przeciw receptorowi GluR-3 ?
•
•
•
•
Opis typowego przypadku:
Dziewczynka - Padaczka od 3 r.ż
Niedowład
Obniżone cechy intelektualne (ale chodzi do
szkoły)
• Cechy zaniku półkuli
• Obecnie - przebieg 13 lat
• Neuropatologia:
– „typowe” zmiany patologiczne mózgu, takie jak
nacieki limfocytarne i grudki mikroglejowe itp.
– Lecz także z cechami zaburzeń budowy kory (MCD)