4.9. Receptorem zprostředkovaný přenos signálu

4.9.1 Klasické schéma

• Klasické schéma přenosu signálu je lineární: mediátor ® receptor (rozpoznávací prvek) ® transdukční prvek ® efektorový systém ® ...
• Na obrázku je zjednodušené schéma hlavních stupňů v přenosu signálu přes chemickou synapsi.
• Receptory s enzymatickou aktivitou se na synaptickém přenosu nepodílejí přímo; jejich agonisty jsou růstové faktory, cytokiny a některé hormony

Hlavní stupně synaptického přenosu signálu

4.9.2 Křížová propojení

Dnes je přenos signálu přirovnáván k 3-dimenzionální síti, v níž podráždění v jednom bodě se přenese do všech dalších. Skutečný stav může vypadat takto: adenylátcykláza je současně aktivována i inhibována; dva různé receptory mohou působit opačně na Ca²⁺-kanál; může se potencovat uvolnění Ca²⁺ z nitrobuněčných rezerv a vtok zvnějšku atd.

Na obrázku je příklad křížového propojení systémů receptor-efektor mezi receptory aktivujícími obrat fosfoinositidů a receptory spojenými s adenylátcyklázou. Aktivace fosfolipázy C vede ke generaci IP₃ (® mobilizace Ca²⁺) a DG a tedy k aktivaci proteinkinázy C (PKC). Existuje řada míst pro možnou interakci PKC a systémů regulujících produkci cAMP:

1.  fosforylace b-adrenergního receptoru vede k jeho odpojení od G_s;

2. fosforylace adenylátcyklázy způsobuje zvýšení její aktivity;

3. fosforylace G_i umožňuje inaktivaci inhibičních účinků.

Výsledný účinek závisí na rozdílech mezi podtypy G proteinů a na relativní početnosti izoenzymů proteinkinázy C.

Dalším příkladem je vzájemné ovlivnění afinity receptorů G proteiny, umožněnou relativní zaměnitelností bg podjednotek. bg komplex z G_s je velmi podobný nebo identický jako u G_i ® uvolnění bg komplexu (např. aktivací D₁ receptoru) může ovlivnit rovnováhu mezi disociovaným a nedisociovaným stavem u G_s proteinu a tím modulovat afinitu jiných receptorů (např. D₂ receptoru, a₂-adrenoceptoru).

Pozn.:

1)     Existují důkazy o tom, že downregulace (= regulace snížením počtu) b-adrenergních receptorů (jakožto obvykle pozorovaný účinek dlouhodobého podávání antidepresiv) může být zprostředkován křížovým propojením přes proteinkinázu C.

Byl identifikován membránový protein, který reguluje receptorem zprostředkovanou aktivaci G proteinu tím, že stabilizuje komplex agonista-receptor-G protein. Tento připojený kofaktor může mít úlohu ve křížovém propojení receptorů a ve vylaďování signálu.

4.9.3 Fosforylace mozkových proteinů

Reverzibilní fosforylace proteinů je pravděpodobně nejdůležitějším molekulárním mechanismem, kterým mimobuněčné signály realizují biologickou odezvu v cílových neuronech. Mezi neuromediátory, které mohou působit přes fosforylaci/defosforylaci proteinů patří např. acetylcholin, noradrenalin, dopamin, serotonin, adenosin, glutamát a další. Významná je hlavně fosforylace iontových kanálů, receptorů, enzymů zahrnutých do syntézy neuromediátorů, proteinů spojených se synaptickými váčky (synapsinů), cytoskeletálních proteinů a inhibitorů fosfatáz.

Základní pojmy:

• proteinkinázy - katalyzují přenos fosfátu z ATP na proteiny na specifické serinové, threoninové nebo tyrosinové zbytky;
• fosfatázy - defosforylují fosfoproteiny a vracejí systém do základního stavu.

Fyziologické mechanismy aktivace proteinkináz:

1. druhými posly (cAMP, cGMP, IP₃, DG, Ca²⁺, kys. arachidonová, lipidové mediátory);

2. autofosforylací proteinkináz;

3. vazbou agonistů k receptorům spojeným s proteinkinázami (obvykle s tyrosinkinázovou aktivitou, např. receptory pro růstové faktory, hormony a mitogeny).

Hlavní fyziologické funkce proteinkináz v mozku

 (podle Walaas S.I. and Greengard P.: Pharmacol. Rev. 43 (3) 299-349, 1991)

Hlavním způsobem zvýšení fosforylace je zvýšení aktivity proteinkináz, ale do regulačních mechanismů mohou být zapojeny i různé fosfatázy a změny substrátových proteinů. Řada proteinů může přitom být fosforylována více různými proteinkinázami. V CNS existují vyšší aktivity proteinkináz závislých na cAMP a na Ca²⁺ a větší počet možných substrátových proteinů, než je tomu v periferních tkáních.

A)   Proteinkinázy závislé na cyklických nukleotidech

PK závislé na cAMP

• tetramery (2 R podjednotky a 2 C podjednotky);
• hojné v mozku;
• existuje řada izoforem s různými vlastnostmi a tkáňovou distribucí;
• nejvyšší aktivity jsou v synaptických membránách a v cytosolu;
• mají širokou substrátovou specificitu;
• inaktivovány po hydrolýze cAMP fosfodiesterázou;

PK závislé na cGMP

• homodimery;
• v různých tkáních vč. mozku (vysoká aktivita pouze v mozečku);
• užší substrátová specificita než pro PK závislé na cAMP;
• inaktivovány po hydrolýze cGMP fosfodiesterázou.

B) Proteinkinázy závislé na Ca²⁺/kalmodulinu

PK II závislá na Ca²⁺/kalmodulinu

• hlavní CaM kináza v CNS;
• mechanismus aktivace: kalmodulin v přítomnosti mikromolárních koncentrací Ca²⁺ podléhá konformačním změnám a váže se k cílovému enzymu;
• přítomna ve vysokých koncentracích v mozku, hlavně v dendritech;

PK I závislá na Ca²⁺/kalmodulinu

• fosforylace synapsinů;

PK III závislá na Ca²⁺/kalmodulinu

• v pankreatu a také v mozku;
• fosforylace elongačního faktoru-2 (inhibice syntézy proteinů v ribosomech).

Proteinkinázy v mozku

(podle Walaas S.I. and Greengard P.: Pharmacol. Rev. 43 (3) 299-349, 1991)

C) Proteinkinázy závislé na Ca²⁺ a fosfolipidu (PKC)

• vysoké koncentrace v mozku;
• existuje jako řada izoenzymů;
• široká substrátová specificita;
• všechny známé izoformy vyžadují fosfatidylserin.

Mozek obsahuje řadu dalších proteinkináz, které nejsou závislé na druhých poslech a které fosforylují mozkové proteiny na serinových a threoninových zbytcích (kaseinkináza I a II, kináza 3 glykogen syntázy, proteinkinázy neurofilament, kináza basického myelinového proteinu, kináza pyruvát dehydrogenázy atd.) a dále tyrosin-specifické kinázy (třída protoonkogenních produktů a třída receptorů růstových faktorů s vnitřní tyrosinkinázovou aktivitou).

Izoformy PKC

(podle Nishizuka: FASEB J. 9, 484-496,1995)