Mechanismen van cellulaire communicatie

Mechanismen van cellulaire communicatie

• Cellen communiceren via chemische signalen die een fysiologische reactie kunnen opwekken

• Er zijn verschillende vormen van celcommunicatie:

  • Endocrien: Hormonen worden via de bloedcirculatie naar ander weefsel afgevoerd
  • Paracrien: De communicatie is beperkt tot cellen in de directe omgeving en gebeurt via de afgifte van chemische boodschappers, wat snelle opname, afbraak of immobilisatie veroorzaakt
  • Synaptische communicatie is een gespecialiseerde vorm van paracriene signalering waarbij neurotransmitters worden gesecreteerd in de synaptische spleet (50-100 nm) voor de overdracht van elektrische impulsen tussen zenuwcellen Neurotransmitters zijn slechts tijdelijk aanwezig en worden heropgenomen, afgebroken of geïmmobiliseerd
  • Autocrien: De cel stimuleert zichzelf door liganden die aan het celoppervlak binden, wat belangrijk is voor homeostase en de proliferatie van kankercellen
  • Homeostase is het in evenwicht houden van het inwendige milieu ondanks veranderingen in de omgeving, mogelijk dankzij interoceptie
  • Interoceptie is het vermogen om prikkels van binnenuit het lichaam waar te nemen via het zenuwstelsel
  • Proliferatie is de snelle vermenigvuldiging van cellen
  • Juxtacrien: Direct cel-cel contact via celadhesie moleculen

• Diffusie moet beperkt zijn bij paracriene en autocriene signalering om het gewenste doelwit te bereiken

Oplosbare chemische signalen

• Oplosbare chemische signalen werken in op doelcellen via receptoren aan het celoppervlak of in de cel

• Er zijn verschillende typen chemische signalen:

  • Amines, zoals epinephrine (adrenaline) en acetylcholine (ACh)
  • Peptiden/proteïnen, zoals insuline en angiotensine 2
  • Steroïde hormonen, zoals oestrogeen, cortisol en vitamine D
  • Eicosanoïden: lokaal werkende weefselhormonen gemaakt van essentiële vetzuren
  • Kleine moleculen: gassen (CO2, NO), aminozuren, nucleotiden, ionen (Ca2+)
  • Temperatuur, licht, membraan spanning, voltage

• Een ligand is een molecuul dat aan een bindingsplaats van een ander molecuul kan binden, een signaalmolecule aan een membraaneiwit

• Één ligand kan meerdere receptoren binden, wat een specifieke celrespons mogelijk maakt

• Moleculen moeten aan een receptor binden om als signaal te fungeren De meeste receptoren zijn membraangerelateerd of intracellulaire proteïnen

• Soms is de receptor zelf de effector, zoals bij ligandafhankelijke ionkanalen

• Meestal resulteert de interactie tussen een ligand en zijn receptor in de associatie van de receptor met intracellulaire effectormoleculen, die op hun beurt de cellulaire respons initiëren

• Receptoren zijn ingedeeld in vijf categorieën: ligand-geactiveerde ionkanalen, G-proteïne gekoppelde receptoren (GPCR's), katalytische receptoren, intracellulaire receptoren en receptoren die splijting ondergaan

  • Ligand-geactiveerde ionkanalen: Binding van een neurotransmitter leidt tijdelijk tot opening
  • G-proteïne gekoppelde receptoren (GPCRs): Geïntegreerde plasmamembraaneiwitten werken indirect via meerdere tussenproducten.
  • Katalytische receptoren: Activering door een ligand maakt van de integrale plasmamembraaneiwitten zelf enzymen.
  • Intracellulaire receptoren: Ligand-geactiveerde transcriptiefactoren die signalen aan genen koppelen.
  • Receptoren die splijting ondergaan: Transmembranaire eiwitten ondergaan RIP, waarbij fragmenten vrijkomen die genexpressie moduleren.

• Multi-point effect: Één molecule kan verschillende effecten initiëren

• Bijvoorbeeld: Epinephrine kan zorgen voor toename in hartritme, vasoconstrictie en glycogeenafbraak

• Second messenger systemen versterken signalen en integreren reacties tussen celtypen

Signalisatie van membraan-geassocieerde receptoren

• Stap 1: Herkenning van het signaal door de receptor via een biomoleculaire reactie
  • De binding van een ligand hangt af van zwakke, niet-covalente interacties, zoals ionbindingen, Van der Waals interacties en hydrofobe interacties
• Belangrijk: Een signaalmolecule kan binden aan meerdere soorten receptoren
• Stap 2: Transductie van de extracellulaire boodschap in een intracellulair signaal of "second messenger"
  • Ligandbinding veroorzaakt een conformationele verandering in de receptor Dit kan katalytische activiteiten triggeren of de interactie met cytoplasmatische enzymen.
  • Het finale gevolg is de generatie van een "second messenger" of de activering van een katalytische cascade
• Stap 3: Transmissie van het second messenger signaal naar de gepaste effector
  • De "second messenger" kan worden versterkt door activatie van kinases en fosforases, afgifte/isolatie van ionen of regulatie van metabolische paden voor ATP-productie
• Stap 4: Modulatie van de effector
  • Effectors zijn diverse moleculen zoals enzymen, ionkanalen en componenten van het cytoskelet
  • Second messages kunnen hun expressie, activiteit, locatie of beschikbaarheid van substraten wijzigen
• Stap 5: Antwoord/respons van de cel op de stimulus
  • Alle acties samen vormen de optelsom en integratie van de input van meerdere signaling pathways
• Stap 6: Einde van het antwoord via een terugkoppeling (feedback mechanisme)

Formules van herkenning en Coöperativiteit

• Kd-waarde is een maat voor affiniteit tussen ligand en receptor.
• IC50 waarde is de concentratie waarbij 50% van het maximale effect wordt bereikt
• Hill nummer geeft de graad van coöperativiteit weer

Direct cel-cel contact en receptortypen

• Direct cel-cel contact verloopt via juxtacriene signalen
• Gap junctions (kanaal poriën): Elke cel vormt hemiconnexonen bestaande uit 6 connexines
• Rechtstreeks contact tussen 2 hemiconnexonen = vorming connexon
• Hemikanaal = hexameer, bestaande uit 6 onderdelen en regulering van opening of sluiting
• Een gap junction is het resultaat van veel connexons bij elkaar
• Een gap junctiekanaal is de combinatie van 2 connexonen, ofwel 2x6 connexines
• Chemisch contact verloopt via moleculen tot +/- 1200-1500 Da
• Elektrisch contact vormt een gebied met lage weerstand voor geladen ionen
• Direct cel-cel contact kan ook via adhesie- en thight junctions en membraan-geassocieerde liganden
• Hetzelfde signaal kan cel-specifieke effecten hebben, afhankelijk van de aanwezige receptor
• Er bestaan 4 typen van receptoren, ingedeeld in 2 klassen
  • Lonotrope receptoren zijn ligand-geactiveerde kanalen
  • Metabotrope receptoren omvatten G-proteïne gekoppelde receptoren, katalytische receptoren en intracellulaire receptoren

Ligand-geactiveerde kanalen en G-proteïne gekoppelde receptoren

• Ligand-geactiveerde ionkanalen zetten een chemisch signaal om in een elektrisch signaal
• Ionotrope receptoren hebben een rechtstreeks effect op de ionenflow
• Nicotinic ACh-receptor (AChR) is een goed bestudeerd voorbeeld aanwezig in skeletspieren
• AChR is een kationkanaal met vier transmembranaire subunits in de verhouding 2:1:1:1
• Nicotine kan het kanaal activeren, in tegenstelling tot muscarine-houdende AChR
• Familiegelijkenissen omvatten receptoren voor ACh, serotonine, GABA en glycine, maar met andere ionenspecificiteit
• Cyclic-nucleotide-gated (CNG) kanalen worden beïnvloed door intracellulair cGMP of cAMP
• cGMP en cAMP zijn cyclische nucleotiden die als second messengers dienen; CAMP reguleert ook Ca2+ doorgifte en activeert eiwitkinases
• Metabotrope receptoren hebben zelf geen ionkanaal, maar activeren second messengers

G-proteïne gekoppelde receptoren (GPCRs)

• Via second messengers (metabolic signaling) kan activiteit worden gewijzigd
• GPCRs zijn de grootste groep receptoren, meestal monomeren met 7 transmembranaire helices (Tm)
• Ligandbindingsplaats is extracellulair, terwijl de G-proteïne bindingsplaats intracellulair is (voornamelijk S5-S6 linker)
• Algemene eigenschappen
  • G-proteïnen bestaan uit α, β en γ subunits, waarbij α en γ verankerd zijn in het plasmamembraan leaflet
  • In inactieve staat bestaan ze als heterotrimeren met een bezette guanine-nucleotide-bindingsplaats
• Er zijn heterotrimere (grote) G-proteïnen en GTP-bindende (kleine) proteïnen. GTP-bindende (kleine) proteïnen zijn ook kleine GTPases genoemd, in cytosol, homoloog aan Ga maar i.t.t. deze kan een kleine GTPase onafhankelijk functioneren als een hydrolase-enzyme om zich te binden aan een GTP om GBP te bekomen
• Ligandbinding activeert GPCR, wat GEF (guanine-nucleotide exchanging factor) activeert GEF wisselt GDP op Gα in voor GTP, wat leidt tot structurele veranderingen en dissociatie van de rest van het G-proteïne
  • De α-subeenheid (Gα) is gekoppeld aan GTP of GDP en dient als aan/uitschakelaar
  • Het βγ-complex kan zelf als signaalmolecule dienen
• GTP-bindende (kleine) proteïnen GTP hydrolyseren en omschakelen van een actieve GTP-gebonden naar een inactieve GDP-gebonden staat

Cyclus van heterotrimere G-proteïnen

• De cyclus omvat de volgende stappen:

  1. In rust koppelt de receptor met het inactieve G-proteïne
  2. Ligandbinding veroorzaakt een vormverandering
  3. Dissociatie van het G-proteïne
  4. Dissociatie van α-subeenheid en βγ-complex
  5. Interactie van de α- en βγ-subeenheden met hun effectoren
  6. α-gekatalyseerde hydrolyse inactiveert de α-subeenheid en bevordert hereniging

• Regulatie van G-protein signaling (RGS) stimuleert GTP-hydrolyse naar GDP

Effectormechanismen en eigenschappen

• Er zijn drie belangrijke effectormechanismen:
  • 1. Modulatie van adenylyl cyclase (AC) activiteit die de cAMP concentratie beïnvloedt
  • cAMP beïnvloed direct de werking van enzymen en kanalen