Ugrás a tartalomhoz

Az orvosi élettan tankönyve

Attila, Fonyó (2011)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

5. fejezet - Jelzőmolekulák, receptorok és jelátvitel (szignáltranszdukció)

5. fejezet - Jelzőmolekulák, receptorok és jelátvitel (szignáltranszdukció)

A sejtek életét – keletkezés, proliferáció, differenciálódás, gének expressziója, anyagcsere, alak- és helyváltoztatás, elektromos változás, sejten belüli átrendeződés, specifikus működés, programozott pusztulás – a szervezetből származó jelzőmolekulák (szignálmolekulák, mediátorok) kezdeményezik és irányítják. Egyszerűsítve: a vörösvérsejtek kivételével minden sejtünk élete és működése mediátorok állandó ellenőrzése alatt áll. A jelzőmolekulák vagy helyi eredetűek, vagy távolról jutnak el a sejtekhez. A jelzőmolekula megjelenését és felismerését a jelátvitel (szignáltranszdukció) folyamata kapcsolja a felsorolt sejtválaszokhoz. Ez a fejezet a jelfelismerés és jelátvitel lehetőségeinek rövid összefoglalását adja; maguk a jelzőmolekulák, jelfelismerési és jelátviteli folyamatok azonban visszatérnek a könyv csaknem valamennyi további fejezetében is.

Extracelluláris jelzőmolekulák

A szövetekben rögzített információs molekulák

A szövetek sejtjei számára jelzést jelenthetnek a szomszédos sejtek felszíni makromolekulái: érintkező sejtek esetében a plazmamembrán felszíni integráns membránfehérjéi ismerik fel egymást, és ezt követően – többnyire kölcsönösen – jelátviteli folyamatokat indítanak meg. Jelzést azonban nemcsak a szomszédos sejt, hanem a sejtközötti állomány, a strukturált extracelluláris mátrix makromolekulái, mint pl. a kollagének és a fibronektin is jelenthetnek. A jelzés az extracelluláris fehérjemolekulák rövid peptidrészlete, a néhány szomszédos aminosavból álló információs motívum, ennek felismerését követően indulnak meg a jelátviteli folyamatsorok.

Mobilis információs molekulák (mediátorok)

A sejtek közötti hírközlés (kommunikáció) az esetek legnagyobb részében az egyes sejtekből felszabaduló hírvivő molekulákkal folyik, amelyek a közvetlen közelükben vagy a távolabb lévő sejtekre hatva szabályozzák azok működését. A leadott hírvivő molekulákat összefoglaló néven mediátoroknak nevezzük.

Parakrin és autokrin jelzőmolekulák

A keletkezési helyük környezetében maradó jelzőmolekulákat parakrin szekrétumoknak nevezzük; ezek közé tartoznak a különböző növekedési faktorok, a citokinek és a kemokinek (a kemotaktikus citokinek összevonásából származó elnevezés), az endotheliumból felszabaduló értágító és érszűkítő hatású anyagok, az arachidonsavból keletkező és a lokális szabályozásokban szereplő eikozanoidok (prosztanoid vegyületek, leukotriének), a hisztamin stb. A parakrin szekrétum a közelben lévő, receptorral rendelkező sejtek számára hordoz üzenetet. Előfordul azonban, hogy a parakrin szekrétum olyan nagy mennyiségben képződik, hogy a véráramba kerül, és távoli szervekben is még hatásos koncentrációban jelenik meg. (Erre jellemző példa az immunsejtek által termelt citokinek szekréciója: ezek általában csak a közeli sejteket aktiválják, de ha a szekréciós inger erős, akkor a véráram útján elárasztják az egész szervezetet, és elérve a központi idegrendszert, lázat okoznak.) A parakrin szabályozás egyik különleges fajtája az autokrin szabályozás: a sejt által szecernált szabályozó molekula magának a szecernáló sejtnek a működésére hat.

Itt említünk meg néhány olyan molekulát (esetenként molekularészletet), amelyek lényeges információt hordoznak, de nem szekréciós termékek. A 26. fejezetben részletesen ismertetjük, hogy a szervezetbe kerülő mikroorganizmusoknak jellemző alkotórészeik vannak, amelyek gerinces szervezetekben nem fordulnak elő: ezek az alkotórészek (patogénekhez asszociált molekuláris mintázatok) a védekező rendszer sejtjei számára jelzést jelentenek, és jelátviteli folyamatokat indítanak meg. Információt hordozó molekulák keletkeznek a vérben is: ezek között itt a trombin nevű alvadási fehérjét, proteolitikus enzimet említjük meg, amely – egyéb hatásai mellett, l. a 27. fejezetet – egyes sejtek számára információt hordoz.

Hormonok

A hormonok specifikus szecernáló endokrin sejtekből a vérkeringésbe kerülő szabályozó molekulák, amelyek távoli célsejtekre hatnak. Az endokrin sejtek tömörülhetnek kompakt endokrin mirigyekbe (pl. pajzsmirigy, adenohypophysis), de különböző szervek (pl. gyomor-bél rendszer) állományában szétszórva is előfordulhatnak. A parakrin és az endokrin szabályozás közti határ nem éles. A távolból érkező hírvivők ugyan többnyire hormonok, de – amint a fentiekben említettük – távolból érkező hírvivők lehetnek esetenként a parakrin szekrétumok is.

Neurotranszmitterek és neurohormonok

Az idegi szabályozásban az egyes idegsejtek neurotranszmitterek leadásával jeleznek egymásnak vagy a végrehajtó (effektor) funkciójú sejteknek (izom- vagy mirigysejtek). A neurotranszmitterek túlnyomó többsége csak az idegvégződéssel közvetlenül érintkező, szinaptikus kapcsolatban álló sejtek számára közvetít információt (l. a 6. fejezetet). (A központi idegrendszeren belül előfordulnak olyan neurotranszmitterek, amelyek a szinapszison kívül is mediátorként szerepelnek.) Az idegsejtek hormonokat is szecernálhatnak, amelyeket neurohormonoknak nevezünk (pl. CRH, TRH): maga a folyamat a neuroszekréció.

Multifunkcionális mediátormolekulák

A jelzőmolekulák közül elsőként a hormonokat ismerték fel. Ezt csak évekkel később követte az első neurotranszmitter, az acetil-kolin (ACh) felfedezése. A hormonokat és a neurotranszmittereket hosszú ideig mereven elkülönítették. A továbbiakban azonban kiderült, hogy egyes – bár különböző sejtekből felszabaduló – mediátorok különböző funkciókban szerepelnek. Így pl. az idegvégződésekből felszabaduló noradrenalin neurotranszmitter, ugyanez a mellékvese velőállományából felszabadulva általános hatású hormon; a szomatosztatin eredetileg a hypothalamus neurohormonjaként felfedezett peptid, az idegrendszerben neurotranszmitter, más helyeken pedig (pl. a gyomorban, bélben, pancreasban) parakrin mediátor. A továbbiakban más hormonokról (pl. gasztrin, kolecisztokinin stb.) is bebizonyosodott neurotranszmitter funkciójuk. Az evolúció során a hírközlés viszonylag szűk mediátormolekula-spektrummal alakult ki, a hatásspecificitásról a célsejtek jelfelismerő és jelközvetítő rendszere gondoskodik.

Receptorok

A mediátorok az információt kémiai szerkezetükben hordozzák: ezt a kódolt üzenetet egy felismerő fehérjemolekula, a receptor veszi fel. A receptorok nagy affinitással és reverzíbilisen kötik a mediátormolekulát; a biológiai választ a mediátor receptorhoz kötődése váltja ki. A mediátor megkötésének hatására a receptorfehérje addigi szerkezete megváltozik: a szerkezetváltozás jelenthet konformációváltozást, vagy addig különálló receptoralegységek nem kovalens kapcsolódását (pl. dimerizálódást). (Egyes esetekben a mediátor proteolitikus enzim, és a hatására a receptoron bekövetkező proteolízis indítja meg a konformációváltozást.) Minden további jelátviteli (szignáltranszdukciós) lépés a receptor szerkezetváltozásának következménye. A szignáltranszdukció teszi a mediátor üzenetét a sejt számára értelmezhetővé. A specifikus sejtválasz a sejtben/sejten lévő receptor típusától és az ehhez a receptorhoz csatlakozó jelátviteli folyamattól függ.

A receptorok kivétel nélkül fehérjék, amelyeket gének kódolnak, a gének expresszióját pedig transzkripciós faktorok irányítják. Egyes sejtekre jellemző, hogy – ép körülmények között – bizonyos receptorok (pl. idegsejtekben neurotranszmitter-receptorok) a differenciálódás adott szakaszát követően állandóan kifejeződnek. Ez teszi lehetővé a sejt folyamatos funkcióját, legyen az akár idegműködés, akár izomműködés. Más sejtekben azonban – ilyenek a nagy proliferatív potenciállal rendelkező sejtek, immunsejtek, endothelsejtek, bizonyos endokrin sejtek – egyes receptorok expressziója csak meghatározott külső szignálmolekula hatására indul meg (5-1. ábra), és csak addig tart, ameddig ez a szignálmolekula jelen van. A transzkripció megindítása és felfüggesztése az alapja a rendszer működésének, amelynek részleteivel a továbbiakban a szervezet védekező reakcióinak ismertetésénél találkozunk.

5-1. ábra . Jelzőmolekulával indukált receptorexpresszió

Agonista és antagonista ligandok

A receptorhoz specifikusan kötődő és biológiai hatással rendelkező, bármilyen eredetű (endogén, állati, növényi vagy szintetikus) molekulát ligandnak nevezzük. A receptor valamely ligand iránti affinitását a Kd-érték, az a ligandkoncentráció jellemzi, amely mellett a jelen lévő receptormolekulák fele kötötte meg ligandját. A ligandok közül az agonista ligandok kötődésükkel aktiválják a receptort, és megindítják a jelátalakítást; közéjük tartoznak a szervezetből származó, természetes mediátorok, továbbá a farmakológiai agonisták, amelyek vagy más élő szervezetből származnak, vagy kémiai szintézis termékei, és többé-kevésbé utánozzák a fiziológiás ligand hatását.

Az antagonista ligandok a receptoron megkötődve gátolják az agonisták hatását. Endogén antagonisták előfordulása kivételes, azonban sok farmakológiai antagonista képes receptor szinten gátolni mind a fiziológiás, mind a farmakológiai agonisták hatását. A kompetitív antagonisták az agonista ligand kötőhelyéhez kapcsolódnak, ezzel megakadályozzák az agonisták hatását, de önmagukban nem aktiválják a receptort. Hatásosságuk az agonista és az antagonista ligandok arányától függ. A nem kompetitiv antagonisták a receptor más helyéhez kötődnek, mint az agonisták, ezért az agonista koncentrációjának növelésével a gátlás nem függeszthető fel.

A receptorok természetes agonistái

A receptorok nemcsak fiziológiás ligandjaikkal reagálhatnak, hanem a szervezeten kívüli, növényi, mikrobiológiai vagy szintetikus hatóanyagokkal is, amelyek közül egyesek mérgek (pl. sztrichnin, nikotin), mások gyógyításra szolgáló hatóanyagok, ismét mások pedig élvezeti cikkek vagy tudatmódosító drogok (morfin, heroin, kokain, kannabinoidok). Ezek a hatóanyagok a szervezet fiziológiás mediátorainak helyére kapcsolódnak, és a receptorból kiinduló pályán keresztül hatnak.

A receptor ligandkötését követő állapotváltozások

A receptormolekulák – némi egyszerűsítéssel – két, reverzíbilisen egymásba alakuló állapotban létezhetnek, az alapállapotot R, a jelátvitelban aktív állapotot R* szimbólummal jelezzük:

Ligand (L) nélkül a reakció mindkét irányban igen lassú (a kivételt l. alább). Az agonista ligandot az jellemzi, hogy serkenti az R* állapot kialakulását. A konformációszelekciós elmélet szerint az agonista ezt úgy hozza létre, hogy nagy affinitással kötődik az R* állapotú receptorhoz:

A reakció lényegesen nagyobb sebességgel megy végbe balról jobbra (az LR*képződés), mint jobbról balra (az L + R* képződés) irányában; ezért agonista L jelenlétében az LR* állapotban lévő receptor mennyisége nő, a receptor aktiválódik, megindul a jelátvitel. A receptoraktiválódás ligandindukciós elmélete szerint az agonista kötődése hozza létre („indukálja”) az R*állapot kialakulását. Valószínűleg a természetes receptoraktiválódásért e két mechanizmus kombinálódása felelős. A szabadon maradó mediátormolekula eltűnésével (diffúzió, lebomlás) az aktivált receptorról disszociál az agonista ligand, a receptor ezért visszakerül az eredeti inaktív formájába.

A konformációszelekciós elmélet neutrális antagonistának nevezi azt az antagonistát, amely azonos affinitással kötődik az R és az R* állapotú receptorhoz, ezért nem is változtatja meg a kettő arányát, viszont gátolja az agonisták hatását. Inverz agonistának nevezi azokat az antagonistákat, amelyek nagyobb affinitással kötődnak az inaktív receptorhoz, ezáltal az egyensúly az inaktív állapot irányába tolódik el. A legtöbb receptor esetében a receptor nyugalmi („spontán”) aktivitása minimális, és ezért a neutrális antagonista és az inverz agonista egyaránt gátlószerként viselkedik. Egy receptorműködési hiba, az ún. konstitutívan aktív receptor esetében a neutrális antagonista és az inverz agonista elkülöníthető. A – gyakran genetikai okból létrejövő – konstitutívan aktív receptor agonista ligand nélkül is teljesen vagy részlegesen aktív állapotban van (az R ↔ R* egyensúly az R* állapot irányába tolódik el). A hibás receptorok aktivitását a neutrális antagonisták nem befolyásolják, viszont a receptor inaktív állapotát stabilizáló inverz agonisták gátló hatásúak.

Azonos mediátorral működő eltérő receptorok

Sok fiziológiás mediátormolekula [pl. ACh, glutamát, gamma-aminovajsav (GABA), szerotonin, ATP stb.] többféle, egészen eltérő szerkezetű, elhelyezkedésű és funkciójú receptort képes aktiválni. Ez annak a ténynek a következménye, hogy az evolúció során jóval nagyobb receptorspektrum alakult ki, mint ahány mediátor. Eltérő, de azonos mediátorral működő receptorok létezésére először farmakológiai kísérletekben, mesterséges agonista és antagonista ligandok alkalmazása során következtettek. Így a neurotranszmitter acetil-kolin (ACh) egyes hatásait nikotin, míg más hatásait az Amanita muscaria nevű mérgező gombából előállított toxin, a muszkarin utánozza: az eltérő hatásokat nikotin-, illetve muszkarinszerű hatásokként ismerjük. A muszkarinszerű hatásokat specifikusan gátolja az atropin nevű növényi eredetű hatóanyag; az atropinnak semmilyen hatása nincs a nikotinszerű hatásokra. Ezek a megfigyelések vezettek el a nikotinos, n-ACh- és a muszkarinos, m-ACh-receptorok felfedezéséhez. Az n- és az m-ACh-receptorok teljesen különböző szerkezetű integráns membránfehérjék; ezen túlmenően mind a nikotinos, mind a muszkarinos ACh-receptorok heterogének, több izoformájuk van.

A receptorok osztályozása

A mediátorok egy része lipidoldékony (hidrofób), képes átjutni a plazmamembránon, és hatását intracelluláris receptorhoz kötődve fejti ki. A mediátorok többsége vízoldékony (hidrofil), nem jut át a plazmamembránon, ezek a célsejtek membránjában receptorokhoz kötődnek, a jelátvitel innen indul ki, és hozza létre a sejtválaszt. [Néhány lipidszármazék hidrofób mediátor, pl. a prosztanoidok (prosztaglandinok, prosztaciklin) és az endokannabinoidok (anandamid, 2-arachidonoil-glicerin) is plazmamembrán-receptorhoz kötődve hatnak.] A receptorok osztályozását az 5-1. táblázat tartalmazza.

4.10. táblázat - 5-1. táblázat . A receptorfehérjék osztályozása

Receptortípus

Jellemző tulajdonságok

Mediátortól függő intracelluláris transzkripciós regulátorok

Nukleáris receptor szupercsalád:

DNS-kötő doménnel rendelkeznek

Transzmitterrel szabályozott ioncsatornák*

Oligomer fehérjék,

az alegységek két vagy több transzmembrán szakasza fog körül egy központi csatornát

7-TM fehérjék*

G-fehérjéhez kapcsolódó receptorok

Egyetlen transzmembránszakasszal rendelkező receptorok

Enzimaktivitásuk van (guanilát-cikláz, tirozinkináz, szerin-/treoninkináz),

Nincs enzimaktivitásuk, közvetlenül kapcsolódnak intracelluláris tirozinkinázhoz


* Több olyan mediátor van (pl. acetil-kolin, GABA, glutamát), amelyek – célsejttől függően – transzmitterrel szabályozott ioncsatornához és 7-TM fehérjéhez is képesek kötődni, és a jelátvitelt megindítani. A szabályozott ioncsatornát ionotrop, a 7-TM receptort metabotrop receptorként említjük

Intracelluláris receptorokhoz kapcsolódó jelátvitel

A pajzsmirigy- és a szteroidhormonok, egyes vitaminszármazékok, egyes anyagcseretermékek, továbbá néhány, a környezetből származó testidegen anyag (xenobiotikumok) hidrofób molekulák, átdiffundálnak a plazmamembrán lipidkontinuumán, és intracellulárisan reagálnak receptorukkal. Maguk az intracelluláris receptorok szerkezetileg hasonlóak, a nukleáris receptorszupercsaládba tartoznak (5-2. táblázat).

A nukleáris receptorok a magon kívül, a riboszómákon szintetizálódnak, a szerkezetükben lévő nukleáris lokalizációs szignál irányítja a molekulát a mag belsejébe. A legtöbb nukleáris receptor, függetlenül attól, hogy kötött-e ligandot vagy sem, a mag belsejében található. Kivételt képez a glukokortikoid-receptor, amely ha nem kötött hormont, kísérő fehérjék („chaperonfehérjék, chaperonok”, főként az ún. hősokkfejérje, HSP) kíséretében a citoplazmában található, a hormon megkötését követően disszociál a fehérjétől, és a rajta lévő lokalizációs szignál a mag belsejébe irányítja.

4.11. táblázat - 5-2. táblázat. Nukleáris receptorok és ligandjaik. „Klasszikus” hormonok nukleáris receptorai

Hormon

Receptor

Pajzsmirigyhormon

Pajzsmirigyhormon-receptor α és β (TRα és TRβ)

Ösztrogénhormonok

Ösztrogénhormon-receptor α és β (ERα és ERβ)

Tesztoszteron

Androgénreceptor (AR)

Progeszteron

Progeszteronreceptor (PR)

Aldoszteron

Mineralokortikoid-receptor (MR)

Kortizol

Glukokortikoid-receptor (GR)


Vitaminszármazékok nukleáris receptorai

4.12. táblázat -

Vitaminszármazék

Receptor

1,25-(OH)2-D3-vitamin

D-vitamin-receptor (VDR)

Csupa-transz-reténsav

Reténsavreceptor α, β és γ

9-cisz-reténsav

Retinoid-X-receptor α, β és γ (RXRα, RXRβ és RXRγ)


Anyagcsere-intermedierek és -produktumok nukleáris receptorai

4.13. táblázat -

Vegyület

Receptor

Oxiszteroidok

X-receptor α és β (LXRα és LXRβ) (máj)

Epesavak

Epesavreceptor (BAR)

Zsírsavak

Peroxiszóma-proliferátor aktivált receptor α, β és γ (PPARα, PPARδ/β és PPARγ)


Egyes, a külvilágból származó anyagok (xenobiotikumok) nukleáris receptorokra hatva fejtik ki hatásaikat

A receptorok specificitása szűk, de nem abszolút: a progeszteronreceptor csak progeszteront, az ösztrogénreceptor azonban ösztront és ösztradiolt, az androgénreceptor tesztoszteront és dihidrotesztoszteront is köt. Az azonos hatású hormonok azonban eltérő affinitással kötődnek a receptorhoz: így az ösztrogénreceptor nagyobb affinitással köti az ösztradiolt, mint az ösztront, az androgénreceptorok többsége pedig nagyobb affinitással köti a dihidrotesztoszteront, mint a tesztoszteront. A glukokortikoid- és a mineralokortikoid-receptor ligandspecificitását a 15. és 30. fejezetekben ismertetjük. A nukleáris receptorok a természetes ligandjuk mellett további természetes és szintetikus ligandokat is kötnek, ezek biológiai hatásossága eltérhet a természetes ligandétól.

A nukleáris receptorok kiterjedt szupercsaládjának számos olyan tagja van, amelynek (ma még) nem ismert a ligandja, ezeket „árva” receptorok (orphan receptors) néven említjük. Mutációik alapján tudjuk, hogy az árva receptorok közül több nélkülözhetetlen az élethez, ill. az ontogenezishez.

A nukleáris receptorfehérjék valamennyien közös modell szerint épülnek fel (ezek lineáris ábrázolása látható az 5-2. ábrán). Valamennyiben az α-hélixek csavarulataihoz illeszkedik a megkötött ligand, a megcélzott DNS-szakasz („hormonválasz-régió”, hormone-response element, HRE) és a transzkripcióban aktiváló vagy gátló szerepet játszó további fehérjemolekulák (koaktivátorok és korepresszorok). Az esetek többségében a receptor a ligand megkötésének hatására dimerizálódik, a hormonreceptorok homodimert, az egyéb nukleáris receptorok heterodimert képeznek; a megcélzott gén HRE szakaszát a dimer ismeri fel.

A nukleáris receptorok általánosságban háromféle hatást fejthetnek ki a transzkripcióra (5-3. ábra):

  • a ligand megkötésére bekövetkező génaktiválás (pozitív hatás, aktiválás), kötődés a megcélzott génszakaszhoz és a koaktivátorok felsorakoztatása, végső soron aktiválódik az RNS-polimeráz, amely a DNS templát alapján a messenger-RNS (mRNS) szintéziséhez vezet;

  • a génátírás repressziója a ligandot nem kötött receptor által (egyes nukleáris receptorok szabad állapotban is kötődnek a DNS-hez), ebben az esetben a szabad receptor felsorakoztatja a korepresszor-molekulákat, és maga is gátolja a génátírást (a bazális transzkripció repressziója); a ligand megkötésére viszont a génszakasz felszabadul a gátlás alól, és a transzkripció sokszorosára fokozódik;

  • a génátírás ligandtól függő negatív szabályozása, a génszakaszt a ligandot kötött receptormolekula gátolja (represszió).

Néhány más nukleáris receptor esetében – az előbbiek mellett – egy további szabályozási modell is érvényesül: a receptor-ligand komplex – anélkül, hogy dimerizálódna – megköt néhány transzkripciót pozitívan befolyásoló faktort [pl. nukleáris faktor κB-t (NF-κB) vagy aktiváló faktor-1 (AF-1)], és ezzel csökkenti egyes specifikus gének transzkripcióját (transzrepresszió, l. az 5-3. ábrát).

5-2. ábra . A nukleáris receptorok általános doménszerkezete

5-3. ábra . A nukleáris receptorok transzkripciós hatásai

Plazmamembrán-receptorokhoz kapcsolódó jelátvitel

A szignáltranszdukció alapján a plazmamembrán-receptorok három típusát különböztetjük meg (l. az 5-1. táblázatot):

  • receptor-ioncsatornák (ionotrop receptorok),

  • G-fehérjéhez kapcsolt receptorok (7-TM receptorok),

  • receptor enzimek vagy enzimhez kapcsolt receptorok

Receptor-ioncsatornák (ligandfüggő ioncsatornák)

Egyes, főleg az ideg- és izomsejtekben előforduló plazmamembrán-receptorok maguk képeznek ioncsatornát: a ligand megkötése meghatározza az ioncsatorna nyitott/zárt állapotának valószínűségét. A nyitás következtében az ionok az elektrokémiai gradiens (Em mínusz Eion) irányában áramlanak, és ezzel de- vagy hiperpolarizálják a plazmamembránt. Valamennyi receptor-ioncsatorna közös jellegzetessége, hogy rendkívül gyorsan, milliszekundumok alatt közvetíti a jelzést. A receptor-ioncsatornák közé tartoznak a nikotinos ACh-receptorok, egyes glutamátreceptorok, egyes 5-HT- és ATP-receptorok (P2X-purinoceptorok), a glicinreceptor, egyes GABA-receptorok; ezeket részletesebben a 6. fejezetben ismertetjük.

G-fehérjékhez kapcsolt heptahelicalis (7-TM) receptorok

A hormonok, parakrin mediátorok és neurotranszmitterek egy jelentős hányadának receptora G-fehérjékhez kapcsolódik, és a jelzést a G-fehérje család valamelyik tagja közvetíti. Heptahelicalis receptora van az immunsejtek vándorlását irányító kemokineknek is. (Egyébként G-fehérjékhez kapcsolt receptorokkal érzékelik a fényt a szem fotoreceptorai, az ízeket az ízlelő szenzorok és 7-TM receptorok szerepelnek a szagérzékelésben is.) Valamennyien monomer fehérjék, egyetlen hosszú polipeptidláncból állnak; a polipeptidlánc hét hidrofób α-hélix szakasszal kígyózik át a plazmamembránon. A szupercsalád ezen szerkezeti jellemzője alapján kapta nevét: 7 transzmembrán szakasszal rendelkező (heptahelicalis, 7-TM), fehérjék. Néhány fontosabb heptahelicalis plazmamembrán receptort az 5-3. táblázat sorol fel.

A 7-TM receptoroknak kettős specificitásuk van: egyrészt specifikusak ligandjukra, másrészt azonban specifikusak a G-fehérjére. Ez annyit jelent, hogy a sejt G-fehérje-készletéből csak a nekik megfelelő G-fehérjéhez kapcsolódnak, azt aktiválják. A továbbiakban megismerjük, hogy a G-fehérjéknek ugyancsak kettős specificitásuk van: egyrészt csak a nekik megfelelő 7-TM receptor képes az aktiválásukra, másrészt az aktivált G-fehérje csak bizonyos effektorfehérjék (enzimek, ioncsatorna-fehérjék) aktiválására képes.

4.14. táblázat - 5-3. táblázat . A heterotrimer G-fehérjék osztályozása α-alegységeik szerkezete alapján

G-fehérje α -alegység

Hatás(ok)

Gs

Golf

Adenilát-cikláz ↑

Ca-csatorna-szabályozás

Adenilát-cikláz ↑

Gi/o

Gt (transzducin)

Ggust (gusztducin)

Adenilát-cikláz ↓

Ca2+-csatornák ↓

K+-csatornák ↑

cGMP-foszfodiészteráz ↑

cGMP-foszfodiészteráz ↑

Gq/11

Foszfolipáz Cβ ↑

G12/13

Monomer (“kis”) G-fehérjék aktiválása


A táblázat csak a főbb családokat tünteti fel

Receptor altípusok

Az előzőekben már említettük, hogy a szervezetben a sejtek közötti jelzések közvetítésére viszonylag szűk mediátorspektrum szolgál. Egy adott mediátor, a célsejtek típusától függően, egészen különböző hatásokat fejthet ki. A már említett neurotranszmitterek közül az acetil-kolin (ACh) öt eltérő szerkezetű muszkarinos ACh-receptorhoz (M1-5) kapcsolódhat. Az atropin nevű, növényi eredetű hatóanyag valamennyi m-ACh-receptort gátolja. Az egyes ACh-érzékeny sejteken különböző altípusok fejeződnek ki, ennek következtében az ACh hatások is eltérnek. Az adrenalin (hormon) és a noradrenalin (neurotranszmitter és hormon) eltérő szerkezetű adrenerg receptorokon (adrenoceptorokon) keresztül vált ki különböző hatásokat. A receptorok szerkezete alapján öt altípust (α1-, α2-, β1-, β2- és β3-receptort) különböztetünk meg; ezek eltérő hatásait a további fejezetekben részletezzük.

Heterotrimer G-fehérjék

Valamennyi 7-TM receptor jelátviteli mechanizmusában közös, hogy az agonista ligand megkötését követően a jelátvitel első lépése a plazmamembrán belső felszínén elhelyezkedő hetrotrimer G-fehérjék valamelyik típusának aktiválása (5-4. ábra).

A heterotrimer G-fehérjék három különböző, α, β és γ elnevezésű alegységből állnak. (Mindhárom alegység az egyes sejtekre jellemző izoformákban fejeződik ki, a különböző kombinációk határozzák meg, hogy a komplex melyik receptorhoz és effektorhoz csatlakozik, azaz mi lesz a jelátvitel következménye.) „Alapállapotban”, amikor a receptor még nem kötötte meg ligandját, és nem kapcsolódik a G-fehérjéhez, a három alegység komplexet képez, az α-alegység GDP-t tart kötve, és kapcsolódik a βγ-alegységgel. A teljes hármas komplex a plazmamembrán belső felszínéhez van horgonyozva. A ligand megkötésének hatására a receptor kapcsolódik a G-fehérje α-alegységéhez, amely ezt követően az addig kötött GDP-t GTP-re cseréli, és aktív állapotba megy át. A GTP megkötésével az aktivált G-fehérje disszociál a receptorról, majd az α-alegység leválik az együtt maradó βγ-komplexről. A jelzést az aktivált α-alegység és egyes esetekben a βγ-komplex közvetíti tovább a specifikus effektormolekulákhoz. Az α-alegység aktív állapota addig tart, amíg GTP-t tart kötve. Minthogy azonban az α-alegységnek GTP-áz aktivitása is van, a kötött GTP GDP-vé bomlik, és ezzel a G-fehérje az eredeti, inaktív állapotba kerül, a három alegység asszociálódik.

Valamennyi 7-TM receptor a sejt teljes G-fehérje készletéből csak a receptorra specifikus heterotrimer G-fehérjével lép közvetlenül kapcsolatba. A jelátvitel specificitását a kapcsolódó G-fehérje típusa határozza meg; adott típusú G-fehérje csak a reá specifikus effektorokkal reagál.

Egyes G-fehérjékhez kapcsolt jelátvitel során a sejten belül második hírvivő molekulák [pl. ciklikus adenozin-monofoszfát (cAMP), inozitol-1,4,5-triszfoszfát (IP3), diacil-glicerin (DAG)] szabadulnak fel, ill. a jelen lévő cAMP szintje csökken. A második hírvivők enzimek működését változtathatják meg, befolyásolják a plazma- és az intracelluláris membránok ioncsatornáinak nyitását/zárását, módosíthatják a génkifejeződést stb.

A G-fehérjéket α-alegységük szerkezete alapján osztályozzuk (l. az 5-3.táblázatot). (Az osztályozásban két jelölés használatos, az egyik az alegység megjelölése nélkül tünteti fel az altípust, pl. Gs, a másik pedig feltünteti az α-alegységet, pl. Gαs.)

5-4. ábra . Receptorhoz kapcsolódó heterotrimer G-fehérjék aktiválásának modellje . R: receptor, E: hatást közvetítő enzim, GDP: guanozin-5”-difoszfát, GTP: guanozin-5”-trifoszfát, az α, β és γ görög betűk a heterotrimer G-fehérje három alegységét jelentik

A heterotrimer G-fehérjék kapcsoló funkciója („on/off” funkció)

A receptorhoz kapcsolt jelátviteli folyamatban azonos fontosságú a ligand megkötésekor a jelátvitel bekapcsolása és ezt követően a további jelátvitel kikapcsolása. Említettük, hogy a ligand megkötésére a G-fehérje α-alegysége az addig megkötött GDP-t GTP-re cseréli ki; ezzel indul a jelátvitel (bekapcsolás). Az aktivált G-fehérjének azonban GTP-t hidrolizáló, azaz GTP-áz aktivitása van, és a megkötött GTP idővel GDP-re és foszfátra bomlik; ezzel megszűnik a jelátvitel iniciálása (kikapcsolás), és a receptor újból aktiválható állapotba kerül. A G-fehérje inaktiválását követően az ezt követő, alább ismertetett folyamatok – pl. az ún. második hírvivők hatásai – természetesen tovább folytatódnak.

A G-fehérje család egyes tagjaira hatnak egyes baktériumok toxinjai. [Toxinok a baktériumok által elválasztott mérgező (toxikus) fehérjemolekulák.] A kolerabacilus (vibrio cholerae) toxinja következtében egy bizonyos G-fehérje (Gs) állandóan aktivált állapotba kerül, és ez súlyos permanens bélszekrécióval, katasztrofális hasmenéssel jár. A pertussisbacilus toxinja a G-fehérje család egy másik tagját (Gi/o) tartósan inaktív állapotban tartja, és ezzel okoz köhögési rohamokat.

Gs- és Golf-fehérjékhez kapcsolt jelátvitel

A Gs-és Golf-fehérjék aktiválják az adenilát-cikláz enzimet, amely az ATP-t ciklikus AMP-vé (cAMP) alakítja. Jó néhány különböző receptor ezt a jelátviteli utat használja (5-4. táblázat). Eukaryota sejtekben a cAMP fő funkciója a proteinkináz A (PKA) aktiválása, amely enzim az ATP terminális foszforilcsoportját viszi át meghatározott fehérjék adott szerin vagy treonin aminosav oldalláncaira (szerin-/treoninkináz). Ezen „célfehérjék” kovalens foszforilációja enzimek katalitikus aktivitását vagy bizonyos ioncsatornák konduktanciáját szabályozza; ezek gyorsan bekövetkező hatások. (A ciklikus nukleotidok közvetlenül is szabályozhatják ioncsatornák nyitását/zárását.) A cAMP → PKA jelátviteli út ezen lehetőségek mellett a transzkripció szabályozásán keresztül a génexpressziót is módosíthatja: a PKA specifikus transzkripciós regulátorfehérjéket foszforilál, így a hatás lassan következik be. Minthogy a PKA szubsztrátjai sejttípusok szerint változnak, a cAMP hatásai is sejttípusonként különböznek; az eddigiekben már ismertetett 7-TM receptor és G-fehérje-specificitás kiegészül a PKA szubsztrátspecificitásával.

Gi/o-fehérjékhez kapcsolt jelátvitel

Más 7-TM receptorok felől gátlódik az adenilát-cikláz aktivitása (l. az 5-4. táblázatot). Ezek a receptorok Gi/o-fehérjékhez kapcsolódnak. Az adenilát-cikláz működésének gátlása a sejt cAMP-szintjének csökkenéséhez vezet. Néhány aktivált Gi/o-fehérje közvetlenül befolyásolhatja a plazmamembrán egyes K+-, ill. Ca2+-csatornáinak állapotát: a K+-csatornák nyitási frekvenciája nö, a Ca2+-csatornák zárnak. Ilyen hatása van egyes m-ACh-receptoroknak (M2 és M4, l. előbb), valamint az A1 típusú adenozin-, egyes α2-katecholamin, 5-HT, D2 típusú dopamin-, GABAB- és az opioidreceptoroknak. (A közvetlen hatást ne tévesszük össze a ciklikus nukleotidok, a cAMP és cGMP által közvetített szabályozással, amelyben a G-fehérjék csak közvetett szerepet játszanak!)

4.15. táblázat - 5-4. Táblázat . Néhány 7-TM receptor, amelyek második hírvivő mechanizmushoz kapcsolódnak

Receptor jelölése

Agonista

G-fehérjék

Acetil-kolin

M1, M3 és M5

ACh

Gq

M2 és M4

ACh

Gi/o

Katecholaminok

α1

Noradrenalin, adrenalin

Gq

α2

Noradrenalin, adrenalin

Gi/o

β1, β2 és β3

Adrenalin, noradrenalin

Gs

D1 és D5

Dopamin

Gs

D2 és D4

Dopamin

Gi/o

Nukleotidok és nukleozidok

P2y

Adenin nukleotidok

Gq

A1

Adenozin

Gi/o

A2

Adenozin

Gs

Aminosav-származékok

GABAB

GABA

Gi/o

H1

Hisztamin

Gq

H2

Hisztamin

Gs

Eikozanoidok

TP

Tromboxán A2 (TXA2)

Gq

FP

Prosztaglandin F2α

Gq

IP

Prosztaciklin (PGI2)

Gs

Endokannabinoidok

CB1 és CB2

Anandamid (AEA*) és 2-arachidonoil-glicerin (2-AG)

Gi/o

Peptidek

V1

Vazopresszin

Gq

V2

Vazopresszin

Gs

AT1

Angiotenzin II

Gq

VIP

Vasoactiv intestinalis peptid

Gs

MC2

ACTH

Gs

SST1-5

Szomatosztatin

Gi


A táblázatban nem tüntettük fel a G-fehérjék közvetlen hatását a plazmamembrán ioncsatornáira. Az M2-, M4-, α2-, A1- és D2-receptorokhoz kapcsolódó aktivált G-fehérjék megnövelik a K+-csatornák nyitási valószínűségét

*N-arachidonoil-etanol-amin

Az intracelluláris cAMP-szint szabályozása. Az előbbiekből kitűnik, hogy ugyanaz a mediátor – attól függően, hogy milyen típusú sejten, milyen típusú receptorhoz kötődik – lehet adenilát-ciklázt aktiváló, vagy éppen gátló hatású. A receptor típusa határozza meg, hogy a receptor Gs- vagy Gi/o-fehérjéhez kapcsolódik, és ettől függ, hogy az adenilát-cikláz aktiválódik vagy gátlódik. Azokban a sejtekben, amelyekben egyaránt van az adenilát-cikláz aktiválásához, valamint gátlásához vezető receptor, a cAMP-szintet a két hatás eredője szabja meg. Jellemző példa erre a thrombocyta, amelyben a prosztaciklin- (PGI2-) receptor az adenilát-cikláz aktiválásához, az α2-adrenerg receptor a cikláz gátlásához vezet. Maga a thrombocyta csak alacsony cAMP-szint/alacsony PKA-aktivitás esetén aktiválódik. Ezért a PGI2 gátolja, míg a katecholaminok fokozzák a thrombocyták aktiválódását. A thrombocytaműködés a receptort követő jelátvitel szintjén áll antagonista szabályozás alatt. A cAMP/PKA rendszer azonban még az előzőtől eltérő módon is szabályozódhat. Egyes sejtek (pl. májsejtek) cAMP-szintjét a keletkezésért felelős adenilát-cikláz és a cAMP-t bontó foszfodiészteráz egyensúlya állítja be. A két ellentétes hatású enzimaktivitást eltérő receptorok szabályozzák. Májsejteken a glukagonreceptor hormonkötése az adenilát-ciklázt, az inzulinreceptor hormonkötése pedig a foszfodiészterázt aktiválja. A két jelközvetítő mechanizmus mérlege a cAMP-szinten keresztül szabályozza a PKA-aktivitást: ez a finom hangolás az anyagcsere-szabályozás alapvetően fontos tényezője.

Gq/11-fehérjékhez kapcsolt jelátvitel: a PLCβ aktiválásávalal keletkező második hírvivők

Több jelátviteli folyamatban – amelyekben a 7-TM receptor a Gq/11-családba tartozó fehérjéhez kapcsolódik – a receptor ligandkötése egy kettéágazó mechanizmust indít meg (5-5. ábra). Az említett G-fehérjék a foszfolipáz Cβ (PLCβ) enzimet aktiválják. Ez az enzim a membrán összetevői közé tartozó foszfatidil-inozitol-4,5-biszfoszfátot hasítja, a két keletkező termék a diacil-glicerin (DAG) és az inozitol-1,4,5-triszfoszfát (IP3). Mindkét vegyület második hírvivő-molekulaként működik. A keletkező diacil-glicerin kötve marad a membránhoz, és különböző proteinkináz C (PKC) enzimeket aktivál. A PKC enzimek specifikus fehérjéket azok meghatározott szerin és treonin oldalláncain foszforilálnak. Ennyiben emlékeztetnek a PKA-ra, de a két kináz fehérje szubsztrátspecificitása különbözik. A másik keletkezett hírvivő-molekula, a membránról leváló IP3 hatására megnövekedik a sejtplazma Ca2+-koncentrációja (l. alább). A Gi/o családba tartozó egyes G-fehérjéket aktiváló receptorok is képesek PLCβ-n keresztül végbemenő jelátvitelt aktiválni (pl. kemotaktikus peptidek).

5-5. ábra . Az inozitol foszfolipidekből kiinduló jelátvitel két ága: két második hírvivő (DAG és IP 3 ) kialakulása . R: receptor, PLCβ: β típusú foszfolipáz C, glic: a lipid glicerin oldallánca, α, β és γ a heterotrimer G-fehérje alegységei

G12/13-fehérjéhez kapcsolódó jelátvitel

A fejezet következő részében ismertetjük a receptor enzimek, továbbá a receptorhoz kapcsolt enzimek jelátvitelét, és ott térünk ki a monomer G-fehérjék (GTP-ázok, ún. „kis” G-fehérjék) szerepére. Az aktivált G12/13-fehérjék jelátvitele szintén igénybe veszi a monomer G-fehérjéket, amelyek proteinkináz-kaszkádokon keresztül szabályozzák a sejtműködést, többek között a génkifejeződést, és ezen az úton a sejtek proliferációját. (Más G-fehérjék is csatlakozhatnak intracelluláris proteinkináz-kaszkádokhoz.)

Receptor enzimek és receptorhoz kapcsolt enzimek

A plazmamembrán-receptorok további nagy csoportja egy vagy több alegységből állhat; közös jellemzőjük, hogy annak az alegységnek, amelyik áthidalja a membránt, egyetlen transzmembrán α-hélix szakasza van (5-6. ábra). Az extracelluláris szekvencia tartalmazza a ligandkötő helyet, az intracelluláris domén pedig vagy maga enzim, vagy közvetlenül kapcsolódik egy intracelluláris enzimhez: az enzim lehet tirozinkináz, szerin-/treoninkináz vagy guanilát-cikláz.

Ebbe a csoportba tartoznak azoknak a mediátoroknak (parakrin faktoroknak és esetenként hormonoknak) a receptorai, amelyek a sejtek túlélését, osztódását, növekedését és differenciálódását szabályozzák, továbbá az anyagcserét szabályozó hormonok közül az egyik legfontosabbnak, az inzulinnak a receptora. A receptorok egyik típusa saját („intrinsic”) protein-tirozinkináz aktivitással rendelkezik (receptor protein-tirozinkinázok). A másik típus a sejten belüli protein-tirozinkinázokhoz (nem receptor protein-tirozinkinázokhoz) kapcsolódik. Vannak olyan receptor proteinkinázok, amelyek nem tirozin oldalláncot foszforilálnak. Ilyen az egyes kóros folyamatokban kulcsszerepet játszó citokin, a TGFβ-receptora, amely protein szerin-/treoninkináz. (Ennek a receptornak a blokkolására gyógyszereket fejlesztettek ki, amelyek eredményesen csökkentenek egyes nagy fájdalommal járó krónikus gyulladásokat.)

Ugyanebbe a csoportba tartozik az atriopeptin nevű hormon guanilát-cikláz aktivitású egyik receptora.

5-6. ábra . A receptor protein-tirozinkinázok felépítésének vázlata . EGF: epidermalis növekedési faktor; IGF: inzulinszerű növekedési faktor

Jelátviteli komplexek és a monomer GTP-ázok („kis G-fehérjék”)

Mielőtt a receptor enzimek és a receptorhoz kapcsolt enzimek működésére rátérnénk, ismertetjük azt a fehérje családot, amely többük jelátviteli folyamatában szerepel: ezek a monomer GTP-ázok, amelyeket sok helyen mint „kis G-fehérjéket” említenek (szemben az előzőekben részletesen leírt heterotrimer GTP-ázokkal). A monomer GTP-ázok is alapállapotukban GDP-t tartanak kötve, amit aktiválás hatására GTP-re cserélnek ki. Az aktivált, GTP-t kötött G-fehérje szignalizációs komplexek kialakulását kezdeményezi („leszálló”, „downstream” jelátvitel).

A komplexek összetétele változatos. A komplex egyik része sorba kapcsolt további foszforilációs enzimekből áll (foszforilációs kaszkádok). Egyes foszforilált fehérjéknek nincs enzimfunkciója, hanem specifikusan kötődik más fehérjékhez: ezekhez az adapter fehérjékhez azután a szignalizációs komplex más összetevői kötődnek. A jelátvitel során az összetevők sejten belüli elhelyezkedése változik, az egyik tag a sejtmembrán belső felszínéhez csatlakozhat (relokáció), és a komplex hatására ott indul meg változás, újabb kötőhely alakul ki, enzimatikus átalakulás kezdődik.

Nemcsak fehérjék, hanem membránlipidek is szerepelnek a jelátvitelben. A receptor ligandkötése aktivál egy citoplazma enzimet, a foszfatidil-inozitol-3-kinázt (PI-3-kináz). Az enzim áthelyeződik a sejtmembrán belső felszínéhez, és a hatására foszforilált inozitol-foszfolipidek specifikus kötőhelyeket („dokkolóhelyek”) jelentenek a jelátvitel további tagjai számára. Ez különösen jelentős bizonyos sejtek növekedésében és az apoptózissal szembeni rezisztenciájában.

A jelátvitelben gyakran szerepel a Ras elnevezésű G-fehérje család. A Ras-fehérjék a receptorok felől aktiválódnak, és a GTP-t kötött Ras-fehérje szerin-/treoninkinázokat aktivál (többlépcsős foszforilációs kaszkád). A végeredmény egyes génműködést szabályozó fehérjék foszforilációja, transzkripciószabályozás.

A fejezet előző részében említettük a konstitutívan aktív receptorokat, amelyekből ligand megkötése nélkül is folyik a jelátvitel. Hasonló helyzet alakul ki a jelátviteli lánc más helyein: kóros esetekben a Ras konstitutívan aktív, azaz nem igényli a receptor felőli aktiválást; a konstitutívan aktív Ras-t tartalmazó sejt szabályozás nélkül szaporodik, malignus daganat képződik. Az emberi daganatok mintegy 30%-ában mutáción átesett RAS gének jelennek meg, és felelősek a daganatos elfajulásért. A hasonló mutált géneket onkogéneknek nevezzük.

A könyv további fejezeteiben ismertetjük egyéb monomer G-fehérjék szerepét a sejt működésének szabályozásában (pl. a Rho fehérjét a simaizomműködésben, l. a 7. fejezetet).

Receptor protein-tirozinkinázok

A receptor protein-tirozinkinázokat két nagyobb csoportra oszthatjuk (l. az 5-6. ábrát). Az első csoportba különböző növekedési faktorok receptorai tartoznak (5-4. táblázat). Mielőtt ezek a receptorok megkötnék ligandjukat, monomerekként vannak jelen a plazmamembránban. Ligandjuk megkötésére a receptorok a membránban dimert képeznek. A dimer kialakulása indukálja a tirozinkináz aktivitás megjelenését (5-7. ábra): mindkét monomer intracelluláris doménje kölcsönösen foszforilálja a másik monomeren elhelyezkedő meghatározott tirozin oldalláncait (transz-autofoszforiláció).

A második csoportba az inzulinreceptor és az IGF-1-receptor tartozik. (Az inzulin az egyik legfontosabb anyagcserét szabályozó hormon, a szerkezetileg vele rokon IGF-1 növekedési faktor.) Szemben az EGF és más növekedési faktorok receptorával, ez a két receptor tetramer szerkezetű. A szimmetrikus tetramer két heterodimerből áll, a heterodimer egyik alegysége egészében extracelluláris elhelyezkedésű, a másik alegység egyetlen hidrofób α-hélix transzmembrán szekvenciával rendelkező fehérje, amelynek intracelluláris doménje hordozza a protein-tirozinkináz aktivitást. Az inzulin (ill. az IGF-1) megkötésére mindkét heterodimer kölcsönösen foszforilálja a másik intracelluláris szakaszát (transz-autofoszforiláció, l. előbb).

Az autofoszforilált receptor tirozinkináz molekulán megjelenő foszfotirozin motívumok specifikus (SH2-doménnel rendelkező) fehérjék számára létesítenek kötőhelyet, különböző specifikus jelközvetítő molekulákat „aggatnak magukra”. (Az SH2 rövidítés a src homológ régió 2 domén rövidítése.). A különböző SH2-domének egyrészt a foszfotirozin oldalláncokat ismerik fel (ez közös tulajdonságuk), másrészt a foszfotirozin oldalláncok környezetét (ez az egyes SH2-doménekben specifikus). Így a különböző SH2-domének meghatározott foszfotirozinokat ismernek fel, a tirozinfoszforilált receptormolekula különböző specifikus jelátviteli utakat aktiválhat (l. az 5-7. ábrát).

5-7. ábra. Receptor protein-tirozinkináz downstream jelátalakítása

A megindult jelátviteli folyamat leállítása. Minden szabályozási folyamatban alapvető, hogy a megindított változás időleges legyen. Ez érvényes a jelátviteli folyamatokra is; az előzőekben bemutattunk egy példát, hogy a konstitutívan aktív Ras fehérje daganatot okozhat. Mind a receptor protein-tirozinkinázok, mind az alább ismertetésre kerülő receptorhoz kapcsolt protein-tirozinkinázok esetében a foszfotirozinokat protein-tirozinfoszfatázok bontják, ezzel a további jelátvitelt megszüntetik. A leállítás további lehetősége a ligandot kötött receptor internalizációja, és esetleg sejten belüli lebontása; ez a mechanizmus egyébként a G-fehérjékhez kapcsolt receptorok esetében is működik (l. alább).

Receptorhoz kapcsolt (nem receptor) protein-tirozinkinázok

Egyes hormonok (pl. növekedési hormon, prolaktin), valamint a citokinek többségének receptora nem enzim, ezzel szemben közvetlenül kapcsolódik a plazmamembrán belső felszínén elhelyezkedő protein-tirozinkinázokhoz. Ezeket a receptorhoz kapcsolt enzimeket a receptor ligandkötése aktiválja.

A receptorhoz kapcsolt tirozinkinázok egy része a Janus-típusú kinázok (JAK-kinázok családjába tartozik (Janus a római mitológia kétarcú istene). A dimerizált receptor aktiválására az asszociált JAK-ok először egymást foszforilálják, majd pedig az őket aktiváló plazmamembrán receptor intracelluláris doménjét (5-8. ábra). A foszforilált receptorhoz kötődik a jelátalakítás következő enzime, a STAT családba tartozó valamelyik fehérje. (A STAT mozaikszó a „signal transducer and activator of transcription”, azaz „jelátvivő és transzkripciós aktivátor” kifejezés kezdőbetűiből származik.) A térbeli közelségben lévő JAK a STAT fehérjét foszforilálja, ezáltal aktiválja. A receptorról levált STAT dimer bevándorol a magba, és ott reagál a neki megfelelő transzkripciós regulátor fehérjével. A STAT fehérjék foszforilációja és dimerizációja közvetíti a jelzést a sejtmag felé.

Egy további jelátviteli mechanizmusban a receptorhoz kapcsolt enzim az Src-kinázok csoportjának valamelyik tagját aktiválja, ami a sejtműködés megváltozásához vezet.

5-8. ábra . Receptorhoz kapcsolt tirozinkináz jelátvitele (JAK-STAT mechanizmus)

Az atriopeptinreceptor

Az atriopeptin (pitvari natriuretikus hormon/peptid, ANP) funkcióit a 15. fejezetben ismertetjük. Ez a pitvari szívizomsejtekből felszabaduló hormon a vesében a nátriumkiválasztást fokozza (natriuresis), továbbá ellazítja bizonyos erek simaizomzatát. Az ANP egyik receptora saját maga guanilát-cikláz, a sejten belüli GTP-t ciklikus GMP-vé (cGMP) alakítja át. A cGMP a cAMP-hez hasonló második hírvivő molekula. A cGMP a cGMP-függő proteinkinázt (proteinkináz G, PKG) aktiválja. A PKG specifikus intracelluláris fehérjék meghatározott szerin/treonin oldalláncainak foszforilálásával módosítja a sejtműködéseket.

Jelátviteli hálózatok

A különböző ismertetett jelátviteli utak interakcióba léphetnek egymással, egy-egy út így felerősödhet (5-9. ábra): pl. a heptahelicalis és a tirozinkináz receptorok felől kiinduló jelátalakítás során a cAMP-PKA, a Ca2+-jel−kalmodulin (CAM), a DAG-PKC és a proteinkináz-kaszkád konvergálhat a transzkripciós regulátorokon vagy a sejt különböző effektorfehérjéin.

5-9. ábra . Receptorokhoz kapcsolt jelátalakítási pályák interakciói

Receptorszintű szabályozás

Valamely extracelluláris jelzőmolekula által létrehozott válasz csak részben függ a receptort elérő agonista molekulák (hormonok, parakrin mediátorok stb.) koncentrációjától. A sejtválaszt befolyásoló további tényező magának a sejtnek az agonista iránti érzékenysége, ami változik: a receptorszintű szabályozást célsejt-adaptálódás néven is említik. Az alábbiakban a receptorszintű szabályozás mechanizmusai közül kettőt ismertetünk, az egyik a receptor inaktiválódáshoz vezető foszforilációja (receptorérzéketlenítés, „receptordeszenzitizálás”), a másik a receptor internalizációja. Az adaptáció egy további módja a receptormolekulák szintézisének és lebontásának szabályozása.

Az előzőekben ismertettük, hogy az adrenerg β-receptorok ligandkötésére egy GS-fehérje aktiválja az adenilát-ciklázt, a keletkezett cAMP pedig fokozza a PKA működését. A PKA azonban – más fehérjék mellett – magát az adrenerg β-receptort is foszforilálja, és ez gátolja a receptor kapcsolódását a GS-fehérjéhez. Ezzel a lényegében negatív visszacsatolással a receptor gyorsan adaptálódik a magas katecholamin- (adrenalin-) koncentrációhoz. [Egyébként minden olyan hatás, amely megnöveli a cAMP-szintet, és ezzel fokozza a PKA működését, foszforilálhatja a β-receptorokat, és ezzel érzéketlenítheti (deszenzitizálhatja) azokat, ezért a folyamatot heterológ érzéketlenítésnek nevezzük.] A β-receptorok negatív visszacsatolásos szabályozásának (érzéketlenítésének) egy másik módja is van. Egy specifikus β-adrenerg-receptor-kináz különböző pozíciókban képes az aktivált receptort foszforilálni. Az ezzel a kinázzal foszforilált receptor a sejtplazmában jelen lévő fehérjéket, β-arresztineket köt, amelyek megakadályozzák a receptornak G-fehérjével való kapcsolódását (specifikus, homológ érzéketlenítés). A receptorfoszforiláció útján történő érzékenységszabályozás a legtöbb 7-TM receptor esetében szerepet játszik.

Az agonista ligand megkötése elősegíti a receptor bekebelezését (endocytosisát) a sejtbe (receptor internalizálódás). A sejt belsejében az endoszómákba zárt receptor-ligand komplexekről leválik a ligand, majd lebomlik. A szabaddá vált receptormolekulák egy része exocytosissal visszatérhet a plazmamembránba (receptor körforgás, receptorciklus), a receptorok másik hányada bomlást szenvedhet. Ha túl sok agonista ligandmolekula éri tartósan a sejtet, több receptor internalizálódik és bomlik le, ezáltal a sejt mediátor iránti érzékenysége csökken (down-regulation). A szabályozásnak ez a típusa hosszú latenciával működő negatív visszacsatolás.

Az intracelluláris Ca2+-szint szerepe a sejtműködés szabályozásában

Az alapállapotban lévő (azaz nem aktivált) sejtekben a sejtplazma szabad Ca2+-koncentrációja 10-8–10-7 mol/l (10–100 nmol/l) között változik. A Ca2+-szint emelkedése különböző, gyakran párhuzamos folyamatokat indít meg, amelyek számos sejtfunkció aktiválásához vezetnek. A Ca2+ hatásai részben közvetlenek, részben azonban a kalmodulin nevű intracelluláris fehérjéhez való kötődésük, (Ca2+)4-kalmodulin komplex keletkezése közvetíti. A kalmodulinérzékeny fehérjék között vannak kinázok is, a CaM-kinázok, amelyeket a (Ca2+)4-kalmodulin komplex aktivál, és amelyek egyes fehérjék szerin és treonin oldalláncait foszforilálják.

A sejten belüli kalcium nagy része fehérjéhez kötött (szekvesztrált) formában, sejten belüli organellumokban található. Az organellumokat körülvevő membrán zárja el a bennük tárolt kalciumot az oldott sejtfázistól (citoszol). A legtöbb sejtben a kalciumraktár az endoplasma-reticulum (ER). A váz- és szívizomban hasonló szerepet tölt be a sarcoplasma-reticulum (SR), azonban ennek szabályozása alapvetően különbözik az ER szabályozásától. (A simaizmokban lévő reticulum az endoplasma-reticulumhoz áll közel.) A fehérjekomplexből a Ca2+-csatornák megnyílása és a szabad Ca2+-ok kiáramlása során aránylag könnyen disszociálnak a kalciumionok.

Az ER membránjában IP3-receptorok (IP3-mal szabályozott Ca2+-csatornák) helyezkednek el: az IP3 megnyitja a Ca2+-csatornákat, ezzel megindítja a Ca2+ kiáramlását az ER-ből, és a sejtplazma Ca2+-koncentrációja emelkedik, Ca2+-jel alakul ki (5-10. ábra).

Sok sejttípusban az intracelluláris organellumokból való kalciumleadás csak az első lépés a sejtplazma Ca2+-szintjének emelkedésében. Maga a Ca2+-szint emelkedése is kiváltja az organellum Ca2+-csatornáinak további megnyílását, ezt a pozitívan visszacsatolt folyamatot kalciummal indukált kalciumfelszabadulás néven ismerjük.

A kiürült kalciumraktárak egyrészt az organellummembrán Ca2+-pumpája közreműködésével a sejtplazmába kiáramlott Ca2+-ból töltődnek újra. Egyes sejtekben azonban a plazmamembránhoz közel fekvő raktározó organellumok „Ca2+-elszegényedése” kiváltja a plazmamembrán Ca2+-csatornáinak megnyílását. Ezzel a mechanizmussal – amelyet kapacitatív kalciumbeáramlásként ismerünk – a sejten belüli kalciumraktárak extracelluláris kalciumionokkal is feltöltődnek.

A Ca2+-jel megszüntetésének a különböző sejtekben eltérő mechanizmusai vannak, amelyek jelentősége a sejttípusok szerint változik. 1. Azoknak az organellumoknak a membránjában, amelyek Ca2+-okat szekvesztrálnak és jelzésre a citoszolba ürítenek, működik egy primer Ca2+-pumpa (Ca2+-ATP-áz), és ez ATP hasítása közben visszaveszi a Ca2+-okat az organellum belsejébe. 2. A plazmamembrán Ca2+-pumpája az extracelluláris folyadékba távolítja el a Ca2+-okat. 3. A plazmamembránban működő 3 Na+/Ca2+ kicserélő transzporter állítja helyre az intracelluláris Ca2+-koncentrációt.

5-10. ábra . Az IP 3 hatásának vázlata . ER: endoplasma-reticulum; IP3: inozitol-1,4,5-triszfoszfát

A mitokondriumok belső membránjában működő Ca2+-uniporter Ca2+-affinitása alacsony, de a fiziológiásnál magasabb Ca2+-szint esetén a mitokondriumok „Ca2+-puffer”-ként működhetnek. Eközben a mitokondriumokon belüli Ca2+-koncentráció emelkedése aktivál egyes dehidrogenázokat, ezzel részt vesz az anyagcsere magasabb szintre állításában.

Intercelluláris mediátorok

A nitrogén-monoxid (NO) mint intercelluláris hírvivő molekula

Először az érrendszerben mutatták ki, hogy különböző ingerek hatására az endothelsejtekből egy „endotheleredetű relaxációs faktor” (EDRF) szabadul fel, amelyet a továbbiakban mint nitrogén-monoxidot(NO) azonosítottak. Az NO az endothelsejtekhez közeli simaizomsejteket ellazítja. Az NO felszabadulását különböző extracelluláris jelzőmolekulákkal, mint pl. acetil-kolinnal, továbbá az endothelsejt mechanikai deformálásával lehet kiváltani.

A nitrogén-monoxid neurotranszmitterként is működik, egyes idegvégződésekből az akciós potenciál hatására szabadul fel (l. a 6. fejezetet). Ebben az esetben az NO a pre- és a posztszinaptikus idegsejtre vagy a beidegzett nem idegi struktúrára (pl. simaizomra) hathat.

Az NO nem konvencionális neurotranszmitter, minthogy nem raktározódik membránnal határolt szinaptikus vesiculákban, és az akciós potenciál hatására nem exocytosissal szabadul fel. Sem az endothelsejtben, sem az idegvégződésekben nincs NO-raktár: az NO-t a felszabadulását kiváltó jelzések hatására egy konstitutív enzim, az NO-szintetáz (más néven NO-szintáz, NOS) L-argininből alakítja ki. A konstitutív enzim (Ca2+)4-kalmodulin hatására aktiválódik, és addig működik, amíg az intracelluláris Ca2+-szint magas. Az NO diffuzíbilis molekula, akadálytalanul kijut a termelő sejtből, és bediffundál a környező sejtekbe (intercelluláris hírvivő molekula). Minthogy az NO szabad gyök, ezért fél életideje csak néhány másodperc. Az NO elbomlását a hemoglobin katalizálja.

Az endothelsejtek és az idegvégződések konstitutív NO-szintetázán kívül bizonyos sejtekben indukálható NO-szintetáz (iNOS) is megjelenhet; az indukcióban nagy szerepet játszanak azok a foszforilációs kaszkádok, amelyeket a gyulladásos mediátorok megjelenése indít meg (l. előbb). Az iNOS működéséhez nem igényel Ca2+-ionokat, az indukciót követően teljes mértékben aktív.

Az NO közvetlenül aktiválja a célsejtben a guanilát-cikláz enzimet, amely a sejten belül ciklikus GMP-t (cGMP-t) képez, ezért ezt a szolúbilis guanilát-cikláz enzimet tulajdonképpen mint az NO intracelluláris „receptor”-át is felfoghatjuk.

Reaktív oxigénszármazékok szerepe a jelátviteli folyamatokban

A sejtek aktiválódása során gyorsulnak az oxidációs folyamatok, és ezzel együtt az ezek végtermékeként keletkező reaktív oxigénszármazékok is felszaporodnak. Ilyen származék a szuperoxid, hidrogén-peroxid, továbbá a hidroxilion-gyök; ezek maguk is képesek biológiai hatásokat létrehozni. A reaktív oxigénszármazékok fiziológiás körülmények között is fokozzák a jelátviteli folyamatok intenzitását (pl. gátolnak egyes foszfatázokat, aminek következtében a foszforilációs lépéseken keresztüli jelátvitel hatékonysága nő). Kóros körülmények között azonban előtérbe kerülhetnek ezek közvetlen szövetkárosító hatásai. Ez utóbbiakhoz jelentősen hozzájárul, hogy az NO átalakul szövetkárosító hatású peroxinitritté.

Lipidmediátorok az intercelluláris jelátvitelben

Egyes G-fehérjék aktiválása – közvetlenül vagy közvetve – a környező sejtekre is kihat (5-11. ábra). A különböző lipidbontó enzimek aktiválása következtében a membrán foszfolipidjeiből lipidmediátorok keletkeznek, amelyek elhagyják azt a sejtet, amelyben keletkeztek, és a környező sejtek membránreceptorain keresztül azokban indítanak meg jelátalakítást és effektorfunkciókat (intercelluláris mediátorok). Ezek a mediátorok az arachidonsavat tartalmazó foszfolipidekből keletkeznek, prosztaglandinok, prosztaciklin, tromboxán (közös néven eikozanoidok), leukotriének és endokannabinoidok [ez utóbbiak neve onnan származik, hogy ugyanazokra a receptorokra (kannabinoidreceptorok) hatnak, mint a marihjuána hatóanyaga).

Az eikozanoidok és leukotriének főleg a foszfolipáz A2 (PLA2) hatására keletkeznek: ez az enzim a foszfolipidekből arachidonsavat tesz szabaddá, amely vagy a ciklooxigenáz úton (COX 1 és COX 2) alakul tovább prosztaglandinokká, prosztaciklinné vagy tromboxánná, vagy a lipoxigenáz úton leukotriénekké (5-12 ábra). (Ezek hatásait részben a 12., részben a 26. fejezetben találjuk meg.) Ezek a lipid mediátorok a környező sejtek (thrombocyták, simaizomsejtek) membránreceptoraihoz kötődnek, és azokban indítanak meg jelátalakítást.

A ciklooxigenázt gátolja az acetilszalicilsav (ASA, Aszpirin), amely több mint 100 éve alkalmazott láz- és fájdalomcsillapító, gyulladáscsökkentő gyógyszer.

5-11. ábra . Két sejt közötti jelátvite l. Az A sejtben a ligandkötés hatására a membrán foszfolipidek lebomlanak (PLCβ vagy PLA2). A keletkező arachidonsav további átalakulásokon megy keresztül, az adott példában eikozanoid keletkezik, ami elhagyja az A sejtet, és a környezetben lévő B sejt membránreceptorát aktiválva fejti ki az effektorhatást

5-12. ábra. Prosztanoidok és leukotriének keletkezése

Prosztaglandin-, prosztaciklin- és tromboxánreceptorok. A prosztanoidvegyületek plazmamembrán-receptorok közvetítésével hatnak. (A prosztanoidok felfedezését követően hosszabb ideig tartotta magát az a nézet, hogy ezek a vegyületek, lévén zsírsavszármazékok hidrofóbak, később azonban tisztázódott hidrofil jellegük.) A prosztanoidreceptorok ligandkötése szelektív: az egyik receptortípus (FP, F-prosztanoidreceptor) az F-sorozatú prosztaglandinokat, a másik (IP, prosztaciklinreceptor) a prosztaciklineket, a harmadik (TP, tromboxánreceptor) a tromboxánokat köti a legnagyobb affinitással. A prosztaglandinok, prosztaciklinek és tromboxánok receptorai a 7-TM receptorok családjába tartoznak, hatásukat G-fehérje közvetíti: az FP és a TP Gq-fehérjéhez kapcsolódik (foszfolipáz Cβ-aktiválás, az ehhez társuló jelközvetítés), míg az IP Gs-fehérjéhez (adenilát-cikláz-aktiválás, cAMP-szint-növekedés).

Az arachidonsav továbbalakulásának alternatív útja a lipoxigenáz út, amelynek során gyulladásos mediátorok, leukotriének keletkeznek. A leukotriének – ellentétben a prosztanoid vegyületekkel – több óráig is képesek megmaradni, ezért keletkezési helyüktől távolabb is kifejthetnek hatásokat; hosszan tartó simaizom-összehúzódást váltanak ki a légutakban és a gyomor-bél rendszerben. Szerepüket a gyulladásos és immunfolyamatokban a 26. fejezetben ismertetjük.

Az endokannabinoidok [fő képviselőik a 2-arachidonil-glicerin (2-AG) és az arachidonil-etanol-amid (anandamid)] G-fehérjékhez kapcsolt receptorokon (CB1 és CB2 recptorok) fejtik ki hatásaikat. Az egyik legfontosab endokannabinoid, a 2-AG keletkezésében a PLCβ játszik szerepet. Az ennek hatására keletkező diacil-glicerin nemcsak a proteinkináz C aktivátora, hanem a diacilg-licerin-lipáz szubsztrátja is: az 1. pozícióban lévő zsírsav lehasításával keletkezik a 2-AG (ha a diacil-glicerin a 2. pozícióban arachidonsavat tartalmaz), ami a sejtet elhagyva a központi idegrendszeri szinaptikus működéseket modulálja. Ezen kívül más sejtek működésének szabályozásában is szerepe van.

Jelátvitel a gyulladásos és szövetproliferációs folyamatokban

A szervezetet ért ártalmas ingerek, mindenek előtt fertőzések vagy gyorsan lezajló (akut), vagy hosszú ideig tartó (krónikus) reakciót, gyulladásos reakciót váltanak ki: ez a védelmi reakció segíti az ártalmas behatás következményeinek felszámolását. A sejtek reakciója a sejtfelszíni receptorok felől indul meg: a jelátvitelben a receptorokhoz kapcsolt tirozinkinázok foszforilációs kaszkádokat aktiválnak, amelyek végül – többszörös áttételekkel – lehetővé teszik a sejtplazmában található több tagból álló transzkripciós faktorok [nukleáris faktor kappa B (NF-κB), aktivátor protein-1 (AP-1)] kötődését a gyulladási mediátorok génjeinek promóter szakaszához. Normálisan a gyulladásos reakció időben korlátozott, azonban előfordul, hogy az NF-κB és AP-1 által megindított génátírási folyamatok kontroll nélkül folytatódhatnak, és az immunrendszer krónikus aktiválódása betegségeket [asthma, atherosclerosis, gyulladásos bélbetegség, autoimmun betegségek (pl. sclerosis multiplex, rheumatoid arthritis)] alakít ki. A gyulladások helyén aktivált transzkripciós faktorok szerepet játszhatnak a daganatképződésben is: krónikus gyulladások helyén esetenként rosszindulatú daganatok képződnek.

A krónikus gyulladásos folyamatok terápiájának egyik lehetősége az említett transzkripciós faktorok hatástalanítása. A gyulladáscsökkentő szteroidok (természetes glukokortikoidok és szintetikus agonisták) saját intracelluláris receptorukhoz kötődve komplexet képeznek a transzkripciós faktorokkal (fehérje-fehérje kölcsönhatás), ezzel megakadályozzák a gén promóter szakaszához kötődött transzkripciós faktor aktiváló hatását (transzrepresszió, l. az 5-3. ábrát, a szteroid-receptor komplex ebben az esetben nem kötődik közvetlenül a DNS-molekulához.) A nukleáris receptor család egy másik tagja, a PPAR-γ (peroxiszóma proliferációt aktiváló receptor-γ, l. előbb a nukleáris receptor szupercsaládot) aktiválva szintén csökkenti a gyulladásos mediátorok expresszióját, a gyulladásgátló gyógyszerek egy csoportja a PPAR-γ aktiválásával hat a különböző krónikus gyulladásos kórképekre

Mérföldkövek

1905: J. N. Langley felveti, hogy az effektorsejteken ingerlő és gátló „receptív anyagok” vannak.

A G-fehérjékhez vezető út

1953: L. E. Hokin és M. Hokin megfigyelik, hogy egyes extracelluláris jelzőmolekulák hatására a plazmamembránban lévő inozitol lipidekben (ma foszfatidil-inozitol lipidekben) gyorsul a radioaktív foszfát beépülése (gyorsult „turnover”). A megfigyelés alapvető jelentőségére csak évtizedekkel később derített fényt M. J. Berridge és R. F. Irvine (1983-84): felfedezik az inozitol-1,4,5-triszfoszfátot (IP3); megállapítják, hogy egyes jelzőmolekulák hatásra a membrán inozitol lipidjeiből IP3 hasad le; az IP3 a sejten belül Ca2+-jelet hoz létre.

1959: E. W. Sutherland leírja a ciklikus adenozin-monofoszfát szintézisét katalizáló enzimet, és felismeri, hogy egyes hormonoknak a sejtmembránhoz való kötődését egy „második hirvivő”, ciklikus AMP (cAMP) megjelenése követi. Ebben a rendszerben M. Rodbell és munkatársai 1973-tól kezdve kimutatják, hogy a cikláz aktiválásához GTP-re is szükség van; a továbbiakban A. G. Gilman és munkatársai fedezik fel, hogy a ciklázaktiváló rendszer alkotórésze egy GTP-t kötő és hidrolizáló fehérje (G-fehérje) is (mai terminológiával heterotrimer G-fehérje).

A fehérjefoszforiláció mechanizmusa és jelentősége

1955: E. H. Fisher és E. G. Krebs felfedezi, hogy a glikogénbontásban szereplő glikogénfoszforiláz aktivitását reverzíbilisen szabályozza az enzim foszforilációja. Az enzim foszforilációjáért a cAMP-dependens proteinkináz felelős. A továbbiakban válik világossá, hogy a fehérjék reverzíbilis foszforilációja a sejtműködés szabályozásának egyik alapvető mechanizmusa.

1977: Y. Nishizuka felfedezi a proteinkináz C-t. Később derül ki, hogy egyes G-fehérjékhez kapcsolt receptorok ligandkötésekor a membránlipidekből diacil-glicerin válik szabaddá, és ez utóbbi aktiválja az enzimet.

A nitrogén-monoxid szerepének felismerése

1980: R. F. Furchgott és J. V. Zawadski felfedezik, hogy egyes anyagok (pl. acetil-kolin) értágító hatásához az endothelium jelenléte szükséges: az érendothelből értágító anyag (endothel-derived relaxation factor, EDRF) szabadul fel. 1983 és 1986 között F. Murad és munkatársai felfedezik, hogy az értágító hatású szerves nitrit- és nitrátvegyületekből a szabad gyök NO szabadul fel, és a guanilát-cikláz következményes aktiválása felelős az értágító hatásért. 1987-ben L. J. Ignarro és munkatársai, továbbá S. Moncada és munkatársai azonosítják az EDRF-et a nitrogén-monoxiddal.

Receptor protein-tirozinkinázok

1980: S. Cohen és M. Ushiro leírják, hogy az EGF-receptornak saját („intrinsic”) protein-tirozinkináz aktivitása van, amely az EGF megkötésére aktiválódik; ez volt az első azonosított receptor protein-tirozinkináz.