1. Lokalnie i zdalnie sterowana regulacja metabolizmu – mechanizmy
Regulacja lokalna dokonuje się za pośrednictwem dostępności poszczególnych metabolitów. Natomiast w momencie, kiedy kształtuje się organizm wielokomórkowy, poszczególne komórki w obrębie narządu i poszczególne narządy muszą się między sobą kontaktować, aby metabolizm zachodził w sposób regulowany i zsynchronizowany. Do tego potrzebna jest tzw. regulacja zdalnie sterowana. Zachodzi ona przy udziale 4 układów integrujących:
- układu dokrewnego
- układu immunologicznego
- układu nerwowego
- tkanki łącznej
2. Endo-, para-, i autokrynna droga przekazu informacji biologicznej.
Przekaz informacji w układzie endokrynnym dokonuje się na 3 głównych drogach:
1) droga endokrynna – przekaz informacji dokonuje się za pośrednictwem układu krążenia. Musi istnieć komórka wyspecjalizowana, zwana komórką dokrewną, która albo tworzy gruczoł wydzielania wewnętrznego (gruczoł endokrynowy), albo jest to komórka w tzw. rozsianym układzie endokrynnym (APUD). Jej wydzielina trafia do układu krążenia. Z krwią wydzielina ta przenoszona jest na pewną odległość, a następnie opuszcza układ krążenia. Trafia na komórkę docelową wyposażoną w receptor i poprzez ten receptor następuje zmiana sygnału humoralnego na odpowiedź wewnątrzkomórkową metaboliczną (molekularną) tej komórki. W takim ujęciu, substancja wydzielana nosi nazwę hormonu.
2) droga parakrynna – substancja zostaje wydzielona przez odpowiednią komórkę, a następnie działa na komórki docelowe bez pośrednictwa układu krążenia, a jedynie za pośrednictwem płynu międzykomórkowego. Ta sama substancja może działać w różnych warunkach na drodze endokrynnej i parakrynnej. Przykładem jest interferon (w warunkach fizjologicznych działa na drodze parakrynnej, stosowany jako lek – podawany drogą pozajelitową – działa na drodze neurokrynnej).
3) droga autokrynna – komórka sama wydziela substancję i sama na nią odpowiada, ponieważ wyposażona jest w odpowiedni receptor (zjawisko to nosi nazwę sprzężenia zwrotnego dodatniego). W warunkach prawidłowych jest to komórka embrionalna. W warunkach patologicznych taki mechanizm „błędnego koła” występuje w komórkach nowotworowych.
3. Cytokiny – definicja pojęcia, podział, mechanizm działania, sterowane nimi procesy.
4. Podział receptorów dla hormonów i cytokin.
1. Podział ze względu na lokalizację:
Receptory jądrowe.
Receptory błonowe.
Þ drugim przekaźnikiem jest cAMP;
Þ drugim przekaźnikiem jest cGMP;
Þ drugem przekaźnikiem jest jon Ca2+ lub (i) fosfatydyloinozytydy
Þ przekaźnikiem jest kinaza lub kaskada kinaz
2. Podział ze względu na efekt działania:
Receptory jonotropowe.
Receptory metabotropowe.
Receptory katalityczne.
5. Czynniki determinujące działanie hormonów i cytokin.
Þ biosynteza hormonu
Þ zaburzenia uwalniania hormonu z komórki (hormon jest wyprodukowany ale nie jest prawidłowo uwalniany)
Þ białka transportujące – hormon/czynnik wzrostu działa tylko w stanie wolnym. Zmiany w zawartości białek transportujących hormony wpływają na efekty działania hormonu. Nieprawidłowe białka mogą wykazywać duże powinowactwo do hormonu, w związku stężenie wolnej frakcji ulega zmniejszeniu.
Þ wiązanie z receptorem
Þ polimorfizmy w obrębie receptorów sprawiają że odpowiedź na dany hormon może być bardzo zróżnicowana
Þ defekty transdukcji sygnału – implikują brak efektu hormonu lub powodują że ten efekt jest zintensyfikowany
Þ metabolizm hormonów
6. Lokalizacja i struktura receptorów hormonalnych i cytokinowych.
7. Charakterystyka struktury i efektów pobudzenia receptorów jonotropowych.
Receptory jonotropowe są to kanały bramkowane przekaźnikiem. Kanał jonowy może być bramkowany na dwa sposoby: albo poprzez przekaźnik, albo przez potencjał. Każdy kanał jonowy jest przykładem transportu biernego, działa zgodnie z gradientem stężeń. Nie mamy w nim specyficznych białek, które rozpoznają budowę cząsteczki, natomiast kanał przepuszcza substancje do środka tylko w oparciu o jej masę cząsteczkową i ładunek.
W receptorze jonotropowym, w części zewnątrzkomórkowej, znajduje się miejsce wiążące cząsteczkę sygnałową (dochodzi do zmiany konformacji białek). Następuje wpuszczenie jonu zgodnie z gradientem stężeń. Klasycznym przykładem takiego receptora to receptor w płytce nerwowo-mięśniowej – receptor dla acetylocholiny. W efekcie jego pobudzenia zachodzi napływ jonu sodu do wnętrza komórki. Cały ten „układ” będzie działał dopóki na zewnątrz będzie odpowiedni gradient jonów sodowych.
8. Pompa sodowo-potasowa - mechanizm działania.
Jest to enzym czerpiący energię z ATP, czyli ATP-aza Na/K. Przykład antyportu. Enzym ten w części wewnątrzkomórkowej posiada miejsce wiązania jonów sodowych, oraz miejsce, w którym następuje hydroliza ATP. Uzyskana energia pozwala na wyrzucenie jonów Na na zewnątrz komórki, czyli wytworzenie gradientu. Jednocześnie wpuszczane są do wnętrza komórki jony potasu.
Po połączeniu jonów Na następuje hydroliza ATP à uzyskana energia pozwala na wyrzucenie jonów Na na zewnątrz komórki, w tym samym czasie miejsce wiążące zajmują jony K, które zostają przetransportowane do wnętrza komórki. Sam kanał jest transportem biernym, energia jest potrzebna tylko na wytworzenie gradientu.
Enzym ten jest punktem uchwytu glikozydów nasercowych, których przedstawicielem jest strofantyna – bloker.
9. Charakterystyka kanałów wapniowych: VOC, ROC, SMOC.
Kanały VOC, ROC i SMOC są kanałami wapniowymi.
1) kanał VOC – jest charakterystyczny dla mięśni, sterowany potencjałem
2) kanał ROC – jest klasycznym receptorem jonotropowym, substancja pobudzająca przyłącza się do domeny zewnątrzkomórkowej kanału à następuje otwarcie kanału à napływ jonów Ca do wnętrza. Również i tu gradient Ca musi być skierowany wewnątrzkomórkowo.
3) kanał SMOC – nie jest to receptor jonotropowy, posiada wtórne przekaźniki, nie otwiera go substancja działająca z zewnątrz na receptor lecz powstający wewnątrzkomórkowo second-messenger.
10, Mechanizmy transportu: uniport, symport, antyport.
uniport - swoisty transport przez błonę tylko jednego rodzaju cząsteczek, np. transport glukozy w drodze dyfuzji ułatwionej za pomocą białkowego przenośnika glukozy
symport - rodzaj transportu aktywnego, podczas którego transportowana cząsteczka i jon (Na+ lub H+) przemieszczają się przez błonę w tym samym kierunku; białko uczestniczące w tym procesie nazywane jest przenośnikiem symportowym, np. przenośnik Na+/glukoza.
antyport - jeden z rodzaju transportu cząsteczki przez błonę sprzężony z przemieszczeniem jonu, zazwyczaj Na+ lub H+; Antyport zachodzi wtedy, gdy cząsteczka i jon są przemieszczane w przeciwnych kierunkach; białka biorące udział w tym procesie nazywane są przenośnikami antyportowymi; przykładem antyportu jest pompa sodowo-potasowa.
11. Charakterystyka struktury i efektów pobudzenia receptorów metabotropowych
Receptor metabotropowy składa się z:
1) części zewnątrzkomórkowej do której przyłącza się odpowiedni ligano
2) części transbłonowej zbudowanej z 7 heliksów
3) części wewnątrzkomórkowej która staje się akceptorem/receptorem dla białek adapterowych którymi dla tego typu receptora są białka G.
12. Struktura i funkcja białek G, mechanizm aktywacji.
Białko G jest trymerem zbudowanym z trzech różnych podjednostek: α – do niej przyłączony jest GDP, β, i γ. Charakteryzuje się aktywnością GTP-azową (ma zdolność do hydrolizy GTP).
W warunkach spoczynkowych receptor nie wykazuje powinowactwa do białka G. W momencie, kiedy ligand połączy się z receptorem metabotropowym, zmienia się konformacja części wewnątrzkomórkowej i to sprawia, że białko G może się do tej części przyłączyć. Przyłącza się podjednostka alfa. Skutkiem tego jest aktywacja białka G.
Aktywacja białka G pociąga za sobą kilka konsekwencji:
1. GDP zostaje wymieniony na GTP
2. Po przyłączeniu GTP podjednostka α odłącza się od kompleksu i tworzy tzw. aktywowaną podjednostkę α.
3. Powstały kompleks βγ również staje się aktywny.
4. Obydwa komponenty (alfa-GTP i beta-gamma) działają na swoje białka docelowe.
5. Podjednostka α znajduje związek w formie nieaktywnej i po połączeniu się z tym kompleksem białko staje się białkiem aktywnym i wykazuje swoje działanie.
6. Aktywność GTP-azowa białka G prowadzi do hydrolizy GTP, wskutek czego białko staje się nieaktywne, przyłącza dimer beta-gamma i na miejsce GTP w wyniku hydrolizy powstaje GDP.
Białkiem G dyryguje podjednostka α. Koniec aktywności obu komponentów następuje w momencie hydrolizy GTP przez podjednostkę α.
13. Wrodzone i nabyte defekty białek G.
W patologii człowieka znany jest szereg defektów białek G, które implikują zaburzenia nabyte i wrodzone.
W zakresie schorzeń wrodzonych najlepiej poznana jest rzekoma niedoczynność przytarczyc. Najbardziej znane choroby nabyte to dwie infekcje bakteryjne, w których wykazano, że toksyny wydzielane przez drobnoustroje mają działanie polegające na wiązaniu się z białkami G:
1) toksyna przecinkowca cholery - wiąże się z podjednostką α białka G uniemożliwiając hydrolizę GTP – następuje trwałe pobudzenie receptora. Działa na białka G jelita wywołując biegunki.
2) pałeczka krztuśca – uszkadza serce i OUN.
14. Efektory bezpośrednie i pośrednie receptorów metabotropowych.
Białko G jest swojego rodzaju adaptorem między receptorem metabotropowym a białkami docelowymi. Efektory białek G można podzielić na dwa rodzaje:
1) efektory bezpośrednie – białko G działa bezpośrednio na efektor. Należą do nich kanały jonowe oraz translokazy (permeazy zajmujące się transportem dokomórkowym).
2) efektory pośrednie – enzymy, które są aktywowane przez białka G. Enzymy te generują wtórne przekaźniki. Należą tutaj: cyklaza adenylowa, cyklaza guanylowa, fosfolipaza C, D, A2, fosfodiesteraza cGMP.
16. Receptor sprzężony z cyklazą adenylową, struktura, funkcja, występowanie, efekty pobudzenia.
Cyklaza adenylowa uważana jest za podjednostkę katalityczną receptorów sprzężonych z cyklazą adenylową. To mogą być zarówno receptory dla hormonów jak i dla czynników wzrostu. Są to hormony, które działają na komórkę, nie wnikając do wnętrza, a więc są to hormony o budowie peptydowej.
cAMP powstaje z ATP dzięki enzymowi błonowemu – cyklazie adenylowej. Jest przedstawicielem związków biorących udział w mediowaniu funkcji hormonów zwanych wtórnymi przekaźnikami. Wtórne przekaźniki dotyczą tych receptorów hormonalnych, tych hormonów – które nie wnikają do wnętrza komórki, tylko działają na powierzchnię w układzie w którym hormon jest przekaźnikiem I rzędu.
Cykliczny AMP pobudza kolejny enzym – kinazę białkową A (PKA), a ona pobudza kolejne kinazy lub bezpośrednio działa na białko enzymatyczne (inaktywuje/dezaktywuje je). Jeśli po drodze mamy białko nie enzymatyczne, które ulega fosforyzacji i staje się aktywne lub nieaktywne, ale celem dla PKA jest kolejna kinaza to zachodzi do zjawiska zwanego kaskadą kinaz. W efekcie dochodzi do amplifikacji siły sygnału, działającego na komórkę przez pojedynczą cząsteczkę hormonu. Żeby mechanizm był sprawny, cAMP po pobudzeniu PKA musi zostać zdegradowany. W innej sytuacji następuje przetrwałe pobudzenie wewnątrzkomórkowe receptora. O ile w generowaniu cAMP bierze udział cyklaza adenylowa, tak w jego degradacji uczestniczą fosfodiesterazy. W efekcie powstaje 5’-AMP, który jest związkiem nieaktywnym i bierze udział w resyntezie ATP.
17. Receptor sprzężony z cyklazą guanylową - struktura, występowanie, funkcje, efekty pobudzenia.
Mamy dwa izoenzymy cyklazy guanylowej. Jeden jest sprzężony z błoną, a drugi jest to cytozolowa cyklaza guanylowa.
Pobudzenie cyklazy guanylowej następuje poprzez receptory sprzężone z różnymi hormonami. Najbardziej znany to ANP – przedsionkowy czynnik natriuretyczny. W efekcie następuje przekształcenie GTP w cykliczny GMP à aktywuje on kinazę białkową G à ona aktywuje albo kolejne kinazy, albo fosforyluje odpowiednie białka enzymatyczne aktywując lub inaktywując je. Cykliczny GMP ulega zdegradowaniu podobnie jak było to w przypadku cAMP przez fosfodiesterazu i powstaje 5’-GMP.
18. Fosfodiesterazy cyklicznych nukleotydów – występowanie, substraty, specyficzne inhibitory.
Są one białkami docelowymi dla białek G. U ssaków występują fosfodiesterazy klasy I, jest tu kilka ich typów które różnią się induktorem. Induktory mają różne substraty z którymi reagują.
Najlepiej znanym inhibitorem fosfodiesteraz są metyloksantyny, są to pochodne purynowe występujące w takich roślinach jak kawa, kakao czy herbata. Lokalizacja poszczególnych fosfodiesteraz to różne tkanki, w związku z tym różne jest rozmieszczenie receptorów dla tych enzymów. Np. inhibitorem PDE5 która występuje w ciałach jamistych prącia jest Viagra – blokuje ona rozpad cGMP co powoduje wydłużony wzwód prącia.
Wynika z tego, że w układzie w którym cyklaza guanylowa/adenylowa są białkami docelowymi dla białek G, fosfodiesterazy nie muszą być wcale sterowane białkami G, natomiast w innych układach białko G może bezpośrednio aktywować fosfodiesterazę cyklicznych nukleotydów.
19. Fosfoinozytydy błonowe. Struktura, biosynteza, rola w przekaźnictwie hormonalnym.
Fosfoinozytydy są fosfolipidami błonowymi. Mają jako podstawnik alkohol. Jeśli jest on uwięziony w strukturze fosfolipidów błony mówimy o fosfoinozytydach, a jeśli inozytol jest uwolniony ze struktury fosfolipidu są to inozytole. Okazuje się że jest to pula najbardziej aktywnych metabolicznie fosfolipidów błonowych. Przedstawicielem wszystkich fosfoinozytydów jest PIP2 = ...
temperator