Moleculaire celbiologie
1. Cel-cel communicatie & signaling
Algemene principes van cel-cel communicatie & signaaloverdracht
Bacteriën secreteren een product dat bij hoge concentraties tot gentranscriptie leidt
→ weinig bacteriën ⇒ te weinig product in milieu om gentranscriptie te induceren
→ veel bacteriën ⇒ veel product in het milieu ⇒ gentranscriptie indien de limiet overschreden is
→ product = signaalmolecule
Quorum sensing = bacteriën verspreiden pas licht als de concentratie van bepaalde afgescheiden
producten hoog genoeg is
→ coördinatie van gedrag & virulentie + aanpassing aan nutriënten in het milieu
Principes van signaaltransductie:
● Extracellulaire signalen kunnen over korte of lange afstand werken
○ contact-afhankelijke signalisatie
○ paracriene signalisatie
→ autocriene signalisatie is speciale vorm
→ kankercellen: produceren groeifactoren & expresseren groeireceptor ⇒ ongeremde groei
○ endocriene signalisatie
→ via bloedbaan
○ synaptische signalisatie
→ omzetting van elektrisch signaal naar chemisch signaal dat een elektrisch signaal genereert in de ontvanger
→ zenuwcellen: presynaptische & postsynaptische cel
● Extracellulaire signaalmoleculen binden aan specifieke receptoren
● Elke cel kan verschillende combinaties van extracellulaire signalen herkennen
● Transmembranaire receptoren geven signalen door via intracellulaire signaalmoleculen
● Intracellulaire signalen moeten specifiek zijn
● Intracellulaire signaaltransductie complexen vormen aan geactiveerde receptoren op de plasmamembraan
→ scaffold eiwitten zorgen voor clusteren van signaaleiwitten
→ verschillende signaaleiwitten moeten samen gerekruteerd worden naar de geactiveerde receptor
→ receptor activeert fosfo-inositiden in plasmamembraan ⇒ dienen als docking sites voor signaaleiwitten
Cel-cel communicatie via gespecialiseerde directe verbindingen tussen cellen
→ gap junctions = kanaaltjes die het cytoplasma van 2 cellen rechtstreeks verbinden
→ bestaan uit connexons van connexines
→ hydrofiele aminozuren zijn naar de binnenzijde van het kanaal gericht
→ wateroplosbare moleculen kunnen snel uitgewisseld worden tussen cellen
⇒ cellen zijn functioneel & metabool gekoppeld → cellulaire respons koppeling
→ actiepotentiaal kan zich snel verspreiden over gekoppelde neuronen
→ permeabiliteit wordt gereguleerd
→ toestand is afhankelijk van de aanwezige stoffen
Cel-cel communicatie via ligand-receptor interacties
→ binding van een ligand aan zijn receptor ⇒ signaaltransductie cascade
→ communicatie via extracellulaire signaalmoleculen:
➢ Synthese van de signaalmolecule
➢ Secretie van de signaalmolecule
➢ Transport naar de doelwitcel
➢ Binding op een specifieke receptor
➢ Wijziging van functie van de doelwitcel
, ➢ Uitdoven van het signaal
→ liganden kunnen binden aan extracellulaire of intracellulaire receptoren
→ eenzelfde ligand kan verschillende responsen induceren in verschillende cellen
3 grote types membraanreceptoren:
● Ionkanaal gekoppelde receptoren
○ zenuwstelsel: neurotransmitters vrijgesteld in synaptische spleet ⇒ opening ionkanalen
⇒ transformatie van chemisch signaal in elektrisch signaal
→ signalen snel doorgegeven door depolarisatie van plasmamembraan in axon
● G-proteïne gekoppelde receptoren
○ activeren een enzym of een ionkanaal via G-proteïnen als intermediair
● Enzym gekoppelde receptoren
○ (in)directe enzymatische activiteit
Signaaltransductoren:
● Enzymen ⇒ second messengers
→ in grote hoeveelheden geproduceerd ⇒ amplificatie van het signaal
→ wijzigen de werking van andere cytosolische eiwitten
→ cAMP, cGMP, DAG, IP3 & Ca2+
● Eiwitkinasen
→ fosforyleren eiwitten op serine/threonine of tyrosine
→ sommige eiwitten geïnhibeerd door fosforylatie
→ moleculaire switch = inhibitie van signaaltransductie is even belangrijk als activatie
● GTP-bindende eiwitten
→ gereguleerd door GTP binding
→ in associatie met GTP of GDP
→ signalen leiden tot uitwisseling
→ uitschakeling door GTPase activiteit
→ GEF = guanine exchange factor
→ GAP = GTPase activating factor
● Adapter eiwitten
→ bezitten zelf geen katalytische activiteit ⇒ brugfunctie tussen verschillende signaaleiwitten
→ geconserveerde eiwit modules
, → SH2 domein herkent P-Tyr motieven
→ PH domein herkent fosfo-inositiden in de plasmamembraan
→ SH3 herkent proline stretches
Verschillende PTMs zijn belangrijk bij signaaltransductie:
● Ubiquitinering
● Sumoylering
● Acetylering
→ reversible modificaties
→ kan vaak herkend worden door andere eiwitten
→ leiden soms tot degradatie van target eiwit of docking naar een andere plaats
Elk signaal moet transient zijn
→ moet aan & af gezet kunnen worden
→ geregeld door hoeveelheid of halfwaardetijd van het ligand of aanwezigheid van receptor te regelen
→ geregeld door andere componenten verder stroomafwaarts gelegen te blokkeren
→ via negatieve feedback regulatie
Regulatie ter hoogte van het ligand:
● Synthese van het ligand
○ strikte transcriptionele controle
→ kortstondige activering van het gen voor het ligand ⇒ kortstondige productie van het ligand
○ destabiliserende sequenties in 3’ UTR
● Ligand secretie
○ kortstondige vrijstelling vanuit vesikels
● Ligand halfwaardetijd
○ halfwaardetijd = tijd waarin de concentratie van het ligand met de helft vermindert
○ hoe langer een ligand in voldoende concentratie aanwezig is, hoe langer het de cel kan activeren
○ grote verschillen in verschillende liganden
Regulatie ter hoogte van de receptor:
, Stikstofmonoxide signalisatie
→ vrij radicaal met korte levensduur
⇒ wordt snel omgezet naar nitraat & nitriet
⇒ enkel autocrien & paracrien effect
Angina pectoris = vernauwing van de kransslagaders ⇒ zuurstoftekort in hart & kramp in hartspier
→ behandeling met nitroglycerine
Endotheliale NO synthase = eNOS ⇒ arginine wordt omgezet in citrulline & NO
→ NO diffundeert & komt in gladde spiercellen terecht
→ GTP wordt omgezet in cGMP
→ heterodimeer met haemgroep tussen 2 subeenheden
→ NO bindt op haemgroep ⇒ conformatie wijziging ⇒ stimulatie van katalytische activiteit
→ second messenger → activeert proteïne kinase G
⇒ fosforyleert myosine light chain fosfatase ⇒ defosforylatie van myosine lichte keten ⇒ relaxatie
cGMP fosfodiesterase (PDE) ⇒ hydrolyse van cGMP ⇒ negatieve regulatie
⇒ verkorten werking van NO
2. G-proteïne gekoppelde receptoren (GPCR)
Algemene GPCR signaling
Basisstructuur van GPCRs:
● 7 transmembrane helices
● N-terminus ligt extracellulair
● C-terminus ligt cytosolisch
G-eiwitten = GTP-bindende proteïnen
→ Gα, Gβ & G γ
→ inactieve vorm bindt aan GDP
Ligandbinding ⇒ structuurwijziging in GPCR ⇒ binding van G-proteïnen mogelijk
⇒ structuurwijziging in Gα subeenheid ⇒ activatie van membraan-verankerde enzymen of ionkanalen
2 domeinen van Gα zijn betrokken bij binding van Gβ
→ Switch I & II
→ GTP binding ⇒ sterke structuurwijziging in switch-gebieden ⇒ verlies van Gβ-binding ⇒ dissociatie van Gα
Vrijgekomen oppervlak van GβGγ kan nu ook een associatie met doelwit eiwitten aangaan
Gα induceert een structuurwijziging in het doelwit enzym ⇒ activatie van het enzym
Zolang liganden gebonden blijven op de receptor kunnen bijkomende G-proteïnen geactiveerd worden
⇒ amplificatie van het signaal
1. Cel-cel communicatie & signaling
Algemene principes van cel-cel communicatie & signaaloverdracht
Bacteriën secreteren een product dat bij hoge concentraties tot gentranscriptie leidt
→ weinig bacteriën ⇒ te weinig product in milieu om gentranscriptie te induceren
→ veel bacteriën ⇒ veel product in het milieu ⇒ gentranscriptie indien de limiet overschreden is
→ product = signaalmolecule
Quorum sensing = bacteriën verspreiden pas licht als de concentratie van bepaalde afgescheiden
producten hoog genoeg is
→ coördinatie van gedrag & virulentie + aanpassing aan nutriënten in het milieu
Principes van signaaltransductie:
● Extracellulaire signalen kunnen over korte of lange afstand werken
○ contact-afhankelijke signalisatie
○ paracriene signalisatie
→ autocriene signalisatie is speciale vorm
→ kankercellen: produceren groeifactoren & expresseren groeireceptor ⇒ ongeremde groei
○ endocriene signalisatie
→ via bloedbaan
○ synaptische signalisatie
→ omzetting van elektrisch signaal naar chemisch signaal dat een elektrisch signaal genereert in de ontvanger
→ zenuwcellen: presynaptische & postsynaptische cel
● Extracellulaire signaalmoleculen binden aan specifieke receptoren
● Elke cel kan verschillende combinaties van extracellulaire signalen herkennen
● Transmembranaire receptoren geven signalen door via intracellulaire signaalmoleculen
● Intracellulaire signalen moeten specifiek zijn
● Intracellulaire signaaltransductie complexen vormen aan geactiveerde receptoren op de plasmamembraan
→ scaffold eiwitten zorgen voor clusteren van signaaleiwitten
→ verschillende signaaleiwitten moeten samen gerekruteerd worden naar de geactiveerde receptor
→ receptor activeert fosfo-inositiden in plasmamembraan ⇒ dienen als docking sites voor signaaleiwitten
Cel-cel communicatie via gespecialiseerde directe verbindingen tussen cellen
→ gap junctions = kanaaltjes die het cytoplasma van 2 cellen rechtstreeks verbinden
→ bestaan uit connexons van connexines
→ hydrofiele aminozuren zijn naar de binnenzijde van het kanaal gericht
→ wateroplosbare moleculen kunnen snel uitgewisseld worden tussen cellen
⇒ cellen zijn functioneel & metabool gekoppeld → cellulaire respons koppeling
→ actiepotentiaal kan zich snel verspreiden over gekoppelde neuronen
→ permeabiliteit wordt gereguleerd
→ toestand is afhankelijk van de aanwezige stoffen
Cel-cel communicatie via ligand-receptor interacties
→ binding van een ligand aan zijn receptor ⇒ signaaltransductie cascade
→ communicatie via extracellulaire signaalmoleculen:
➢ Synthese van de signaalmolecule
➢ Secretie van de signaalmolecule
➢ Transport naar de doelwitcel
➢ Binding op een specifieke receptor
➢ Wijziging van functie van de doelwitcel
, ➢ Uitdoven van het signaal
→ liganden kunnen binden aan extracellulaire of intracellulaire receptoren
→ eenzelfde ligand kan verschillende responsen induceren in verschillende cellen
3 grote types membraanreceptoren:
● Ionkanaal gekoppelde receptoren
○ zenuwstelsel: neurotransmitters vrijgesteld in synaptische spleet ⇒ opening ionkanalen
⇒ transformatie van chemisch signaal in elektrisch signaal
→ signalen snel doorgegeven door depolarisatie van plasmamembraan in axon
● G-proteïne gekoppelde receptoren
○ activeren een enzym of een ionkanaal via G-proteïnen als intermediair
● Enzym gekoppelde receptoren
○ (in)directe enzymatische activiteit
Signaaltransductoren:
● Enzymen ⇒ second messengers
→ in grote hoeveelheden geproduceerd ⇒ amplificatie van het signaal
→ wijzigen de werking van andere cytosolische eiwitten
→ cAMP, cGMP, DAG, IP3 & Ca2+
● Eiwitkinasen
→ fosforyleren eiwitten op serine/threonine of tyrosine
→ sommige eiwitten geïnhibeerd door fosforylatie
→ moleculaire switch = inhibitie van signaaltransductie is even belangrijk als activatie
● GTP-bindende eiwitten
→ gereguleerd door GTP binding
→ in associatie met GTP of GDP
→ signalen leiden tot uitwisseling
→ uitschakeling door GTPase activiteit
→ GEF = guanine exchange factor
→ GAP = GTPase activating factor
● Adapter eiwitten
→ bezitten zelf geen katalytische activiteit ⇒ brugfunctie tussen verschillende signaaleiwitten
→ geconserveerde eiwit modules
, → SH2 domein herkent P-Tyr motieven
→ PH domein herkent fosfo-inositiden in de plasmamembraan
→ SH3 herkent proline stretches
Verschillende PTMs zijn belangrijk bij signaaltransductie:
● Ubiquitinering
● Sumoylering
● Acetylering
→ reversible modificaties
→ kan vaak herkend worden door andere eiwitten
→ leiden soms tot degradatie van target eiwit of docking naar een andere plaats
Elk signaal moet transient zijn
→ moet aan & af gezet kunnen worden
→ geregeld door hoeveelheid of halfwaardetijd van het ligand of aanwezigheid van receptor te regelen
→ geregeld door andere componenten verder stroomafwaarts gelegen te blokkeren
→ via negatieve feedback regulatie
Regulatie ter hoogte van het ligand:
● Synthese van het ligand
○ strikte transcriptionele controle
→ kortstondige activering van het gen voor het ligand ⇒ kortstondige productie van het ligand
○ destabiliserende sequenties in 3’ UTR
● Ligand secretie
○ kortstondige vrijstelling vanuit vesikels
● Ligand halfwaardetijd
○ halfwaardetijd = tijd waarin de concentratie van het ligand met de helft vermindert
○ hoe langer een ligand in voldoende concentratie aanwezig is, hoe langer het de cel kan activeren
○ grote verschillen in verschillende liganden
Regulatie ter hoogte van de receptor:
, Stikstofmonoxide signalisatie
→ vrij radicaal met korte levensduur
⇒ wordt snel omgezet naar nitraat & nitriet
⇒ enkel autocrien & paracrien effect
Angina pectoris = vernauwing van de kransslagaders ⇒ zuurstoftekort in hart & kramp in hartspier
→ behandeling met nitroglycerine
Endotheliale NO synthase = eNOS ⇒ arginine wordt omgezet in citrulline & NO
→ NO diffundeert & komt in gladde spiercellen terecht
→ GTP wordt omgezet in cGMP
→ heterodimeer met haemgroep tussen 2 subeenheden
→ NO bindt op haemgroep ⇒ conformatie wijziging ⇒ stimulatie van katalytische activiteit
→ second messenger → activeert proteïne kinase G
⇒ fosforyleert myosine light chain fosfatase ⇒ defosforylatie van myosine lichte keten ⇒ relaxatie
cGMP fosfodiesterase (PDE) ⇒ hydrolyse van cGMP ⇒ negatieve regulatie
⇒ verkorten werking van NO
2. G-proteïne gekoppelde receptoren (GPCR)
Algemene GPCR signaling
Basisstructuur van GPCRs:
● 7 transmembrane helices
● N-terminus ligt extracellulair
● C-terminus ligt cytosolisch
G-eiwitten = GTP-bindende proteïnen
→ Gα, Gβ & G γ
→ inactieve vorm bindt aan GDP
Ligandbinding ⇒ structuurwijziging in GPCR ⇒ binding van G-proteïnen mogelijk
⇒ structuurwijziging in Gα subeenheid ⇒ activatie van membraan-verankerde enzymen of ionkanalen
2 domeinen van Gα zijn betrokken bij binding van Gβ
→ Switch I & II
→ GTP binding ⇒ sterke structuurwijziging in switch-gebieden ⇒ verlies van Gβ-binding ⇒ dissociatie van Gα
Vrijgekomen oppervlak van GβGγ kan nu ook een associatie met doelwit eiwitten aangaan
Gα induceert een structuurwijziging in het doelwit enzym ⇒ activatie van het enzym
Zolang liganden gebonden blijven op de receptor kunnen bijkomende G-proteïnen geactiveerd worden
⇒ amplificatie van het signaal
