Molecular Biology of the Cell
CELL COMMUNICATION
Part I: General Principles
Evolutie
- Bacteriën waren 2,5 miljard jaar eerder dan multicellulaire organismen aanwezig
- Mechanismen van cellen om het gedrag van andere cellen te beïnvloeden waren wss al aanwezig in eencellige
organismen
Bv. de paringsfactor bij gist
Cel-celcommunicatie door extracellulair signaal : 6 stappen
1. Synthese signaalmoleculen door signaalcellen
Verschillende types moleculen (hogere organismen)
o Proteïnen, kleine ppetiden, aminozuren, steroïden, retinoïden, vetzuurderivaten, stikstofoxide
2. Vrijlaten van signaalmoleculen door signaalcellen
3. Transport naar targetcel
Passief of actief
4. Detectie van signaal door specifieke receptor: °receptor-ligand complex
Ligand = het signaal
Lage concentratie signaalmoleculen (< 10-8 M)
Hoge bindingsaffiniteit
Receptor (meestal transmembraan structuur) ondergaat
conformatiewijzigingen
→ cascade van intracellulaire signaalproteïnes
5. Trigger productie specifieke cellulaire respons
Verandering in: cellulaire metabolisme, functie of ontwikkeling
specifiek voor ligand-receptor complex
specifiek voor de corresponderende cel
6. Verwijdering van signaalmolecule
Degradatie
Einde cellulaire respons
Binding op celoppervlak-receptoren Binding op intracellulaire receptoren
Hydrofiel signaal molecule Kleine hydrofobe signaalmolecule
➔ Plasmamembraan langs buitenkant hydrofiel ➔ Want doorheen binnenkant membraan =
hydrofoob
➔ Bindt aan carrier proteïne
➔ Kan cel binnen gaan en op zoek gaan naar
receptor
Extracellulaire signalen: op korte of lange afstand
❖ Contact-dependent
Cellen moeten elkaar aanraken om signaal door te geven
Membraangebonden signaal
Membraangebonden receptor
❖ Paracriene signalering
Korte afstand
Lokale mediatoren (signaalmoleculen) → in medium rondom cel → diffusie in nabijgelegen cellen
1 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
, ❖ Endocriene signalering
Lange afstand
Hormonen in bloedbaan
Wordt gebruikt wanneer de transportafstand de diffusiecapaciteit
overschrijdt
Meestal traag
Hormonen kunnen werken bij heel lage concentraties
❖ Synaptische signalering
Lange afstand
Neuronen binden dmv synapsen (= kleine opening tussen neuronen)
Vrijlating chemische substanties (neurotransmitters) van pre-synaptische
neuron naar post-synaptische neuron met specifieke receptoren
o Hoge lokale concentratie in synaps
o Receptoren met lage affiniteit
Neuron kan binden met andere cellen of andere neuronen
Heel snel: elektrisch signaal (100 m/s → 100 nm/msec)
Bv. van hersenen naar vingertop
❖ Autocriene signalering
Vorm van paracriene signalering
Signaalmoleculen binden op eigen receptor
o Gebruikt om ontwikkelingsbeslissingen te versterken
Community effect = hele groep tezamen = heel effectief
In kankercellen → positieve feedbackloop
Gap junctions
= manier om signaleringsinformatie door te geven
→ uitwisseling van kleine intracellulaire signaalmoleculen: Ca 2+ (calciumpomp), cAMP…
Elke cel is geprogrammeerd om te reageren op specifieke combinaties van signalen
Cellulaire respons = gebaseerd op input
- Sterven: apoptose → als signalen ontbreken
Verschillende cellen kunnen anders reageren op hetzelfde signaal: bv. acetylcholine
a) Hartspier gaat ontspannen
b) Skeletspier contractie
c) Speekselklier secretie
2 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
,Aanpassing concentratie signaalmolecule
- Tijdens ontwikkeling: als signaal verdwijnt, blijven de veranderingen bestaan
- Bij volwassenen: respons verdwijnt meestal als signaal verdwijnt
Signaal is van voorbijgaande aard omdat de onstabiele molecule continue worden omgezet (turnover)
Snelheid van cellulaire respons op signaalverwijdering hangt af van turnover rate
Stikstofoxide (NO)
- Bij zoogdieren: regulatie contractie van gladde spieren → zorgt voor relaxatie
- Duur: in seconden!
1. NO gas geproduceerd door deaminatie van arginine door NO synthase (geactiveerd door acetylcholine)
2. Opgeloste NO verspreidt snel: diffusie in naburige cel
Halveringstijd = 5-10 sec → heel snelle daling concentratie
3. Bindt op ijzer in actieve site van guanylyl cyclase (intracellulair enzym) → °cGMP
4. cGMP heeft hoge turnover rate → degradatie door cGMP fosfodiesterase
Viagra: inhibeert cGMP fosfodiesterase zodat spier in contractie blijft
Nucleaire receptor
Herhaling: sommige signaalmoleculen zijn kleine hydrofobe moleculen → doorheen celmembraan en binden op
intracellulaire receptor → bv. nucleaire receptor
Water-onoplosbare moleculen kunnen langer volhouden dan oplosbare + hebben een respons dat langer meegaat
Bv. cortisol, estradiol, retinoïden, vitaminen… → via bloedbaan naar binnen in cel
❖ Superfamilie
Na binding met ligand: receptor bindt DNA om transcriptie of specifieke genen te reguleren
Deze receptoren zijn structureel gerelateerd → “superfamilie”
Voor veel receptoren is de ligand onbekend = orphan receptoren
❖ Hydrofobe moleculen: hormonen
Nucleair receptor met versch domeinen + aan chaperonen gebonden
o Worden eraf gehaald → activatie
Receptor bindt als homo- of heterodimeer op DNA
Inactieve receptor = in cytoplasma of al aanwezig in nucleus
Genactivatie meestal afh van meerdere signalen!
Bv. bij anticonceptiepil!!
3 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
,3 klassen van celoppervlak-receptor proteïnen
- Binden hydrofiele (wateroplosbare) signaalmoleculen
- Het zijn signaaltransducers: extracellulair signaal omzetten naar intracellulair
❖ Ion-channel-linked receptors
Neurobiologie (synaptische signalering)
❖ G-protein-linked receptors
G-proteïne bindt aan een transmembraanreceptor met 7 transmembranale domeinen
°G geactiveerd → activeert andere enzymen dat bv. cAMP aanmaken
❖ Enzyme-linked receptors
Functioneren als enzym: dimerisatie (blauw) (door homo of hetero signaalmoleculedimeer)
OF activeren een bepaald enzym
Kinase activiteit / fosforylatie
Intracellulaire signaalmolecule
= second messenger → amplificeert uiteindelijk het signaal
- Kleine intracellulaire mediatoren:
In grote hoeveelheden geproduceerd als respons van geactiveerde receptor
Diffusie van bron naar ander deel van de cel
cAMP of Ca2+
Binden aan intracellulaire signaalproteïnen
Intracellulaire signaalproteïnen
- Proteïnes die ook second messengers genereren ofwel het volgende proteïne
activeren
- Scaffold protein: zorgt ervoor dat andere proteïnes niet random drijven maar
gelokaliseerd zitten
Relay proteins, adaptor proteins en receptor
- AMPLIFICATIE : small intracellular mediators → zorgt voor meerdere
effecten
Bij hormonen: GEEN amplificatie!!
4 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
, ❖ Sommigen zijn moleculaire switches
Als ze een signaal krijgen worden ze geactiveerd
(in)activatie via fosforylatie: ATP (in)activatie via GTP-binding
- Actief: kinase: fosforylatie - Actief: GTP gebonden
Serine/threonine kinase: fosforylatie van - Inactief: GDP gebonden
hydroxylgroep van Ser en Thr intrinsieke GTPase activiteit
Tyrosine kinase: fosforylatie van Tyr GTP hydrolyse
2% van onze genen coderen proteine kinase
- Inactief: fosfatase: defosforylatie
- Ze kunnen fosforylatie cascades vormen (kinases
activeren andere kinases etc)
- 1/3e van proteïnes = gefosforyleerd
Modular binding domains
- Assemblage van proteïnen hangt af van kleine binding domeinen
- Elk domein bind een bepaald structureel motief van een bindingspartner
- Deze modulaire structuur vergemakkelijkte wss de evolutie van signaaleiwitten door
bestaande domeinen samen te voegen
- (Modulair = systeem waarbij “onderdelen” uitwisselbaar zijn met diverse modellen)
- Kan soms heel complex zijn!
- (Namen niet te kennen)
Turnover rate & signalering (!!!!)
Een hoge turnover is nodig voor een snel antwoord!
Voorbeelden:
Intracellulair signaalmolecule X Intracellulair signaalmolecule Y
- 1000 moleculen/cel - 1000 moleculen/cel
- Synthese + degradatie: 10 molecules/cel - Synthese + degradatie: 100 molecules/cel
(turnover) (turnover)
- Gemiddelde levensduur: 100 sec - Gemiddelde levensduur: 10 sec
- Bij ontvangst signaal: snelheid x 10 - Bij ontvangst signaal: snelheid x 10
Dus 1 seconde later zal de concentratie van X gestegen Dus 1 seconde later zal de concentratie van Y gestegen
zijn met: (10 x 10 – 10) = 90 molecules zijn met: (10 x 100 – 10) = 900 molecules
5 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
CELL COMMUNICATION
Part I: General Principles
Evolutie
- Bacteriën waren 2,5 miljard jaar eerder dan multicellulaire organismen aanwezig
- Mechanismen van cellen om het gedrag van andere cellen te beïnvloeden waren wss al aanwezig in eencellige
organismen
Bv. de paringsfactor bij gist
Cel-celcommunicatie door extracellulair signaal : 6 stappen
1. Synthese signaalmoleculen door signaalcellen
Verschillende types moleculen (hogere organismen)
o Proteïnen, kleine ppetiden, aminozuren, steroïden, retinoïden, vetzuurderivaten, stikstofoxide
2. Vrijlaten van signaalmoleculen door signaalcellen
3. Transport naar targetcel
Passief of actief
4. Detectie van signaal door specifieke receptor: °receptor-ligand complex
Ligand = het signaal
Lage concentratie signaalmoleculen (< 10-8 M)
Hoge bindingsaffiniteit
Receptor (meestal transmembraan structuur) ondergaat
conformatiewijzigingen
→ cascade van intracellulaire signaalproteïnes
5. Trigger productie specifieke cellulaire respons
Verandering in: cellulaire metabolisme, functie of ontwikkeling
specifiek voor ligand-receptor complex
specifiek voor de corresponderende cel
6. Verwijdering van signaalmolecule
Degradatie
Einde cellulaire respons
Binding op celoppervlak-receptoren Binding op intracellulaire receptoren
Hydrofiel signaal molecule Kleine hydrofobe signaalmolecule
➔ Plasmamembraan langs buitenkant hydrofiel ➔ Want doorheen binnenkant membraan =
hydrofoob
➔ Bindt aan carrier proteïne
➔ Kan cel binnen gaan en op zoek gaan naar
receptor
Extracellulaire signalen: op korte of lange afstand
❖ Contact-dependent
Cellen moeten elkaar aanraken om signaal door te geven
Membraangebonden signaal
Membraangebonden receptor
❖ Paracriene signalering
Korte afstand
Lokale mediatoren (signaalmoleculen) → in medium rondom cel → diffusie in nabijgelegen cellen
1 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
, ❖ Endocriene signalering
Lange afstand
Hormonen in bloedbaan
Wordt gebruikt wanneer de transportafstand de diffusiecapaciteit
overschrijdt
Meestal traag
Hormonen kunnen werken bij heel lage concentraties
❖ Synaptische signalering
Lange afstand
Neuronen binden dmv synapsen (= kleine opening tussen neuronen)
Vrijlating chemische substanties (neurotransmitters) van pre-synaptische
neuron naar post-synaptische neuron met specifieke receptoren
o Hoge lokale concentratie in synaps
o Receptoren met lage affiniteit
Neuron kan binden met andere cellen of andere neuronen
Heel snel: elektrisch signaal (100 m/s → 100 nm/msec)
Bv. van hersenen naar vingertop
❖ Autocriene signalering
Vorm van paracriene signalering
Signaalmoleculen binden op eigen receptor
o Gebruikt om ontwikkelingsbeslissingen te versterken
Community effect = hele groep tezamen = heel effectief
In kankercellen → positieve feedbackloop
Gap junctions
= manier om signaleringsinformatie door te geven
→ uitwisseling van kleine intracellulaire signaalmoleculen: Ca 2+ (calciumpomp), cAMP…
Elke cel is geprogrammeerd om te reageren op specifieke combinaties van signalen
Cellulaire respons = gebaseerd op input
- Sterven: apoptose → als signalen ontbreken
Verschillende cellen kunnen anders reageren op hetzelfde signaal: bv. acetylcholine
a) Hartspier gaat ontspannen
b) Skeletspier contractie
c) Speekselklier secretie
2 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
,Aanpassing concentratie signaalmolecule
- Tijdens ontwikkeling: als signaal verdwijnt, blijven de veranderingen bestaan
- Bij volwassenen: respons verdwijnt meestal als signaal verdwijnt
Signaal is van voorbijgaande aard omdat de onstabiele molecule continue worden omgezet (turnover)
Snelheid van cellulaire respons op signaalverwijdering hangt af van turnover rate
Stikstofoxide (NO)
- Bij zoogdieren: regulatie contractie van gladde spieren → zorgt voor relaxatie
- Duur: in seconden!
1. NO gas geproduceerd door deaminatie van arginine door NO synthase (geactiveerd door acetylcholine)
2. Opgeloste NO verspreidt snel: diffusie in naburige cel
Halveringstijd = 5-10 sec → heel snelle daling concentratie
3. Bindt op ijzer in actieve site van guanylyl cyclase (intracellulair enzym) → °cGMP
4. cGMP heeft hoge turnover rate → degradatie door cGMP fosfodiesterase
Viagra: inhibeert cGMP fosfodiesterase zodat spier in contractie blijft
Nucleaire receptor
Herhaling: sommige signaalmoleculen zijn kleine hydrofobe moleculen → doorheen celmembraan en binden op
intracellulaire receptor → bv. nucleaire receptor
Water-onoplosbare moleculen kunnen langer volhouden dan oplosbare + hebben een respons dat langer meegaat
Bv. cortisol, estradiol, retinoïden, vitaminen… → via bloedbaan naar binnen in cel
❖ Superfamilie
Na binding met ligand: receptor bindt DNA om transcriptie of specifieke genen te reguleren
Deze receptoren zijn structureel gerelateerd → “superfamilie”
Voor veel receptoren is de ligand onbekend = orphan receptoren
❖ Hydrofobe moleculen: hormonen
Nucleair receptor met versch domeinen + aan chaperonen gebonden
o Worden eraf gehaald → activatie
Receptor bindt als homo- of heterodimeer op DNA
Inactieve receptor = in cytoplasma of al aanwezig in nucleus
Genactivatie meestal afh van meerdere signalen!
Bv. bij anticonceptiepil!!
3 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
,3 klassen van celoppervlak-receptor proteïnen
- Binden hydrofiele (wateroplosbare) signaalmoleculen
- Het zijn signaaltransducers: extracellulair signaal omzetten naar intracellulair
❖ Ion-channel-linked receptors
Neurobiologie (synaptische signalering)
❖ G-protein-linked receptors
G-proteïne bindt aan een transmembraanreceptor met 7 transmembranale domeinen
°G geactiveerd → activeert andere enzymen dat bv. cAMP aanmaken
❖ Enzyme-linked receptors
Functioneren als enzym: dimerisatie (blauw) (door homo of hetero signaalmoleculedimeer)
OF activeren een bepaald enzym
Kinase activiteit / fosforylatie
Intracellulaire signaalmolecule
= second messenger → amplificeert uiteindelijk het signaal
- Kleine intracellulaire mediatoren:
In grote hoeveelheden geproduceerd als respons van geactiveerde receptor
Diffusie van bron naar ander deel van de cel
cAMP of Ca2+
Binden aan intracellulaire signaalproteïnen
Intracellulaire signaalproteïnen
- Proteïnes die ook second messengers genereren ofwel het volgende proteïne
activeren
- Scaffold protein: zorgt ervoor dat andere proteïnes niet random drijven maar
gelokaliseerd zitten
Relay proteins, adaptor proteins en receptor
- AMPLIFICATIE : small intracellular mediators → zorgt voor meerdere
effecten
Bij hormonen: GEEN amplificatie!!
4 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
, ❖ Sommigen zijn moleculaire switches
Als ze een signaal krijgen worden ze geactiveerd
(in)activatie via fosforylatie: ATP (in)activatie via GTP-binding
- Actief: kinase: fosforylatie - Actief: GTP gebonden
Serine/threonine kinase: fosforylatie van - Inactief: GDP gebonden
hydroxylgroep van Ser en Thr intrinsieke GTPase activiteit
Tyrosine kinase: fosforylatie van Tyr GTP hydrolyse
2% van onze genen coderen proteine kinase
- Inactief: fosfatase: defosforylatie
- Ze kunnen fosforylatie cascades vormen (kinases
activeren andere kinases etc)
- 1/3e van proteïnes = gefosforyleerd
Modular binding domains
- Assemblage van proteïnen hangt af van kleine binding domeinen
- Elk domein bind een bepaald structureel motief van een bindingspartner
- Deze modulaire structuur vergemakkelijkte wss de evolutie van signaaleiwitten door
bestaande domeinen samen te voegen
- (Modulair = systeem waarbij “onderdelen” uitwisselbaar zijn met diverse modellen)
- Kan soms heel complex zijn!
- (Namen niet te kennen)
Turnover rate & signalering (!!!!)
Een hoge turnover is nodig voor een snel antwoord!
Voorbeelden:
Intracellulair signaalmolecule X Intracellulair signaalmolecule Y
- 1000 moleculen/cel - 1000 moleculen/cel
- Synthese + degradatie: 10 molecules/cel - Synthese + degradatie: 100 molecules/cel
(turnover) (turnover)
- Gemiddelde levensduur: 100 sec - Gemiddelde levensduur: 10 sec
- Bij ontvangst signaal: snelheid x 10 - Bij ontvangst signaal: snelheid x 10
Dus 1 seconde later zal de concentratie van X gestegen Dus 1 seconde later zal de concentratie van Y gestegen
zijn met: (10 x 10 – 10) = 90 molecules zijn met: (10 x 100 – 10) = 900 molecules
5 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
