Cellsignalering

Question 1

Förklara generellt vad cellsignalering är och hur det fungerar.

Answer 1

Cellsignalering är viktigt för alla celler, men framförallt i multicellulära organismer. Det används för att celler ska kunna kommunicera med varandra, tex celldelning, cellrörelse, apoptos osv. Cellsignalering fungerar kortfattat genom att ett extracellulärt signalämne binder till en receptor på utsidan av cellens membran, vilket sätter igång en kaskad av reaktioner inuti cellen som förmedlar signalen vidare och celler svarar med en beteendeändring.

Question 2

Ge exempel på ämnen som kan agera signalsubstanser.

Answer 2

Gaser, tex NO3 eller proteiner, tex insulin.

Question 3

Förklara kortfattat vad juxtakrin (kontakt-)signalering innebär.

Answer 3

Juxtrakrin signalering innebär att ett signalämne på en cells membran binder på en receptor på en cell i kontakt med signalcellen. (cell-cell signalering)

Question 4

Förklara kortfattat vad endokrin signalering innebär.

Answer 4

Endokrin signalering innebär att en cell producerar och skickar ut ett signalämne (hormon) i blodomloppet för att transporteras till målcell i en annan del av kroppen.

Question 5

Förklara kortfattat vad parakrin signalering innebär.

Answer 5

Parakrin signalering innebär att ett signalämne skickas ut i dess närhet (lokalt), och binder till receptorer på/i närliggande celler.

Question 6

Förklara kortfattat vad autokrin signalering innebär.

Answer 6

Autokrin signalering innebär att cellen skickar ut ett signalämne som sedan binder till en receptor på/i cellen själv och ger en respons/beteendeändring.

Question 7

Cellsignalering sker i många steg, förklara dem olika stegen kortfattat.

Answer 7

1. Syntes av signalsubstans
2. Aktivering av signal
3. Transport till och lagring i endosomer
4. Exocytos
5. Transport till mottagarcell
6. Signalmolekyl binder till mottagarcellens receptor
7. Signalöverföring (aktivering av signalväg)
8. Översättning till svar/respons, effektorproteiner ändrar cellbeteende.
9. Signal avslutas.

Question 8

Varje cell möter hundratals olika signalmolekyler i sin omgivning. Hur kan det ge specifika reaktioner?

Answer 8

Cellen “förstår” bara de signaler som den har receptorer för, och reagerar därför endast på några få utvalda signalmolekyler (beroende på celltyp).

Question 9

Varje cell möter hundratals olika signalmolekyler i sin omgivning. Hur kan det ge specifika reaktioner?

Answer 9

Cellen “förstår” bara de signaler som den har receptorer för, och reagerar därför endast på några få utvalda signalmolekyler (beroende på celltyp).

Question 10

Ger en signalmolekyl alltid samma respons i celler?

Answer 10

Nej! beroende på celltyp (mängd och typ receptorer) kan en signalmolekyl ge helt olika svar i olika celler. Tex Acetylcholin sänker hjärtslagsrytmen i hjärtmuskelceller, ökar produktion av saliv i salivkörtelceller och ger kontraktion av skelettmuskelceller.

Question 11

Ger en signal alltid samma respons i en cell?

Answer 11

Nej, celler har ofta flera olika receptorer samt olika många av dem, så en viss kombination av olika signaler kan ge väldigt specifika och komplexa responser.

Question 12

Vilka två typer av signalreceptorer finns?

Answer 12

Extracellulära: receptor i/på cellmembranet.
Intracellulära: Receptor inuti cellen.

Question 13

Vilka typer av signaler är i regel snabba vs lånsamma?

Answer 13

Signaler som påverkar proteinfunktion går ofta snabbt, medan signaler som går in i kärnan för att ändra gen-expression i regel går långsamt.

Question 14

Hur fungerar membranreceptorer (vanligast) i stora drag?

Answer 14

Membranreceptorer spänner över membranet och har en (eller flera) extracellulär domän, samt en intracellulär domän. Signalmolekyler som binder till membranreceptorer är ofta stora och/eller vattenlösliga (tex, proteiner, peptider eller små hydrofila molekyler (t.ex. joner)). När signalmolekylen binder till den extracellulära domänen ändras konformationen på receptorn vilket förmedlar en signal inuti cellen. Signalen inuti cellen startar en kaskad av olika intracellulära signalreaktioner via intracellulära signalmolekyler och i slutändan sker en beteendeändring i cellen. Många av produkterna i nätverket av signaler kan ge feedback som förstärker/stoppar signalen etc.

Question 15

Förklara vad som menas med “molekylära switchar”.

Answer 15

Molekylära switchar är molekyler som reversibelt kan aktiveras/inaktiveras (två eller fler stabila lägen) tex ett protein som förmedlar en signalreaktion. Detta för att göra signalproteinet redo att förmedla nästa signal. Den vanligaste mekanismen för detta är protein-fosforylering, alltså kinaser som fosforylerar och fosfataser som defosforylerar vilket aktiverar/inaktiverar signalproteinet. En annan vanlig mekanism är molekyler som är GTP/GDP bindande, där signalproteinet är inaktivt när det är bundet till GDP och blir aktivt när GDP byts ut mot GTP.

Question 16

Signaler behöver regleras och det kan tex skötas med feedback. Vad innebär positiv/negativ feedback?

Answer 16

Positiv feedback är när en produkt förstärker signalen, negativ feedback innebär att den bildade produkten modererar/stänger av signalen.

Question 17

Vilka är de tre centrala typerna av membranreceptorer?

Answer 17

1. Jon-kanals-kopplade receptorer: vanligt i synapser i nervsystemet. Generellt stängda jonkanaler och öppnas av att signalmolekyl binder.
2. G-protein kopplade receptorer (GPCR): Aktiverar ett G-protein som delas upp i två komplex som kan aktivera tex enzymer eller jonkanaler.
3. Enzym kopplade receptorer: Två subenheter som dimeriserar när ligand binder. Receptorn är ett enzym eller bildar komplex med ett
   annat protein som är ett enzym efter aktivering. Vanlig grupp är receptor-tyrosinkinaser – RTKs. Vanliga ligander är tillväxtfaktorer som påverkar tillväxt och differentiering.

Question 18

Vilken är den största gruppen av signalmolekyler i djur?

Answer 18

Peptider, allt från några få aminosyror upp mot 100 st. Tex tillväxtfaktorer och peptidhormoner som insulin.

Question 19

Det finns två typer av GTP-bindande proteiner, vilka?

Answer 19

GTP bindande proteiner kan vara trimera (kallas G-proteiner) eller monomera.

Question 20

Beskriv strukturen för G-proteiner. Hur är dessa G-proteiner associerade med membranet?

Answer 20

Heterotrimera G-proteiner består utav en alfa-, beta- och gammasubenhet. Beta och gamma subenheterna är förankrade i membranet och aktiverar vanligen membranbundna enzymer. Alfasubenheten är inte membranförankrad utan är fri i cytosolen men oftast bunden till de andra subenheterna.

Question 21

Beskriv den typiska strukturen för en hetero-trimer G-proteinlänkad receptor (GPCR).

Answer 21

En G-proteinlänkad receptor (GPCR) består utav en polypeptidkedja med sju stycken transmembrana alfa-helixar som går genom membranet. Den extracellulära domänen
varierar mycket för att kunna binda olika ligander.

Question 22

Vad händer när en ligand binder till en G-proteinlänkad receptor (GPCR)?

Answer 22

När en ligand binder till receptorn ändras formen på den intracellulära domänen av receptorn så att ett G-protein kan binda till receptorn och då dissocierar GTP och GTP tar dess plats. Det aktiverade G-proteinet delas upp i två aktiva subenheter alfa, och beta/gamma och de aktiva subenheterna kan i sin tur aktivera tex jonkanaler, membranbundna enzymer eller kan påverka små intracellulära signalmolekyler (som tex cAMP).

Question 23

Hur inaktiveras G-proteinet?

Answer 23

G-proteinets alfa-subenhet har GTP-as aktivitet, vilket innebär att det självt kan hydrolysera GTP till GDP för att bli inaktivt och släppa sitt target-protein. Detta sker vanligtvis bara några sekunder efter aktivering.

Question 24

Det finns Gs och Gi varianter av G-proteiner, vad betyder detta?

Answer 24

Gs = G-proteiner som stimulerar en annan aktivitet, tex adenylyl cyklas, medan Gi (inhibitory) = G-proteiner som inhiberar en annan aktivitet.

Question 25

Ett viktigt target enzym för G-proteiner är adenylyl-cyklas. Ett stort enzym med 12
transmembrandomäner som aktiveras av G-proteinets a-subenhet. Vad gör detta enzym och varför är processen central?

Answer 25

Adenylyl cyklas producerar cAMP (cykliskt AMP) från ATP (stimulerat av Gs). cAMP är en sekundär messenger molekyl som bland annat medierar nedbrytning av glykogen till glukos.

Question 26

G-proteiner kan även aktivera jonkanaler. Hur regleras detta?

Answer 26

Både beta/gamma komplexet och alfa subenheten kan indirekt aktivera jonkanaler vilket öppnar dem, och jonflödet kan i sin tur inaktivera G-proteinet för att stoppa signalen. Detta går extremt snabbt!

Question 27

Adrenalin kan höja blodsockret. Förklara hur detta går till.

Answer 27

Adrenalin binder till GPCR vilket aktiverar G-proteinet. G-proteinets alfasubenhet aktiverar i sin tur adenylyl cyklas som katalyserar formation av cAMP. cAMP binder till och aktiverar PKA (proteinkinas A) som aktiverar fosforylaskinas. Det nu aktiva fosforylaskinaset aktiverar glukogenfosforylas (genom fosforylering) som bryter ner glykogen till glukos. PANG mer glukos i cellen som kan transporteras ut i blodet.

Question 28

Fosfolipas C är ett enzym som aktiveras av G-proteiner och som producerar sekundära messenger molekyler: IP3 (inositol-trifosfat) och DAG (diacylglycerol). Hur fungerar denna signalväg?

Answer 28

En ligand binder till GPCR och detta aktiverar G-protein som dissocierar i alfa och beta/gamma subenhet. Beta/gamma subenheten aktiverar i sin tur fosfolipas C som klyver en inositol-fosfolipid som sitter i membranet. Detta genererar IP3 och diacylglycerol. IP3 triggar sedan en öppning av Ca2+ jonkanaler i ER-membranet, vilket leder till en ökning av cytosolisk Ca2+ koncentration = stark signal! Ca2+ och diacylglycerol kan sedan tillsammans aktivera PKC (proteinkinas C) som för vidare signalen.

Question 29

Ge exempel på några viktiga sekundära messengermolekyler.

Answer 29

cAMP (viktig för tex glukosbalans) och Ca2+ (viktig för bland annat ägg som befruktats för att stoppa fler spermier från att komma in)

Question 30

Hur fungerar enzymkopplade receptorer?

Answer 30

Enzymkopplade receptorer är själva enzymer eller bildar komplex med ett annat protein med enzymaktivitet efter aktivering (vanligtvis tyrosinkinaser). När liganden (dimer eller monomer) binder dimeriseras receptorn vilket aktiverar den. Ibland har de katalytiska domäner som aktiveras eller så kan en intracellulär ligand binda.

Question 31

Den vanligaste och största gruppen av enzymkopplade receptorer är receptor tyrokinaser (RTKs), hur funkar dessa?

Answer 31

Strukturen av RTKs är två stycken peptidkedjor med en extracellulär N-terminal som är ligandbindande, en transmembran alfa helix och en C-terminaldel med tyrosinkinasaktivitet. Efter ligandbindning sker en dimerisering och autofosforylering av deras katalytiska domäner sker. Autofosforyleringen ger mer fosforylering och olika fosforylerade tyrosinrester fungerar som dockningsplats för olika intracellulära signalproteiner som aktiveras och för signal vidare. Många av dessa receptorer är bindningsplatser för tillväxtfaktorer.

Question 32

Hur inaktiveras RTKs?

Answer 32

Med tyrosin-fosfataser som tar bort fosfatgrupperna.

Question 33

Det finns även “icke-receptor tyrokinaser”. Hur fungerar dessa?

Answer 33

Receptorn som tar emot signalen är kopplad (ej kovalent bunden) till intracellulära tyrokinaser som fungerar som RTKs. Integriner är ett exempel på icke-receptor tyrokinaser.

Question 34

Ange tre sätt på vilket cellsignalering kan avslutas.

Answer 34

Receptor sequestering: Receptor och ligand tas in i vesikel och kopplas isär, receptor kan transporteras tillbaka.

Receptor down regulation: Receptor och ligand tas in i vesikel och bryts ner i lysosom.

Receptor inactivation: Avaktiveras av att en intracellulär molekyl binder till receptorn.

Signal protein inactivation: en intracellulär molekyl binder till signalprotein som avaktiverar det.

Produktion av inhibitoriskt protein: signalproteinet triggar produktion av ett signalinhibitoriskt protein (negativ feedback).

Question 35

MAPK signalvägen refererar till en kaskad av serin/treonin kinaser som kallas MAP kinaser (mitogen-aktiverade protein kinaser). I högre eukaryota organismer är denna pathway ofta förekommande i reglering av celltillväxt och differentiering. Hur är den kopplad till RAS och hur fungerar RAS proteiner?

Answer 35

Ras är ett membranbundet guaninbindande protein som fungerar analogt som alfa subenheten i G-proteiner (men är en monomer), alltså inaktivt när det är bundet till GDP och aktivt när det binder till GTP. Ras aktiveras av Ras-GEF (Guanin exchange factor) som är bunder till ett adaptorprotein som dockar till RTKs. Det aktiva Ras proteinet kan sedan förmedla vidare signalen. Ras-GAP (Ras GTPas-activating protein) hydrolyserar sedan GTP till GDP för att inaktivera RAs proteinet.

Question 36

MAPK signalvägen är en väldigt välkonserverad och viktig signalväg i eukaryota celler som aktiveras av RTKs (och icke receptor tyrosinkinaser). Hur fungerar MAPK signalvägen?

Answer 36

RTK dimeriseras när ligand binder och fosforyleras. Adoptorpotein dockar och har ett Ras-GEF bundet till sig. Ras-GEF aktiverar Ras genom att byta ut GDP till GTP och det aktiva Ras proteinet går sedan vidare och aktiverar MAPK3 som aktiverar MAPK2 som aktiverar MAPK som i sin tur fosforylerar olika proteiner, som tex kan leda till ändringar i proteinfunktion eller genuttryck.

Question 37

Förklara hur signalen amplifieras under MAPK signalvägen.

Answer 37

MAPK3 aktiverar ca 100 MAPK2 som aktiverar 10000 MAPK som i sin tur aktiverar 1000000 proteiner som förändrar cellbeteende. Stor amplifiering!

Question 38

Ras proteinet är ofta överaktiverat i olika cancerformer. Vilka konsekvenser får detta?

Answer 38

Eftersom Ras signalvägen är vanlig i reglering av celldelning, så mutationer i Ras-GAP (som inaktiverar Ras) kan leda till okontrollerad celldelning av cancerceller även i frånvaro av tillväxtfaktorer.

Question 39

RKTs aktiverar även PI3-akt signalvägen. Vad resulterar aktivt Akt protein i generellt?

Answer 39

Aktivt Akt orsakar ofta tillväxt och överlevnad av celler genom att inaktivera proteiner som leder till celldöd.

Question 40

Hur fungerar PI3-Akt signalvägen?

Answer 40

RTKs dimeriseras och fosforyleras och PI3 kinas dockar. PI3 kinaset fosforylerar inositolfosfolipider (PIP2: bundna i membranet) och de fosforylerade inositolfosfolipiderna (PI3) kan i sin tur aktivera Akt (ett serin/treonin kinas) tillsammans med ett annat kinas genom at fosforylera det. Akt kan sedan föra vidare signalen genom att fosforylera olika target proteiner, bland annat BAD som aktiveras för att motverka apoptos.

Question 41

Akt verkar även genom att göra celler större, hur?

Answer 41

Aktiverade Akt proteiner kan aktivera proteiner i en kaskad där det sista i en av signalvägarna är Tor. Tor inhiberar proteinnedbrytning och stimulerar proteinsyntes vilket båda leder till tillväxt.

Question 42

Hur fungerar Delta-Notch signalering?

Answer 42

När Delta (extracellulärt signalprotein på signalcellen) binder till Notch (extracellulär receptor på mottagarcellen) bryts svansen på notch av och migrerar till cellkärnan, där den agerar transkriptionsfaktor som inhiberar differentiering. Detta är viktigt i nervsystemet.

Question 43

Även växter har G-kopplade och enzymkopplade receptorer (tex RTKs som aktiveras av ljus). En speciell typ av receptorer växter har är etylenbindande receptorer som är lite speciella. Hur fungerar dessa?

Answer 43

I frånvaro av etylen bryts transkriptionsfaktorn som stimulerar genexpression av etylengener ner, men när etylen är närvarande inhiberas proteinkinaset som vanligtvid bryter ner transkriptionsfaktorn och genuttrycket förändras!

Question 44

Hur kan man studera cellsignalering?

Answer 44

1. Hitta bindande proteiner: tex genom “Bait” kromatografi.
2. Hitta bindningsställe: mutera proteiner och se vilken signal som går vidare, sedan uteslutningsmetoden.

Question 45

Hur kan man mäta cellsignalering?

Answer 45

Tex med antikroppar och western blot, eller genom mutanter (knock out eller gain of function).