Cell Biol Lecture-1

  • October 2019
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Cell Biol Lecture-1 as PDF for free.

More details

  • Words: 1,169
  • Pages: 38
Signal Transduction Section  of Cell Biology

Signaling by G Proteins: –– Heterotrimeric G Proteins –– Ras Super­family Small GTPases Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Cell­to­cell communication by extracellular  signaling usually involves six steps (1) synthesis of the signaling molecule by the signaling cell (2) release of the signaling molecule by the signaling cell (3) transport of the signal to the target cell (4) detection of the signal by a specific receptor protein (5) a change in cellular metabolism, function, or development  triggered by the receptor­signal complex ❚ (6) removal of the signal, which usually terminates the  cellular response ❚ ❚ ❚ ❚ ❚

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Signaling molecules operate over various  distances in animals

Receptor proteins exhibit ligand­binding and effector specificity Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Hormones can be classed based on their  solubility and receptor location

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Cell­surface receptors belong to four  major classes

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Cell­surface receptors belong to four  major classes

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Signaling by Heterotrimeric G Proteins

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

History of Transmembrane Signaling ❚ (1) Earl W. Sutherland’s Second Messenger Hypothesis ❚ (2) Fischer and Kreb’s Reversible Protein Phosphorylation  as a Biological Regulatory Mechanism ❚ (3) Martin Rodbell’s Transducer Model ❚ (4) Alfred G. Gilman’s Discovery of G Proteins

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Earl W. Sutherland’s  Second Messenger Hypothesis Varied  Stimuli

Endocrine     gland

      Hormone (first messenger)

Inactivated hormone

5’­AMP

Adenyl  cyclase       or        X

          cAMP or Y (second messenger(s))

Enzymes, permeability, etc. ... Physiological responses            including Steroids, Thyroid hormones, etc.

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Fischer and Krebs’  Reversible Protein Phosphorylation Adrenaline Receptor cyclase cAMP

      ATP

PKA Nonactivated  Phosphorylase  kinase

Activated  Phosphorylase  kinase

Phosphorylase b      (inactive)

Phosphorylase a         (active) Glycogen + Pi

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Glucose­1­P

Rodbell’s  Transducer Model

Hormone

GTP

Discriminator

Mg 2+

Transducer

GDP

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

ATP Amplifier cAMP

Gilman’s Purification of G Proteins And G Protein Cycle

GDP

Gα­GDP.βγ

+

Gα­GTP

Gα­GDP βγ

GTP

RGS

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Pi

βγ

Effectors Effectors

G protein­coupled receptors ❚ Many different mammalian cell­surface receptors are  coupled to a trimeric signal­transducing G protein ❚ Ligand binding activates the receptor, which activates the G  protein, which activates an effector enzyme to generate an  intracellular second messenger ❚ All G protein­coupled receptors (GPCRs) contain 7  membrane­spanning regions with their N­terminus on the  exoplasmic face and C­terminus on the cytosolic face ❚ GPCRs are involved in a range of signaling pathways,  including light detection, odorant detection, and detection of  certain hormones and neurotransmitters Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

G protein­coupled receptors

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

G Protein­coupled Receptors

Group V

olfactory R, adenosine R, cannabinoid R, ...... serotonin R, adrenergic R, dopamine R, histamine R, muscarinic R, ...... rhodopsins, endothelin R, thyrotropin releasing hormone R, ...... bradykinin R, ...... angiotensin R, chemokine R, thrombin R, ......

Group VI

melatonin R, ......

Group I

calcitonin R, ......

Group I Group II

Family A

Group III Group IV

Group III

parathyroid hormone/parathyroid­related­peptide R glucagon R, growth hormone releasing hormone R, pituitary adenylyl cyclase activating peptide R, ......

Group IV

latrotoxin R, ......

Group II

GPCR

Family B

Group II

metabotropic glutamate R, ...... calcium R,  ......

Group III

GABA­B R,  ......

Group I

Family C Family D Family E Family F

STE2 R,  ...... STE3 R,  ...... Copyright (c) by W. H. Freeman and Company cAMP R,  ......

Structure of GPCR and G Protein

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Structure of GPCR and G Protein

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Demonstration of functional domains in G  protein­coupled receptors

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Heterotrimeric G Proteins

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

G Protein α Subunits αs α olf α i1 α i3 α i2 α oA α oB α t1 α t2 αg

αs

αi

αz αq α 11 α 14 α 15 α 16 α 12 60

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

80

% amino acid identity

α 13

100

αq

α 12

Gs:   linking β­adrenergic receptors and  adenylyl cyclase 

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Some bacterial toxins irreversibly modify G  proteins

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

The structure of adenylyl cyclase

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

The structure of Gsα∙GTP complexed with two  fragments from the adenylyl cyclase catalytic domain

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Kinase cascades permit multienzyme  regulation and amplify hormone signals

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Cellular responses to cAMP vary among  different cell types

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Gt (Transducin):  Visual Transduction Light

Receptor (rhodopsin)

αt β γ G protein (transducin)

cGMP phosphodiesterase

Cyclic nucleotide­ gated cation channel

Membrane hyperpolarization

cGMP              5'­GMP

Lower cGMP Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Sense of light

Visual Transduction

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Gi:  Inhibiting Certain Isotypes of Adenylyl  Cyclases

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Gq:  Stimulating Phospholipase C β

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Hormone­induced release of Ca2+ from the ER  is mediated by IP3

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

IP3­induced Ca2+ increases are used to trigger  various responses in different cells

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

The effects of many hormones are  mediated by second messengers

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Effector Enzymes

αs αolf αi1 αi3 αi2 αoA αoB αt1 αt2 αg αz αq α11 α14 α15 α16 α12 60

80

α13

100

Interacting Proteins

Adenylyl cyclases Src tyrosine kinase Adenylyl cyclases (I, V, VI) Src tyrosine kinase Adenylyl cyclases (I) ? cGMP-specific phosphodiesterase

Calnuc, Tubulin

Adenylyl cyclases (I, V, VI) ? Phospholipase C-β (β1≥β3>β2) Btk tyrosine kinase

Rap1GAP, GRIN1, Eya2

Phospholipase C-β (β1≥β3>β2) ? Btk tyrosine kinase ? Btk tyrosine kinase Copyright (c) by W. H. Freeman and Company ?

Rap1GAPII, Calnuc, Tubulin, Pcp2, LGN, GRIN1, Eya2 Rap1GAPII, Tubulin, Pcp2, LGN, GRIN1

Tubulin

Gap1 rasGAP Cadherin p115 RhoGEF/Lsc Cadherin

Gβγ:  Regulation of certain effectors by Gβγ and  various Gα ∙GTP complexes contributes to  integration of cellular metabolism

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Direct effectors of Gβγ Enzymes Adenylyl cyclases Phospholipase C­β PI3Kγ                GRK              Btk

        Ion channels          K+  (GIRK)    Ca2+ (N, P/Q) Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

From plasma membrane to nucleus ❚ Many cellular responses induced by water­soluble  hormones, growth factors, and neurotransmitters result from  their effects on gene expression ❚ Such pathways usually involve activation of protein kinases  that directly or indirectly phosphorylate specific transcription  factors

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

CREB links cAMP signals to transcription

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Related Documents

Cell Biol Lecture-1
October 2019 14
Cell Biol Lecture-2
October 2019 13
Lecture1
June 2020 19
Lecture1
November 2019 38
Lecture1
June 2020 14
Biol 2051
May 2020 10